Файл: Софронов А.Л. Технология связанного азота курс лекций.pdf

- 68 -

/дТ

[дР/s '

При таком расширении газа происходит его значительное охлаждение. Расширение производится в поршневых машинах или турбомапшнах, на­ зываемых детандерами. В детандере кроме внешней работы газ совер­ шает работу по преодолении сил сцепления между молекулами. Соот­ ношение между изознтрошшм и изэнтадьпическш эффектами выражает­ ся уравнением

«л = «г *

Участие эффекта дросселирования в общем охлаждении бывает очень большим. По мере повышения давления и снижения температуры величина o(s уменьшается и приближается к значению от'/. В области, близкой к критической температуре, дросселирование может давать почти такой же эффект охлаждения, как и расширение с отдачей внеш­ ней работы.

Циклы глубокого охлаждения

Достижение низких температур основано на осуществлении обрат­ ного кругового процесса, называемого холодильным циклом. В холо­ дильном цикле происходит перенос тепла от тела с более низкой темпе^ дурой к телу с более высокой температурой. Перенос тепла от низшего температурного уровня к высшему возможен только при затра­ те энергии извне, т.е. при совершении внешней работы. Цикл,в кото­ ром на охлаждение затрачивается минимальная работа, называется идеальным. Затраты энергии будут минимальными в процессе сжижения газа путем его изотермического сжатия и адиабатического расширения с совершением внешней работы, при которой газ постепенно охлаждает­ ся и полностью сжижается (цикл Карно).

Практически идеальный цикл неосуществим, тан как для его про­ ведения перед расширением газа необходимо создать давление пример­ но 450000 ат. На практике для глубокого охлаждения и сжижения га­ зов используют реальные холодильные циклы, которые могут быть раз­ делены на три группы:

1)циклы с применением эффекта дросселирования;

2)циклы с применением адиабатического расширения и отдачей внешней работы;

- 69 -

3)каскадные циклы.

"ассмотрим некоторые наиболее распространенные циклы сжижения воздуха,

Воздушная холодильная машина

Схема работы воздушной холодильной машины и изображение процесоа на днаграше Т - S приведены на рис. 13

S

Рис.13. Схема работы воздушной холодильной машины и изображение цикла в координатах Г -5

Воздух сжимается в компрессоре от давления Pf до и нагре­ вается от температуры Г, до тг (линия 1-2). Сжатый воздух охлаж­ дается в водяном холодильнике до исходной температуры (линия 2-3), дросселируется до исходного давления и охлаждается (линия посто­ янной энтальпии 3-4). После дросселирования воздух проходит противоточный теплообменник, где отдает холод какому-либо теплоноси­ тели, нагревается до температуры 7^ и возвращается на компрессию.

Холодопроизводительность воздушной холодильной машины пропор­ циональна интегральному эффекту дросселирования:

0 - С р ( г , - т ) - ы .

При переработке I кг воздуха холодопроизводительность цикла можно записать как разность теплосодержаний воздуха до и после дроссели­ рования:

(теплосодержания в тоннах 3 и 4 равны, так как дросселирование осуществляется при постоянной энталыши).

- 70 -

Составим энергетический баланс процесса, для чего определим статьи прихода и расхода энергии.

Приход:

1)тепло,- эквивалентное работе сжатия воздуха в компрессоре (<?*);

2)тепло, полученное воздухом в противоточном теплообменнике {в,Х

Как видно из диаграммы Т-S , Q,= i f Расход:

I) тепло, отданное воздухом в водяном холодильнике

h ~Ls ■

Приравнивая приход к расходу, получаем:

ш ш ( і г - і3) = ( і , - t j t Q , ,

9

Таким образом, холодопроизводительность воздушной холодиль­ ной малшны равна количеству тепла, отданного воздухом в водяном холодильнике, минус тепло, эквивалентное затраченной внешней ра­ боте.

По такому циклу получить жидкий воздух невозможно,так как дросселирование в данном случае не приводит к необходимому сни­ жению температуры (при дросселировании от 200 до I ат ^ = І7°С, понижение температуры, составляет всего 40°).

Для достижения низких температур, необходимых для сжижения воздуха, в цикл перед дроссельным.вентилем вводится противоточ­ ный теплообменник, охлаждаемый нескондѳнсировавшимся воздухом низкого давления.

Цикл Линде с простым дросселированием

- Схема этого цикля и его диаграмма Г- S показана на рис.14. Воздух сжимается в компрессоре до 200 ат и охлаждается в водя­ ном холодильнике до исходной температуры (линия 1-2). Сжатый воздух поступает в противоточный теплообменник, где охлаждается обратным поток« несконденсировавшегося воздуха (линия 2-3). Ох­ лажденный газ дросселируется (линия 3-4) и поступает в отдели­ тель жидкости, где отделяется сжиаеннад часть воздуха. Несжижея-

- т а ­ ны* воздух в виде сухого насыщенного пара проходит межтрубное про-

стран, *во теплообменника, отдавая свой холод встречному потоку воздуха высокого давления.

Рис.14. Цикл Линде с простым дросселированием

Составим энергетический баланс противоточного теплообменника при переработке I кг воздуха. При количестве сжиженного воздуха х холодопроизводительность цикла, т.е. необходимое для охлаждения и конденсации этого воздуха количество холода

Q = x

холодопроизводительности воздушной холодильной машины и не за­ висит от работы противоточного теплообменника.

- 72 -

Величина холодопроизводительностн любого холодильного цикла зависит только от состояния воздуха на теплом конце теплообменни­ ка. Теплообменник не влияет на холодопроизводительность установок, введение его в схему, преследует цель получения необходимых для сжижения воздуха низких температур.

Поскольку хдлодопроизводительность циклов опрет°ляется тем­ пературой воздуха на входе в противоточный теплообменник,возмож­ но ее увеличение за счет предварительного охлаждения воздуха с помощью аммиачной холодильной машины, Аммичное охлаждение повыша­ ет и экономичность установки, так как проводится на более высоком температурном уровне. Поэтому энергии на единицу вырабатываемого холода расходуется значительно меньше, чем при низких температурах.

Работа, затрачиваемая на сжижение воздуха в циклах Линде,зна­ чительно больше минимальной вследствие необратимости процессов,осуществлявдихся в теплообменнике и дроссельном вентиле. Необратимость действия дроссельного вентиля можно снизить, применив двухступенча­ тое сжатие воздуха. В этом случае основной поток воздуха сжимают до 6-7 ат , а оставшийся воздух компримируют до 200 ат.

Цикл с двумя давлениями

Схема цикла и его диаграмма Т- S показаны на рис.15. Воздух сжимается в компрессоре низкого давления А, от давления Р, до Рг .

Рис.І5. Цикл с двумя давлениями

Часть этого воздуха в количестве(М)кг поступает в теплообменник низкого давления П 1, где охлаждается обратным потоке»! несжгаенного воздуха, а затем направляется в ректификационную колонну Д. Вто­ рая часть воздуха в количества (і-М)а-? поступает в компрессор вы-

- 73 -

соного давления Кг , где сжимается от давления Pz до ß . Затем воз­ дух охлаждается в теплообменнике Пг и дросселируется в ректификаци­ онную колонну.

Общая необратимость в этом процессе меньше, чем цикл с прос­ тым дросселированием, где вся масса воздуха расширяется до конеч­ ного давления. Вследствие этого затрата работы в двухступенчатом цикле меньше, чем в одноступенчатом, приблизительно на 30$.

Цикл Клода

Вцикле Клода необратимость дроссельного вентиля уменьшается

врезультате расширения части газа в поршневом детандере с совер­ шением внешней работы. Из-за технических трудностей (затруднена смазка при низкой температуре) в детандере удается расширять толь­ ко часть воздуха и притом до температуры более высокой, чем та, которая устанавливается после редукционного вентиля. Схема процес­

са и диаграмма Т- S приведены на рис. 16.

Рис.16. Цикл Клода

Воздух сжимается в компрессоре Л до давления 40-60 ат, после1 чего охлаждается в теплообменнике nt . Выходящий из теплообменника воздух разделяется на две части: одна часть в количестве (І-М)ягпо­ ступает в детандерѣ и расширяется до атмосферного давления (ли­ ния 3-4); другая часть воздуха (А7) кз. охлаждается в теплообменни­

- 74 -

ках /72 и П3 (линия 3-6), после чего дросселируется (линия 6-7) и поступает в отделитель жидкости О . Пары, образующиеся в.количест­ ве (М - х )к г , проходят теплообменник /7j и затем, соединившись с воздухом из детандера, поступают в теплообменники Пг и /7;.

Расход работы в цикле Клода примерно тот же, что и в двухсту­ пенчатой машине Линде. Основной недостаток процесса - низкий к.п.д. детандера (не более 0,1-0,2).

Цикл Капицы

В 1937 г. в Советском Союзе впервые был получен жидкий воздух на установке низкого давления (6-7 ат ), работающей по схеме ака­

Рис.17. Цикл низкого давления

компрессоре К до давления 6-7 ат, затем поступает в теплообмен­ ник (генератор), где охлаждается нескондѳнснровавшимся воздухом (линия 2-3). После теплообменника воздух разделяется на два пото­ ка. Большая часть воздуха (около 31%) в количестве ( 1 - М ) к г на­ правляется в турбодетандер ТД , в котором расширяется до давления 1,3 ат. Меньшая часть воздуха ( М)кг поступает в межтрубное про­ странство конденсатора С, где охлаждается и конденсируется.Жидкий воздух из межтрубного пространства через дроссельный вентиль в дросселируется с 6 до 1,3 ат и поступает в сборник#. Расширен­ ный воздух из турбодетандера направляется в трубное пространство конденсатора С , а оттуда - в теплообменник П.

- 75 -

По экономичности цикл Капицн не уступает циклам высокого дав­ ления вследствие высокого к.п.д. турбодетандера (0,8). Турбодетан­ дер конструкции Капицы представляет собой одноступенчатую реактив­ ную турбину со скоростью вращения ротора 40-60 тыс.об/мин. Сжатый воздух через направляющие сопла поступает на лопатки рабочего коле­ са и выходит через центральную часть ротора. На одном валу с турбо­ детандером устанавливается турбокомпрессор.

Охлаждение воздуха в турбодетандере происходит за счет изоэнтропного, изэнтральпического эффектов, а также за счет преодоления центробежной силы.

По сравнению с циклами высокого давления цикл Капицы облада­ ет следующими преимуществами:

1. Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет ус­ танавливать вместо теплообменников регенераторы (насадочные аппа­ раты), благодаря чему значительно уменьшается недорекуперация и не требуется предварительная очистка воздуха от Нг Ои СОг •

2.Вследствие меньшего конечного давления дросселирования снижаются потери холода при выпуске из системы жидкого воздуха.

3.Значительно уменьшаются потери холода, связанные с рабо­ той детандера (трение, утечка воздуха через сальники).

По циклу низкого давления с турбодетандером в СССР работают крупные азотокислородные установки ЕР-6 и БР-9.

Разделение воздуха

Установки для разделения воздуха и получения чистого азота необходимы для заводов, получающих азотоводородную смесь посред­ ством разделения коксового газа и при производстве водорода элект­ ролизом воды.

Технологический кислород применяется в азотно-туковой промыш­ ленности при переработке природного и попутного газов и газифика­ ции топлив. Для получения азота обычно применяют холодильные цик­ лы с двумя давлениями и промежуточным аммиачным охлаждением, а также установки низкого давления с расширением части воздуха в турбодетандерах.

Направляемый на переработку воздух имеет следующий состав