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

4-3. Сочетание ректификационной колонны и криогенного процесса. Энергетический баланс системы разделения.

В большинстве промышленных воздухоразделительных установок процесс криогенного обеспечения строится на использовании либо воздуха, либо продуктов его разделения. Такой внутренний криогенный процесс (раздел 3-1) до последнего времени считается наиболее эффективным. (Но ведутся работы по созданию системы разделения воздуха с внешним криогенным процессом или циклом.) В этом случае обе составляющих криогенного цикла, показанного в идеальном виде на рис. 3-20, осуществляются воздухом и продуктами его разделения.

Все множество воздухоразделительных установок образуется путем сочетания различных криогенных процессов (рефрижераторных при получении газообразных продуктов и ожижительных при отводе продуктов в жидком виде) и ректификационных колонн (отгонных, концентрационных и их сочетаний), самая распространенная из которых – колонна двойной ректификации. В воздухоразделительных установках используется главным образом рефрижераторные и ожижительные циклы и процессы Линде, Клода, Гейландта и Капицы.

Принципиальное отличие криогенных рефрижераторных и ожижительных процессов, используемых в сочетании с ректификацией, от обычных – только одно. Оно заключается в том, что наряду с обратным циклом 2"6"8"11", связанным с окружающей средой (рис. 3-20), существует цикл 11"7"4"1", обеспечивающий отвод тепла Q_к и подвод Q_и. Этот последний цикл осуществляется без непосредственной связи с окружающей средой; вся необходимая для его работы эксергия подводится через цикл 2"6"8"11".

Поэтому методы расчета общего энергетического баланса воздухоразделительных установок в принципе не отличаются от расчета рефрижераторов и ожижителей [4, 9, 10, 12]. Это наглядно видно из схем, представленных на рис. 4-5 и 4-6. Па первом из них дана обобщенная схема системы разделения c детандерными криогенными процессами. В зависимости от температурного уровня отвода воздуха на детандер и его количества криогенный процесс может быть сведен к процессам Линде, Клода, Гейландта или Капицы.

Рис. 4-5.

Контрольная поверхность ректификационной колонны (показана штрихом) независимо от ее вида пересекается поступающими потоками сжатого и охлажденного воздуха из теплообменника В_т, и детандера В_д, а также выходящих продуктов К и А (они могут выходить как в виде газа и направляться в теплообменник, так и непосредственно в виде жидкости А_ж и К_ж).

Независимо от того, какие количества тепла внутри колонны будут переходить из испарителя в конденсатор, внешние энергетические балансы как колонны (штриховая линия), так установки в целом (штрих-пунктирная линия) будут иметь один и тот же вид. Как было показано в гл. I, в процессе разделения смеси идеальных газов энтальпия не меняется. Поскольку при низких давлениях свойства реальных газов достаточно близки к идеальным, суммарная энтальпия кислорода К и азота А равна энтальпии воздуха при том же давлении и температуре. Это означает, что с позиций внешнего энергетического баланса системы разделения, схема на рис.4-5 может быть заменена моделью, показанной на рис. 4-6, где процесс разделения заменен простым дросселированием с р_m до p_n, а выходящие продукты К и А - воздухом В с тем давлением и температурой. Тогда B · i₅ = K · i_5k + A · i_5A

Что касается жидких продуктов, то энтальпии потоков Кж и Aж отличаются от энтальпий К и А; эту разницу легко учесть в энергетическом балансе подстановкой соответствующих величин Δi_сж, как будет показано ниже. Таким путем расчет схемы рис. 4-5 сводится к формулам, используемым при расчетах рефрижераторов или ожижителей.

Рис. 4-6.

Для детандерного процесса Клода, представленного на рис. 4-6, можно записать уравнение энергетического баланса при получении газообразных продуктов следующим образом:

где Δi_т,в - изотермический дроссель-эффект воздуха;
Δi_т,в = i₅ - i₂
(1-M) Δi_д - холодопроизводительпость детандера;
Δi_н - разность энтальпий, связанная с наличием разности температур на теплом конце теплообменника (недорекуперация) ;
q_из- потеря через изоляцию на единицу расхода разделяемого воздуха.

Величина потери от недорекуперации Δi_н при разделении воздуха на газообразные азот и кислород равна сумме двух величин: потери от недорекуперации азота Δi_HA и потери на потоке кислорода Δi_HK с учетом их массовой доли

  (4-1)

Таким образом, уравнение энергетического баланса для установки разделения воздуха с внутренним детандерным криогенным процессом имеет вид а) на единицу перерабатываемого воздуха

  (4-2)

б) на все количество перерабатываемого воздуха В

  (4-3)

Массовые доли продуктов разделения находят из уравнений материального баланса установки B=K+A;

Расчет обычно проводится на единицу расхода перерабатываемого воздуха; при этом уравнения материального баланса записываются: 1=К+А;

Если в установке разделения воздуха применяются криогенные процессы с несколькими детандерами и дополнительным охлаждением, то уравнение баланса дополняется соответствующими членами (аналогично балансу для криорефрижераторов [12])

  (4-4)

При получении из установки одного или нескольких продуктов в жидком виде ее энергетический баланс аналогичен балансу ожижителя [12]; в него входят члены, показывающие расход холода на отводимый жидкий продукт. Эта величина на единицу каждого жидкого продукта Δi_ож равна разности энтальпий этого продукта при Т_ос и p_ос и в состоянии на выходе из системы Δi_ож = i₁ - i_ж .

В современных воздухоразделительных установках для получения непосредственно из блока разделения сжатых продуктов часто используется насос ожиженного газа (кислорода, аргона, азота и др.).

Насос 3 включается (рис. 4-7) так, чтобы отбирать из соответствующего места аппарата 1 жидкость, которая перед ним охлаждается на несколько градусов ниже точки кипения в охладителе 2 каким-либо более холодным потоком. Это охлаждение предотвращает вскипание жидкости в насосе. Жидкость под давлением проталкивается через теплообменник 4, где испаряется и нагревается потоком воздуха, поступающего в установку извне. Нагретый до температуры, близкой к Т_ос, сжатый газ подается к потребителю. Такой метод, исключающий использование дополнительного компрессора, часто оказывается весьма выгодным [8].

Рис. 4-7.

Применение насоса в установке разделения воздуха находит отражение в правой части уравнения энергетического баланса в виде двух дополнительных членов. Один из них должен учитывать энергию, вносимую в блок работой насоса; второй – дроссель-эффект сжатого газа (поскольку его энтальпия меньше, чем в случае получения газа несжатым). Для компенсации потерь, отражаемых этими членами, требуется дополнительная холодопроизводительность.

Таким образом, при получении в установке разделения других газов, кроме кислорода и азота (инертных газов, промежуточных фракций), жидких продуктов или продуктов под давлением правая часть уравнения энергетического баланса, которая отражает затраты холода в установке, соответственно изменяется

  (4-5)

где - потери от недорекуперации с инертными газами;
- расход холода на отводимые сжиженные продукты L;
П_сжΔi_сж- отрицательный изотермический дроссель-эффект потока П, связанный с его сжатием в установке;
П_насΔi_нас - теплопритоки в насосе сжиженного газа. (Продукт обычно выходит из установки в газообразном состоянии при давлении 16÷220 атм).

Это уравнение имеет наиболее общий характер, все остальные могут быть получены из него, как частные случаи.

Следующая страница: Общая характеристика промышленных воздухоразделительных установок