Молекулярная

затр »
q, •Lq₁+l.q,+ q„ + l.q,'
п
где: = X xiCpiATi - потери холода из-за недорекуперации выходящих
потоков; Xi - доля потока, с_р - изобарная теплоемкость потока, / и п - соответственно номер и количество потоков;
hq - потери холода, обусловленные теплопритоками через изоляцию;
q - холод, выводимый с жидким продуктом;
~ потери холода, обусловленные наличием в установке насоса
сжиженного газа (НСГ), т.е. потери из-за недоиспользованного дроссель- эффекта сжатого газа, тепла трения и т.д.
Для покрытия этих затрат и применяются криогенные циклы, холодопроизводительность которых q^p должна соответствовать имеющимся
затр пр т т г-
потерям, т.е. q =q • Нарушение этого равенства в люоую сторону ведет к
изменению режима работы установки.
Задачей криогенного цикла ВРУ является покрытие затрат, т.е. как q^p > q^mT, так и q^F < q^mp недопустимо.


103




Для производства холода в криогенной технике обычно используются компрессор, детандер и посторонние источники холода (например, холодильные установки, газовые холодильные машины) и т.д.
В общем случае:
?Г = ^дг'г ^{+ од}г'*„ ⁺
где: Д/₇. - изотермический дроссель-эффект компрессора;
D - доля детандерного потока;
Ai_dem — действительная холодопроизводительность детандера;
У п -холодопроизводительность посторонних источников холода.
* ход
Тогда энергобаланс любой криогенной установки может быть записан в следующем виде:
А/, ⁺ °⁺ I Ч,„ - X Ч, * I Ч,*Ч_Ж * I Ч.
С увеличением единичной мощности агрегатов уменьшается величина поверхности наружного кожуха на 1 кмоль перерабатываемого воздуха и, соответственно, уменьшаются теплопритоки через изоляцию Y.q (Р^ис- 28).


, кДж/шопь





Рис. 28. Зависимость удельных теплопритоков ^от количества
перерабатываемого воздуха


Поэтому увеличение единичной мощности ВРУ приводит к существенному снижению удельного расхода энергии на разделение.
Отсюда следует, что q ВРУ существенно зависит от:
количества перерабатываемого воздуха; агрегатного состояния продуктов разделения; состава продуктов разделения; наличия вспомогательного оборудования и т.д.


104

2. 
   Получение газообразных продуктов
   

Для получения газообразных продуктов обычно используются агрегаты крупной производительности, перерабатывающие до 350000 м³/ч воздуха. В этих установках теплопритоки достигают £^-, = 70 -90 кДж/кмоль, а потери
холода из-за недорекуперации составляют - 180 кДж/кмоль.
Суммарные потери холода, т.е. £ 2 ® 220-270 кДж/кмоль, могут
быть покрыты холодопроизводительностью цикла низкого давления с детандером (цикл Капицы). Давление в цикле - 0,65 МПа, доля детандерного потока - 0,20 - 0,25 кмоль/кмоль, температура воздуха перед детандером - 120

• 
  130 К. Этот цикл отличается простотой и надежностью, так как базируется на турбомашинах - турбокомпрессоре и турбодетандере. По циклу низкого давления с детандером в настоящее время проектируются все ВРУ для получения газообразных продуктов, перерабатывающие более 7000 - 8000 м³/ч воздуха. Возникающий резерв холодопроизводительности в крупных ВРУ низкого давления с детандером может быть использован для получения до 5 % продукта в жидком виде.
  

На установках средней производительности для получения газообразных продуктов, перерабатывающих от 500 до 7000 м³/ч воздуха, суммарные потери холода составляют Х<7з + Х<7?» 300 - 400 кДж/кмоль и
для их покрытия уже недостаточно удельной холодопроизводительности цикла низкого давления с детандером. В этом случае используется цикл среднего давления с детандером (цикл Клода). Если давление в цикле < 7,0 МПа, то доля детандерного потока - 0,50 - 0,60 кмоль/кмоль, а температура воздуха перед детандером - 140 - 210 К. С увеличением производительности этих установок удельные потери холода Т. Я 2 У^{меньшаются}» ^что
компенсируется уменьшением давления в цикле до 3,5-4,0 МПа. В ряде случаев имеющийся резерв холодопроизводительности этих ВРУ может быть использован для получения части продукта (до 5-7 %) в жидком виде.
ВРУ малой производительности (В < 200 м³/ч воздуха) отличаются значительными потерями холода из-за теплопритоков через изоляцию (]Г q^ > 300 кДж/кмоль). Для покрытия затрат холода этих ВРУ уже
недостаточно холодопроизводительности цикла среднего давления с
детандером. В этом случае обычно используется отличающийся
максимальной простотой цикл высокого давления (10 - 22 МПа) с дросселированием (цикл Линде).

2. 
   Получение жидких продуктов
   

В установках для получения продуктов разделения воздуха в жидком виде значительная часть полезной холодопроизводительности расходуется на ожижение газа, поскольку с каждым кмоль жидкости выводится около 12000 кДж холода. В этих установках дополнительно к потерям холода Z#2 + ^ 3


105

появляется весьма значительная величина q которая и определяет

»
холодопроизводительность цикла.
Поэтому количество полученных жидких продуктов определяется не материальным, а энергетическим балансом ВРУ, и обычно не превышает

1. 
   20 - 0,22 кмоль/кмоль.
   

Исходя из этого, в ВРУ для получения продуктов разделения в жидком виде применяется цикл высокого давления с детандером (цикл Гейляндта). Давление в цикле - 20 - 22 МПа, доля детандерного потока - 0,60 - 0,70 кмоль/кмоль, температура воздуха перед детандером - 235 - 240 К. Холодопроизводительность этого цикла обычно увеличивается за счет использования посторонних источников холода, например, одной или нескольких холодильных установок.
В настоящее время спроектированы и изготовлены крупные жидкостные ВРУ на базе турбомашин среднего давления - турбокомпрессоров и турбодетандеров (установки типа К_жА_жАр_ж-6). Криогенный цикл этих установок включает два контура на базе турбокомпрессоров К-390-111-1 - воздуха среднего давления и азота среднего давления. Общее количество перерабатываемого воздуха в этих установках существенно меньше, чем в схемах 2-х давлений; при этом существенно уменьшаются размеры блока адсорбционной очистки.
Экономические показатели ВРУ зависят от давления потоков и числа ступеней охлаждения, количества турбодетандеров на различных уровнях и т.д. Как показывают расчеты, каждая последующая ступень охлаждения улучшает энергетические показатели на 5 - 7 %, одновременно усложняя схему.
Вопрос выбора криогенного цикла должен решаться конкретно для каждой установки. Чем крупнее агрегат, тем больше суммарный расход энергии и сложнее схема установки.

4. 
   Выбор схемы узла теплообмена и очистки воздуха
   

Выбор схемы узла теплообмена и очистки воздуха от примесей ВРУ определяется:
криогенным циклом установки; количеством воздуха; составом примесей;
агрегатным состоянием продуктов разделения.

1. 
   Узел теплообмена и очистки воздуха ВРУ низкого давления
   

В качестве теплообменных аппаратов в ВРУ низкого давления широко применяются регенераторы различных типов и пластинчато-ребристые теплообменники.
Для охлаждения воздуха перед блоком разделения все ВРУ низкого давления комплектуются системами азотно-водяного охлаждения (АВО). В азотном скруббере АВО осуществляется охлаждение воды потоком сухого отбросного азота; в дальнейшем эта охлажденная вода поступает в воздушный


106




скруббер для охлаждения воздуха после концевого холодильника компрессора.
Использование АВО позволяет снизить температуру воздуха и существенно уменьшить количество влаги перед блоком разделения.
Узел теплообмена и очистки воздуха крупных ВРУ низкого давления, определяется количеством получаемых сухих и чистых продуктов - (р.
При ф = 0 (например, ВРУ для получения технологического кислорода типа Кт) используют узел регенераторов с алюминиевой галетной насадкой (рис. 29).
Конструктивно узел теплообмена и очистки газа состоит как минимум из 2-х переключающихся регенераторов 1 и 2 и низкотемпературных газовых адсорберов на петлевом потоке 3. В установках типа Кт-12, Кт-35 и др. регенераторы заполнены насадкой в виде дисков из свернутой по спирали гофрированной алюминиевой ленты толщиной 0,46 мм и высотой 50 мм (рис. 30). Удельная поверхность 1 м³ дисковой насадки составляет 1200 м².
В верхней части регенераторов установлены клапаны принудительного действия на прямом, обратном и петлевом потоках, а также перепускной клапан для исключения резких колебаний давлений при переключениях аппаратов. В нижней части регенераторов установлены клапаны автоматического действия. В то время как по регенератору 1 сверху-вниз проходит сжатый воздух, по регенератору 2 снизу-вверх проходит обратный поток (отбросной азот или технологический кислород).
Воздух, проходя сверху-вниз по регенератору 1, охлаждается и последовательно очищается от влаги, диоксида углерода и углеводородов. Насадка регенератора при этом нагревается. Для обеспечения самоочистки из средней части регенератора при температуре 145 - 148 К отводится петлевой поток в количестве до 0,12 кмоль/кмоль, который далее поступает в один из двух попеременно работающих низкотемпературных газовых адсорберов для очистки от ССЬ и углеводородов. В качестве адсорбента в газовых адсорберах используется кусковой мелкопористый силикагель марки КСМ.
Обратный поток (отбросной азот или технологический кислород), проходя снизу-вверх по регенератору 2, нагревается и последовательно очищает насадку от влаги, диоксида углерода и углеводородов. Насадка регенератора при этом охлаждается.