Вспомогательное оборудование криогенных установок
Грачев А.Б., Боярский М.Ю., Савинова Н.М.
§ 2. Очистка газов вымораживанием примесей
1. Физическая сущность процесса
Применяя охлаждение, из потока газа можно удалить примеси сравнительно легко конденсирующихся газов и паров; при этом степень очистки будет определяться свойствами примесей и температурой, до которой производится охлаждение. Как правило, охлаждение производят до температур, меньших, чем температура тройной точки, поэтому примеси выпадают в твердом виде. В связи с этим такой способ удаления примесей из потока получил название «очистка вымораживанием».
Масса Mi какого-либо компонента, содержащегося в газовой смеси, в соответствии с законом Дальтона [4] определяется парциальным давлением pi этого компонента
(3-18)
где ρi - плотность компонента смеси, Vс и pс - объем и давление смеси.
В том случае, когда температура смеси Tс ниже, чем критическая температура Tki компонента [4], величина pi может изменяться от нуля (когда компонент отсутствует) до величины p¯i, при которой в смеси может находиться максимальное количество этого компонента. Величина p¯i соответствует парциальному давлению паров над жидкой или твердой фазой и называется упругостью паров, которая существенно уменьшается с понижением температуры. Зависимость p¯i = p¯i (T) обычно можно описать уравнением вида [13]
(3-19)
где A, B, C - постоянные, зависящие от природы вещества.
С понижением температуры уменьшается упругость паров и максимально допустимое количество компонента в смеси. Когда количество одного из компонентов, находящегося в смеси, превысит максимально допустимое, начнется конденсация этого компонента. Зная начальное содержание компонента в смеси и зависимость , можно определить температуру начала конденсации.
Например, если в потоке воздуха с давлением р = 600 кН/м2 (~6 кг/см2) содержится по объему 0,035% двуокиси углерода СО2, то парциальное давление паров равно кН/м2 (~1,5 мм.рт.ст.). По зависимости [14] определим, что температура начала конденсации равна ~141K. Поскольку она ниже температуры тройной точки, равной T = 216K, то углекислый газ будет выпадать в виде кристаллов.
Очистка вымораживанием производится в специальных теплообменниках, где примеси оседают в виде инея на поверхностях теплообмена. Слой инея уменьшает площадь проходного сечения для потока газа, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления. В связи с этим вымораживатели должны быть с сконструированы так, чтобы их гидравлическое сопротивление к концу рабочей кампании не превышало максимально допустимого. Если вымораживатели применяются в установке, время работы которой относительно невелико, то эта цель достигается сравнительно просто применением развитых поверхностей теплообмена, что несколько увеличивает габариты установки в целом.
Примером могут служить газовые криогенные машины, работающие по циклу Стирлинга [18], когда они применяются для конденсации атмосферного воздуха. Вымораживатели установок, работающих длительное время, необходимо периодически очищать от примесей, не прерывая работу установки. В связи с этим применяют обычно два вымораживателя - в то время как в одном аппарате происходит охлаждение потока и вымораживание примесей, во втором происходит очистка аппарата от примесей путем продувки его чистым потоком газа.
По способу очистки от примесей можно выделить две группы переключающихся вымораживателей.
А. Вымораживатели, в которых удаление примесей, выделившихся из прямого (очищаемого) потока, производится продувкой аппаратов относительно теплым потоком газа. К этой группе относятся рекуперативные теплообменники-вымораживатели чаще всего трубчатого типа.
Б. Вымораживатели, в которых удаление примесей производится обратным холодным потоком газа. Это переключающиеся пластинчато-ребристые теплообменники рекуперативного типа и регенеративные теплообменники.
Процессы теплообмена в вымораживателях групп А и Б несколько различаются, поэтому рассмотрим особенности их работы раздельно.
Следующая страница: 3.2.2. Теплообменники-вымораживатели с удалением примесей вспомогательным потоком
| 