VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

С целью модернизации технологической схемы автомобильной кислородоазотодобывающей станции проведен анализ отдельных составляющих процессов, происходящих в элементах схемы. Предложена структурная схема математического моделирования процессаразделения воздуха.

В основу технической реализации принципов разделения воздуха заложен тепловой баланс. При установившемся процессе количество теплоты, поступающей в систему, будет равна отводимой теплоте из системы при условии отсутствия тепловых потерь:

Q₁ = Q₂, (1)

гдеQ₁ = i₃–поступающая теплота в систему;Q₂ = x_i0 + (1 – x)∙i₁–отводимая теплота из системы;x– доля сжиженного воздуха;i₀– энтальпия жидкого воздуха;(1 – x)∙i₁– количество теплоты, отводимое с уходящей через теплообменник несжиженной части воздуха, нагретого до температурыT₁ придавлении p₁ и имеющего энтальпиюi₁.

Холодопроизводительность в данном случае определяется из разностей энтальпийi₁и i₃, аэто фактически величина эффекта Джоуля-Томпсона

(2)

Из формулы (2) можно выразить количество получаемого жидкогогаза по соотношению энтальпий

. (3)

Рассмотрим тепловой баланс с учетом потерь.Балансовое соотношение (1)дополняется величинами потерь через изоляцию и потерями от недорекуперации на теплом конце теплообменника.

Q₁ = Q₂ + ∆Q, (4)

где∆Q = q_н + q_нед;q_н– потери через изоляцию;q_нед– потери от недорекуперации на теплом конце теплообменника.

Холодопроизводительность: ∆i_T = x(i₁ – i₀) + q_н + q_нед. (5)

Количество получаемого жидкого воздуха:x = (6)

За счет того, что тепловая потеря находится в прямой зависимости, то количество жидкого воздуха будет значительно меньше,и все будет зависеть от величин потерь через изоляцию и от недорекуперации на теплом конце теплообменника.Если говорить о потерях через изоляцию, то здесь следует отметить, что она напрямую связана с массой оборудования и варьирование этой величины имеет смысл, но это приведет к существенному увеличению габаритов и утяжелению самой установки. Теплопотери через изоляцию примерносравнимы с потерями от недорекуперации на теплом конце теплообменника[1].

Теплообменник, изображенный на рисунке 1, имеет холодный и теплый концы. Работа теплообменника с противоточной схемой приводит к охлаждению воздуха. Недорекуперация заключается в том, что на выходе из теплообменника еще остается тот запас холода, который не используется и выбрасывается.

Рисунок 1 – Схема распределения температур по длине теплообменника

В качестве примера на рисунке 2изображено, каким образом характеристики зависят от изменения абсолютного давления на входе. Холодопроизводительность с увеличением давления растет, количество жидкого воздуха тоже растет, а фактические затраты энергии падают. Т. е. увеличение давления на входе приводит к положительным эффектам. Цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере примерно повторяет дроссельный вариант, но с отличием: здесь идет отбор сжатого воздуха уже охлажденного в теплообменнике, схема функционирования при этом остается прежней. Отличие от дросселя в том, что здесь не наблюдается верхнего порогового значения давления, при котором ограничивается использование дросселя. А вот в поршневом или в турбодетандере, который используется на современных установках, этот эффект уже можно обойти. И поэтому все проектируемые в будущем и модернизированные в настоящем установки включают в себя в основном использование поршневого или турбодетандера.

Полученный жидкий воздух имеет в своем составе азот, жидкий кислород и другие примеси. На T – Sдиаграмме рисунка 2 представлен состав азотно-кислородной смеси при равных температурах и абсолютных давлениях.

а – схема цикла,б – цикл на T – S диаграмме,

1 – компрессор, 2 – водяной холодильник, 3 – поршневой детандер, 4 – основной теплообменник,

5 – дополнительный теплообменник, 6 – дроссельный вентиль, 7 – сосуд для жидкого воздуха,

8 – сливной вентиль.

Рисунок 2 – Цикл высокого давления с расширением воздуха в детандере

Рассмотрим случай при давлении равной 1 кгс/см². Верхняя кривая обозначает содержание газа, а нижняя – жидкости. Видно, что при температуре 81,4Ксодержание азота составляет 80% в паровой фазе, а кислорода– 20%, далее получаем содержание азота 48,5% и 51% кислорода. Как видно из рисунка 3 в зависимости от температуры и давления будетизменяться состав азотно-кислородной смеси.

Рисунок 3 – Диаграмма смеси при равных температурах и абсолютных давлениях

Рассмотрим процесс ректификации воздуха. Ректификация – процесс разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Сущность процесса ректификации состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода.

Через змеевик в резервуаре пускается теплый газ, как изображено на рисунке 4. В паровом пространстве, будет скапливаться газообразный азот, прежде всего за счет того, что температура кипения азота меньше, чем температура кипения кислорода.

Рисунок 4 – Процесс ректификация воздуха

Упрощенная схема ректификационной колонки представлена на рисунке 5.

Если задать содержание кислорода в ряде емкостей 60%, 50%,40%, 30% и 21%, и пропускать пар сквозь резервуары, то все время будет выделяться чистый азот, а в емкость будет стекать чистый жидкий кислород.

Рисунок 5 –Схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха

На практике же блок ректификации несколько сложнее. Схема организации может быть разной, но смысл остается тем же.

а – для получения кислорода, б – для получения азота; 1 – ректификационные колонны,

2 – тарелки, 3, 9 – трубы для отвода кислорода и азота, 4 – труба для подвода сжатого воздуха, 5 – куб колонны, 6 – змеевик испарителя, 7 – дроссельные вентили, 8 – труба для подачи жидкого воздуха на верхнюю тарелку, 10 – насадка (или тарелка), 11 – карманы конденсатора, 12 – конденсатор.

Рисунок 6 – Схемы аппаратов однократной ректификации

На рисунке 6 приведены две конструкции ректификационных тарелок. Первый вариант – это сетчатая схема, но также есть и колпачковая. Принцип работы у них примерно один и тот же, эффективность каждой конструкции определяется организацией гидродинамического режима на этих тарелках. Вводится такое понятие как коэффициент обогащения тарелки. Коэффициент обогащения тарелки – отношение действительного увеличения содержания более летучего компонента в паре (азота) при прохождении его через тарелку к теоретическому, определяемому по равновесному состоянию. На практике количество тарелок обычно увеличивается и поэтому вводится средний к.п.д. Средний к.п.д. – отношение числа теоретических тарелок к числу фактических тарелок колонны. К.п.д. зависит от уноса капель жидкости поднимающимися парами иот характера движения жидкости на тарелке. Стремятся к тому, чтобы движение было организованным, близким к ламинарному, ане вихревым.

Таким образом,технология разделения воздуха по небольшому обзору состоит из следующих этапов: Сжатие воздуха → Осушка и очистка воздуха от двуокиси углерода и углеводородов(это специальный процесс, который необходим для избежания пажароопасных ситуаций, потому что накопление двуокиси очень серьезно осложняет работу механичеких подсистем, типа детандера и углеводородов, что может привести к разрушению в результате взрыва этой установки.Это специальное мероприятие, которое осуществляется в отдельном блоке, способы осушки и очистки различные) → Охлаждение до температур насыщения и образования жидкой фазы (флегмы) → Разделение методом низкотемпературной ректификации с отбором продуктов. Эти составляющие должны присутствовать в любой воздухоразделительной установке, в том числе и установке высокого давления[2].

На рисунке 7 видны колонны нижние и верхние, подсорбер для очистки воздуха, детандер, разные приемные емкости для готовых продуктов. Схема очень сложна и имеет большое количество теплообменников различного назначения.Эта схема не является устоявшейся, она может быть модернизирована. Для этого необходимо изучение отдельных составляющих процессов, происходящих в ее элементах. Без этого модификация, улучшение производительности и увеличение эффективности невозможно.

Обобщенная структурная схема математического моделирования ВРУ представлена на рисунке 8. Это схема состоит из последовательного цикла обработки воздушной смеси и из переведения в различные термодинамические состояния.

1 – влагоотделитель, 2 – баллон блока очистки (2 шт.), 3 – электроподогреватель блока очистки и блока разделения, 4 – фильтр (2 шт. или 1 шт. в зависимости от модификации), 5 – наполнительная рампа – для заправки баллонов азотом или кислородом, 6 – теплообменник-ожижитель, 7 – основной теплообменник, 8 – первая колонна, 9 – вторичный конденсатор, 10 – емкость – конденсатор,

11 – вторая колонна, 12 – переохладитель, 13 – насос сжиженных газов, 14 – емкость,

15 – детандерный теплообменник, 16 – детандерный фильтр, 17 – поршневой детандер,

18 – наполнительная воздушная (рампа станции СКДС).

Рисунок 7 – Технологическая схема АКДС-70М.

Рисунок 8– Обобщенная структурная схема математического моделирования ВРУ

Необходимые исходные данные представлены в виде перечня теплофизических характеристик, геометрических характеристик, либо штатного оборудования, которое будет применяться при проектировании. Далее идет расчет технологической схемы – это задача охлаждения и задача ректификации, сюда же относятся тепловые и гидравлические расчеты устройств, теплофизические свойства веществ. Послеследует компановка узлов соединенных между собой.Необходимы проведения тепловых и гидравлических расчетов этих схем на основе всех теплофизическиххарактеристик. Именно это является основой для успешного функционирования ВРУ.

Основным элементом, где происходят теплопотери, снижающие производительность является теплообменик, имеющий широкое применение.

Особенности:

1. Влияние разности температур и температурного уровня на работу теплообменных аппаратов. Здесь имеется ввиду, что передача теплоты от теплого теплоносителя к холодному осуществляется при новом качестве температур. Речь идет не про обычные температуры, которые находятся выше 0 ºС, а про криогенные температуры. Такая температура приводит к тому, что необходимо затрачивать дополнительную работу для компенсации энергетических потерь вследствие необратимых процессов теплообмена. Для обычных теплообменников это работа небольшая, а для криогенных может достигать до 30%.

∆T = T_A – T_Б; (7)

(8)

_{lT.O = TO.C∆ST.O–удельная работа, которую необходимо совершить для компенсации энергетических потерь вследствие необратимости процесса теплообмена.}

2. Гидравлические потери и их влияние на криогенные теплообменники.

Полные потери давления:

∆p = ∆p_н + ∆p_об, (9)

где∆p_н, ∆p_об– потери прямого и обратного потоков.

Действительное отношение давлений:

p_н/p_к = (p_н - ∆p_п)/( p_к + ∆p_об), (10)

гдеp_н,p_к, – давление на входе и выходе установки.

Удельная работа, совершаемая для компенсации потерь давления:

l_∆p = T_O.C(∆Sn + ∆S_об), (11)

где∆Sn , ∆S_об – приращение энтропий вследствие потерь давления.

Превышение потери давления в теплообменнике ведет к снижению холодопроизводительности и снижению количества получаемого воздуха.

3. Изменение свойств веществ при низких температурах и их влияние на теплообмен.

Рисунок 9 – Диаграмма теплообмена

Диаграмма иллюстрирует, что с точки зрения теплообмена происходит в различных областях.

Область I при нормальных температурах, достаточно высоких и достаточно низких давлениях.Это область газообразного состояния, для которой справедливы обычные формулы теплопередачи (изменение свойств незначительно). Для расчета теплообменного оборудования в этом диапазонне температур можно применять классические формулы, которые широко известны во всех учебниках.

Область IIгазообразного и жидкого состояния близкого к критическому (изменение свойств существенно). Там, где получан разжижающий эффект, где используются теплообменные гомогенные аппараты, должно учитывать то, что изменение свойств при незначительном изменении температуры и давления будет очень существенным. Это повлияет на конечные характеристики расчета теплообмена.

Область III двухфазного состояния, в которой теплопередача происходит при конденсации и кипении (противоречивые данные о теплоотдаче). Теплоотдача усложняется, так как здесь есть межфазные переходы, т.е. конденсация и испарение.

Область IV околокритическая (свойства меняются резко). Для этой области классические уравнения теплообмена непригодны (теплоотдача может резко увеличиваться или уменьшаться, или даже колебаться). Если взять какой-нибудь канал, среда движется за счет вязкостного трения о стенки и за счет теплообмена,при этом происходит естественное изменение не только профиля, но и существенное отличие тепловых характеристик в среде потока, а также в пограничном слое, если мы находимся в условиях общекритической точки.

Список использованной литературы

1. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. –М.: Химия, 1972.

2. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы: учебник для вузов: в 2 т. // Основы теории и расчета. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 467 с.

Код для цитирования: Скопировать