Оборудование воздухоразделительных установок

Воздухоразделительныеустановкиразличают по производительности, давлению и составу продуктов разделения. В маркировке установок приняты обозначения: А - азот, К - кислород технологический, Кт - кислород технический, Ар - аргон, ж - жидкий (кислород, азот или аргон). Цифра в маркировке обозначает количество основного продукта в тыс. м³/ч (первая буква в марке установки соответствует основному продукту). Например. Установка АК-0,135 предназначена для получения газообразного азота (135 м³/ч) и технологического кислорода.

Воздухоразделительные установки по производительности делят на три группы:

1) малой производительности (30... 300 м³/ч) для получения кислорода чистотой 99,2... 99,5%,в которых применяется высокое (10... 20 МПа) и среднее (3... 5 МПа) давление;

2) средней производительности (300... 400 м³/ч) для получения кислорода чистотой 95... 98%, в которых могут применяться либо два давления - высокое, низкое (0,5... 0,8 МПа), либо только низкое давление;

3) большой производительности (более 4000 м³/ч) для получения кислорода чистотой 95... 98%, в которых применяется низкое давление.

В состав воздухоразделительных установок входит следующее оборудование: поршневые и турбинные компрессоры и детандеры; кислородные и аргонные насосы, ректификационные колонны, теплообменники, устройства автоматического регулирования и защиты, блоки очистки воздуха.

Поршневые компрессоры применяются на средние и высокие давления при производительностях менее 7800 м³/ч. Турбокомпрессоры могут быть центробежными и осевыми с большой производительностью по воздуху (8000... 170000 м³/ч при давлениях 0,6... 0,8 МПа и в некоторых случаях до 3,5 МПа. Турбокомпрессоры обеспечивают равномерную подачу воздуха, свободного от примеси масла. Они просты в эксплуатации, имеют меньшие размеры и более высокий КПД по сравнению с поршневыми компрессорами.

Поршневые детандеры применяют для высокого и среднего давлений в установках малой мощности. В области малых расходов поршневые детандеры хорошо регулируются и при прочих равных условиях имеют более высокий КПД, чем турбодетандеры. Однако они менее надежны в работе и имеют худшие массовые и габаритные показатели на единицу производительности. В установках большой производительности и низкого давления наиболее широко применяются одноступенчатые радиальные реактивные турбодетандеры, предложенные академиком П. Л. Капицей.

Для перекачки ожиженных газов применяют насосы, отличающиеся от используемых для перекачки обычных жидкостей тем, что они работают при значительно более низкой температуре среды, в связи с чем возрастают потери при нагнетании. Ожиженные газы обычно имеют температуру, близкую к температуре кипения. Поэтому при уменьшении давления в отдельных элементах насоса (клапанах, патрубках, арматуре) из-за гидравлических потерь возможно возникновение кавитации. Для предотвращения этого явления необходимо в значительной мере охлаждать ожиженные газы перед их поступлением в насос.

В установках для разделения воздуха применяют поршневые (плунжерные) и центробежные насосы. Поршневые насосы используют для газификации жидкости (азота и кислорода), наполнения баллонов до обеспечения давления до 40 МПа, для подачи газа в сеть потребителя при давлении до 1,5 МПа. Центробежные насосы применяют для перекачки жидкости между ректификационными колоннами в больших количествах при малых напорах.

Все процессы теплообмена при низких температурах подчиняются общим закономерностям переноса теплоты. Однако при расчетах теплообмена при низких температурах следует принимать во внимание ряд факторов, проявляющихся существенным образом именно в этой области температур.

В низкотемпературной технике используются теплообменники практически всех типов, отличающиеся способом организации теплопередачи и конструктивным исполнением. Наибольшее распространение получили рекуперативные и регенеративные теплообменники.

Рекуперативным теплообменником или рекуператором называют теплообменник, в котором теплоносители разделены в пространстве теплопередающей поверхностью, которая воспринимает механическую нагрузку от разности давлений теплоносителей. Достоинство таких теплообменников состоит в том, что теплоносители в них не вступают в непосредственный контакт, поэтому можно использовать любые типы теплоносителей при любых соотношений давлений. Такие теплообменники работают, как правило, в стационарном режиме. Их недостатки - большая материалоемкость по сравнению с регенеративными и контактными теплообменниками.

Регенеративными теплообменниками или регенераторами называют теплообменники, в которых теплоносители разделены во времени (регенеративные теплообменники периодического действия). В таких теплообменниках теплопередающая поверхность выполняет роль теплового аккумулятора: в течении начального времени накапливается теплота одного из теплоносителей, который омывает теплопередающую поверхность, называемую насадкой, а затем отдает эту теплоту другому теплоносителю, омывающему ту же самую поверхность. Такие теплообменники обычно работают в периодическом режиме. Они имеют меньшую материалоемкость, так как поверхность теплопередачи не воспринимает нагрузку от разности давлений теплоносителей, поэтому она может быть сделана менее прочной, а следовательно более легкой. Их достоинство заключается в том, что в процессе теплообмена возможна очистка одного из теплоносителей от конденсируемых примесей. Недостаток таких теплообменников - частичное загрязнение одного из теплоносителей примесями другого.

В качестве конденсаторов и испарителей в воздухораспределительных установках применяют в основном рекуперативные теплообменные аппараты.

Очистка воздуха от водяных паров и диоксида углерода производится в специальных адсорбционных блоках. Для обеспечения непрерывной работы в блоке имеется два адсорбера. В то время, как в одном из баллонов адсорбция примесей, второй подвергается регенерации нагретым азотом, в результате которой происходит десорбция и удаление водяных паров и диоксида углерода. Таким же образом производится осушка кислорода после сжатия его в компрессорах.

 

 

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение процессу ректификации.

2. Приведите классификацию процесса разделения воздуха в ректификационных колоннах.

3. Опишите процесс однократной ректификации воздуха.

4. В чем преимущество двукратной ректификации воздуха по сравнению с однократной?

5. Составьте уравнение материального баланса для ректификационной колонны.

6. Опишите, как составляется энергетический баланс процесса разделения воздуха на газообразные азот и кислород.

7. Приведите классификацию воздухоразделительных установок по производительности.

8. Перечислите основное оборудование, входящее в состав воздухоразделительных установок.

9. Назовите основные типы теплообменников, применяемых в системах низкотемпературной ректификации воздуха.

10. Опишите способы очистки воздуха от водяных паров и диоксида углерода.