Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

4-4. Общая характеристика промышленных воздухоразделительных установок

Подавляющее большинство современных воздухоразделительных установок независимо от производительности построены на базе колонны двойной ректификации. Это означает, что давление воздуха, подаваемого на разделение, по условиям проведения процесса не может быть ниже ~5 атм (раздел 4-2).

Таким образом, при использовании колонны двойной ректификации нижний предел этого давления установлен. Верхний предел давления определяется условиями оптимальной работы криогенного процесса на воздуха; он составляет, как известно, около 160-200 атм при использовании процесса Линде с дросселированием, а при различных модификациях процесса Клода (Гейландта, Капицы) в зависимости от конкретных условий может изменяться в пределах от 160 до 5,5-6 атм.

Выбор криогенного процесса определяется тем, в каком режиме работает установка - рефрижераторном (выдача в основном газообразных продуктов) или ожижительном (количество жидкости 3÷5% от В или выше).

Начнем рассмотрение с первого случая. При работе в рефрижераторном режиме основным фактором служит производительность установки. Чем больше производительность, а следовательно, и размеры установки, тем меньше относительная величина потерь через изоляцию и выше КПД детандерных машин.

В результате уравнение (4-5) изменяется таким образом, что правая часть (потери) уменьшается; эти дает возможность в левой части уменьшить величины Δi_тв и Δi_Д путем снижения давления воздуха. Примерная зависимость давления pm криогенного процесса от производительности установки и видов криогенных процессов представлена на рис.4-8. Как видно из графика, граница области использования низкого давления (процесс Капицы) лежит в области G_проколо 1000-1200 м³/час.

[Граница возможного применения низкого давления по мере совершенствования установки (уменьшение потерь и повышение КПД детандеров) постоянно смещается в сторону меньших производительностей. В 30-х и в начале 40-х годов для компенсации холодопотерь в воздухоразделительной установке использовались только процессы высокого и среднего давлений. После разработки акад. П.Л. Капицей эффективного турбодетандера стало возможным осуществлять криогенный процесс на низком давлении. Первые установки низкого давления были созданы в СССР под руководством акад. П.Л. Капицы (1943 г. – для жидкого кислорода, 1946 г. – для газообразного).]

Рис. 4-8.

Эксергетический КПД установок для получения газообразных продуктов находится в интервале 4-15%. Большая величина относится к самым крупным установкам, меньшая – к самым малым. Дальнейшее повышение эффективности схем, основанных на двойной ректификации, возможно в очень ограниченных пределах.

Во втором случае (получение ожиженных продуктов) низкое давление используется редко. В установках низкого давления для получения ожиженных продуктов холодопроизводительность достаточна только на ожижение 5-8% сжимаемого в компрессоре воздуха [15]. Следовательно в таких установках может быть использована колонна однократной ректификации, которая обеспечивает выход кислорода около 60% от его содержания в воздухе (0,6·0,2=0,12), т.е. 12% воздуха, поступающего в установку.

В самых распространенных установках для получения жидких кислорода и азота используются криогенные процессы Гейландта и Клода. В установках для получения жидких продуктов иногда используются дополнительные рефрижераторные системы с внешними криогенными циклами на азоте [11] или других криогентах.

В перспективе совершенствование установок разделения воздуха может идти по пути отказа от классической колонны двойной ректификации и соответствующего построения технологической схемы. Описание схем и методика расчета различных установок разделения воздуха и их частей приведены в [3, 10, 11].

Для энергетической оценки блока разделения необходимо знать мощность привода Nk компрессора, затраты мощности в дополнительной установке внешнего охлаждения Nдоп, и т.д. Если в блоке предусматривается детандер, то возвращаемая им мощность‚NА также должна бить определена.

Чтобы оценить совершенство установки, определяется значение эксергетического КПД

  (4-6)

В числителе представлена эксергетическая производительность установки, равная сумме произведений удельных эксергий потоков на их величины. В знаменателе - энергетические затраты в установке. Удельные затраты энергии на единицу продукта (при получении одного продукта) равны

  (4-7)

Распределение затрат энергии между несколькими продуктами описано в [14].

Следующая страница: 5.1.Извлечение гелия из природного газа