Молекулярная

Рис. 27. Классификация криогенных воздухоразделительных установок


В маркировке воздухоразделительных установок буквы обозначают производимый продукт:
К - кислород технический с содержанием 99,2 - 99,8 % СЬ;
Кт - кислород технологический (90 - 99,2 % СЬ);
А - азот чистый, содержащий не менее 99,996 % N₂;
Ад - азот под давлением;
Кж, Аж - жидкие кислород (технический) и азот;
Ар - аргон газообразный (99,95 %);
Арж -аргон жидкий.
Цифры в маркировке показывают округленное количество основного продукта в тыс. м³/ч или в тыс. кг/ч (для жидкостей). Так, например, ВРУ типа Кт-70 предназначена для получения до 70000 м³/ч технологического кислорода, а ВРУ типа КжАжАрж-6 - для получения до 6000 кг/ч жидкого технического кислорода.
В последние годы для установок комплексного разделения воздуха принято обозначения с двойным цифровым индексом (через косую дробь), например, ВРУ типа АКАр-13/6 предназначена для получения 13000 м³/ч чистого азота, 6000 м³/ч технического кислорода и аргона.


100

2. 
   Основные блоки ВРУ
   

Промышленные агрегаты разделения воздуха различаются между собой способами получения холода (холодильными циклами), методами очистки его от водяных паров, а также системой ректификации.
Выбор холодильного цикла и аппаратурное оформление процесса разделения воздуха определяются производительностью агрегатов. В установках малой производительности (до 150 м³/ч воздуха) для получения холода преимущественно применяют холодильный цикл высокого давления; водяные пары из воздуха поглощаются гидроксидом натрия или хлористым кальцием, а углекислый газ - водным раствором едкого натра.
Более экономичный холодильный цикл среднего давления с поршневым детандером используется в установках большей производительности (например, 500 м³/ч воздуха). В этих установках очистка воздуха от углекислого газа производится 10-12 %-ной щелочью, осушка - силикагелем, а иногда - вымораживанием.
В более крупных установках (1500 - 5000 м³/ч) в связи со снижением удельных потерь холода представляется возможным сжимать до высокого давления только 10 - 20 % разделяемого воздуха, часть которого пропускается через детандер. В этом случае очистке щелочью и специальной осушке подвергается только воздух высокого давления, воздух низкого давления очищают вымораживанием одновременно с его охлаждением в регенераторах.
При производительности установок более 17500 - 20000 м³/ч воздуха удельные потери холода снижаются настолько, что полностью отпадает необходимость в холодильном цикле воздуха высокого давления. Весь охлаждаемый воздух очищается в регенераторах, в которых одновременно вымораживаются углекислый газ и водяные пары.
Холод, необходимый для процесса разделения, получают при расширении части воздуха в турбодетандерах, характеризующихся высоким коэффициентом полезного действия.
Отечественные установки низкого давления для получения газообразного технического кислорода рассчитаны на получение от 3500 до 15000 м³/ч кислорода.
В настоящее время для получения чистого азота и технологического кислорода применяют установки низкого давления АКт-15 и АКтК-16 и др.; для получения больших количеств газообразного кислорода - Кт-12, КтК-35.
Установка глубокого охлаждения состоит из многих элементов, которые могут быть объединены в следующие группы:
машинное отделение - компрессоры и детандеры; вспомогательное оборудование - аппараты для предварительной обработки воздуха;
основное оборудование - теплообменники, испарители конденсаторы, дефлегматоры, ректификационные и промывные колонны;
оборудование для хранения и транспортировки газов в газообразном и жидком состоянии;
контрольно-измерительные приборы.
101




Машинное оборудование (компрессоры и детандеры) является одним из наиболее ответственных элементов установки глубокого охлаждения.
Блок разделения, состоящий из теплообменников, испарителя, конденсаторов, колонн со всей коммуникацией, представляет собой центральную часть установки. От технологической схемы, правильного выбора параметров, размеров аппаратов зависит эффективность процесса получения конечных продуктов.
Большое значение для бесперебойной работы установки имеет вспомогательное оборудование для предварительной обработки газов - очистки их от углекислоты и осушки.
В крупных установках обходятся без специальной аппаратуры для предварительной обработки воздуха, а очистку от углекислоты и осушку производят в вымораживателях и регенераторах, которые одновременно являются теплообменными аппаратами.
Хранение и транспортировка газов в газообразном и жидком состояниях представляют собой неотъемлемую часть заводов. Для хранения и транспортировки газов в жидком состоянии применяются стационарные и транспортные танки; для хранения их в газообразном состоянии применяются стальные баллоны, в которых газ хранится под давлением 15 МПа.

3. 
   Общие принципы создания ВРУ
   

Проектирование ВРУ включает построение ее принципиальной схемы, термодинамический расчет, анализ и оптимизацию цикла установки и отдельных ее элементов, подбор и расчет основного и вспомогательного оборудования и т.д.
Расчет ВРУ заключается в решении системы уравнений материальных и энергетических балансов всей установки, и ее отдельных узлов.
Для этого необходимо располагать данными о термодинамических свойствах веществ, описанием процессов в основном и вспомогательном оборудовании, а также данными об эффективности аппаратов и машин.
Эффективность оборудования характеризуется температурными и концентрационными напорами, гидравлическими сопротивлениями аппаратов и кпд машин.
Разработка ВРУ начинается с составления ее принципиальной схемы, которая зависит от состава, количества и агрегатного состояния продуктов разделения. Необходимо отметить, что указанные параметры взаимосвязаны и определенным образом влияют друг на друга.
На выбор криогенного цикла ВРУ существенное влияние оказывает производительность, а на выбор узла ректификации - состав продуктов разделения.
Так, для ВРУ низкого давления схема узла ректификации ограничивает долю детандерного потока величиной D < 0,3 кмоль/кмоль. Поэтому циклы низкого давления могут применяться только в установках большой производительности, где удельные потери холода из-за теплопритоков через


102




изоляцию невелики. Конструкция узла теплообмена этих установок во многом определяется составом продуктов разделения воздуха.
Аналогично в установках среднего давления агрегатное состояние продуктов разделения определяет состояние воздуха на входе в нижнюю колонну и, соответственно, схему отбора детандерного потока.
Установки одинакового назначения можно проектировать по различным схемам. В любом случае разрабатываемая установка должна удовлетворять техническим требованиям и предварительно выбранным технико­экономическими показателям. В основе выбора схем ВРУ должен лежать принцип оптимизации.
Процесс проектирования ВРУ включает выбор трех основных элементов схемы:
криогенного цикла;
узла теплообмена и очистки воздуха;
узла разделения (ректификации).

1. 
   Выбор криогенного цикла ВРУ
   

Криогенный цикл предназначен для обеспечения длительной бесперебойной работы установки.
затр
Удельные затраты холода <7₀ любой криогенной установки для
разделения (ожижения) газовых смесей в общем случае могут быть определены зависимостью: