- •Учебно-методический материал Раздел №1 «Теоретические основы криогенной техники»
- •Оглавление
- •Тема № 1. Сжатие газов Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины
- •Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации
- •Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров
- •Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы s – т.
- •Групповое занятие № 1. Процессы одноступенчатого и многосту-пенчатого сжатия газов Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел
- •Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие.
- •Тема № 2. Очистка и осушка воздуха. Лекция №1. Очистка и осушка воздуха Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха
- •Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха
- •Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов
- •Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами
- •Практическое занятие № 1. Адсорберы воздухоразделительных установок и взрывобезопасность. Учебный вопрос № 1. Адсорберы вру и взрывоопасность
- •Тема № 3. Расширение газов. Лекция № 1. Дросселирование газов. Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования
- •Сжатый газ
- •Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность
- •Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
- •Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров
- •Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
- •Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов
- •Тема № 4. Глубокое охлаждение. Лекция № 1.Глубокое охлаждение и его циклы. Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины
- •Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода. Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием
- •Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах
- •Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)
- •Тема № 5. Ректификация. Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации. Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации
- •Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния
- •Групповое занятие № 1. Процесс ректификации Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации
- •Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси
- •Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
- •Тема № 6. Процессы и аппараты воздухораздели-тельных установок. Лекция № 1. Теплообменники. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов
- •Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники
- •Групповое занятие № 2. Конденсаторы-испарители Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.
- •Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара
- •Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении
- •Групповое занятие № 3. Регенераторы Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов
- •Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах
- •Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов
- •Практическое занятие № 4. Ректификационные колонны Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн
- •Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн.
- •Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха
- •Тема № 7. Контроль качества газов, применяемых в авиации Лекция № 1. Определение содержания веществ в газе. Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации
- •Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации.
- •Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях.
- •Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде
- •Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации. Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов
- •Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов
- •Расчетные
- •Визуально
- •Инструментальные
- •Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк
Практическое занятие № 1. Адсорберы воздухоразделительных установок и взрывобезопасность. Учебный вопрос № 1. Адсорберы вру и взрывоопасность
В атмосферном воздухе кроме целевых компонентов содержатся примеси, которые могут кристаллизоваться в аппаратах, нарушая режим их работы, и взрывоопасные примеси. К первой группе примесей обычно относят пары воды и двуокиси углерода, ко второй – углеводороды, озон и др. Для обеспечения надежной и безопасной работы ВРУ необходимо осуществлять очистку воздуха и продуктов его разложения.
В установках малой и средней производительности выполняют комплексную осушку и очистку воздуха в специальных адсорбционных блоках, работающих при температуре 278–283 К. В этих же аппаратах частично удаляют и взрывоопасные примеси. В ВРУ низкого давления большой производительности небольшая часть воздуха (петлевой поток) очищается от двуокиси углерода в низкотемпературных адсорберах. В последние годы созданы ВРУ низкого давления с комплексной осушкой и очисткой всего потока сжатого воздуха.
Наиболее взрывоопасными элементами ВРУ являются аппараты, в которых кипит и испаряется жидкий кислород. Это, в первую очередь, конденсаторы-испарители. Углеводороды могут накапливаться в жидком кислороде и иногда на теплопередающих поверхностях, омываемых жидким кислородом. Взрывоопасные примеси из жидкой фазы обычно улавливают в адсорбционных аппаратах, установленных на потоках кубовой жидкости и кислорода в циркуляционном контуре конденсатора-испарителя.
Состав и доля взрывоопасных примесей в воздухе, поступающем в установку, зависят от места ее работы и выброса газов промышленными предприятиями вблизи нее. Кроме того, воздух может быть загрязнен продуктами разложения смазочных масел в ВРУ. Объемные доли, см3/м3, взрывоопасных примесей в сухом атмосферном воздухе при нормальных условиях (р = 1,01·105 Па и Т = 273,15 К) приведены ниже.
Примесь |
СО |
СН4 |
С2Н6 |
С2Н2 |
N2О |
О3 |
Объемная доля, см3/м3 |
до 35 |
до 1,0 |
0,1 |
0,001–1,0 |
0,5 |
0–0,5 |
Растворимость примесей в жидком кислороде и кубовой жидкости при температурах 90 и 100 К указана в табл. 1.
Очистка петлевого потока воздух. Часть воздуха (петлевой поток), охлаждаемого в регенераторах, отводится из середины регенератора в адсорбер для очистки от углекислого газа. Температура петлевого потока и расход воздуха в нем зависят от условий работы регенераторов без забиваемости твердой фазой СО2. Принципиальная схема узла ВРУ с адсорберами на петлевом потоке показана на рис. 1. Период переключения адсорберов составляет примерно 70 ч. В качестве адсорбента используют силикагель марки КСМ.
Таблица 1
Растворимость взрывоопасных примесей
Примесь |
Температура кипения при нормальном давлении, К |
Растворимость, приведенная к нормальным условиям, см3/м3 | |
в жидком кисло-роде при 90 К |
в кубовой жид-кости при 100 К | ||
Метан СН4 |
111,5 |
910 000 |
990 000 |
Этан С2Н6 |
184,5 |
93 000 |
109 000 |
Этилен С2Н4 |
160,0 |
27 500 |
- |
Пропан С3Н8 |
230,8 |
7 000 |
10 800 |
Ацетилен С2Н2 |
189,4 |
5,4 |
19,5 |
Диаметр адсорбера определяют из условия допустимых скоростей фильтрации рабочего потока, отнесенных к полному сечения аппарата. Высота слоя адсорбента зависит от времени работы адсорбера до переключения на регенерацию. Изменение температуры потока приводит к резкому изменению времени защитного действия адсорбента должна быть увеличена по сравнению с расчетным (обычно на 20 %).
Рис. 1. Схема очистки петлевого потока воздуха от двуокиси углерода
1 – адсорбер; 2 – турбодетандер; 3 – регулирующий вентиль
Комплексная осушка и очистка сжатого воздуха. Блок комплексной осушки и очистки воздуха (БКО) наиболее широко применяют в ВРУ среднего и высокого давлений. Давление воздуха в адсорберах составляет 3-7 или 10-20 МПА. Воздух перед БКО охлаждает до 278-283 К с целью уменьшения в нем паров воды и увеличения поглотительной способности адсорбента. Осушку и очистку от паров Н2О, СО2 и С2Н2 и других примесей выполняют с помощью синтетического цеолита NаХ. Степень осушки воздуха соответствует точке росы не менее 203 К, остаточная доля СО2 в очищенном воздухе около 1,5 см3/м3, С2Н2 – не более 5·10-3 см3/м3.
Насыщение цеолита парами Н2О, СО2 и С2Н2 происходит до определенного предела, а затем адсорбционная емкость адсорбента восстанавливается путем регенерации. Цеолит NаХ поглощает СО2 хуже, чем Н2О и С2Н2, поэтому переключения адсорберов блока определяют из условия насыщения адсорбента углекислым газом. Периодичность переключения адсорберов 8–20 ч. Для регенерации адсорбента используют азот или воздух,
3 6
7
4 5
1 8
2 12
9
10
17 16
11
19 13
20 18 15 14
Рис. 2. Схема блока комплексной осушки и очистки воздуха (БКО)
1 – влагоотделитель; 2, 12 – адсорберы; 3-6, 8, 15-18 – вентили; 7, 11 – измерительные преобразователи температуры; 9 – нагреватель; 10 – терморегулятор; 13, 19 – фильтры; 14, 20 – манометры подогретые до 650-670 К; расход регенерирующего газа составляет примерно 20 % расхода очищаемого воздуха. В конце процесса регенерации температура азота (воздуха) на выходе из адсорбера должна быть не менее 473-493 К; перед переключением адсорбера на режим очистки его охлаждают потоком подогретого газа.
Изготовляют БКО по различным технологическим схемам: с двумя (рис. 2) и четырьмя адсорберами. Максимальная производительность БКО 31 500 м3/ч. Очищаемый воздух поступает во влагоотделитель 1, а затем в адсорбер 2, на выходе из которого установлен фильтр 19 для улавливания цеолитовой пыли. Регенерирующий газ после подогревателя 9 поступает в адсорбер 12. Время десорбции адсорбента меньше продолжительности адсорбции на величину, необходимую для охлаждения адсорбента до рабочей температуры. Работа БКО непрерывна, цикл каждого адсорбента состоит из следующих режимов: адсорбции, термодесорбции и охлаждения адсорбента.
В БКО с четырьмя адсорберами в режиме адсорбции работают одновременно два адсорбера, а два других – в режиме регенерации; циклы переключения всех адсорберов смещены для обеспечения более равномерной работы БКО.
3
1 2 4
2
3
а) б)
Рис. 3. Схема очистки от углеводородов кубовой жидкости
а – на потоке в верхнюю колонну (1 – куб нижней колонны; 2 – адсорбер; 3 – дроссельный вентиль); б – в отмывочной колонне (1 – нижняя колонна; 2 – отмывочная колонна; 3 – циркуляционный насос; 4 – адсорбер).
Очистка кубовой жидкости от углеводородов. Жидкость, находящуюся в кубе нижней колонны, очищают в адсорберах от взрывоопасных примесей. В качестве адсорбента для очистки кубовой жидкости в настоящее время применяют силикагель марки КСМ (реже КСК). Ацетиленоемкость силикагеля КСМ с насыпной плотностью 0,78 кг/дм3 зависит от содержания в воздухе двуокиси углерода и при средних долях ацетилена в жидкости 0,2 см3/дм3 и СО2 в воздухе 11–14 см3/м3 составляет 1,8 см3/дм3.
Наиболее распространенные схемы включения адсорберов на потоке кубовой жидкости показаны на рис. 3. Способ очистки воздуха в отмывочной колонне позволяет вести процесс при большей концентрации удаляемых примесей. Это достигается благодаря более высокой температуре жидкости в колонне по сравнению с температурой кислорода и, следовательно, большей растворимости примесей. Повышенное содержание примесей в данном случае не опасно, так как жидкость в отмывочной колонне не кипит.
Очистка жидкого кислорода от углеводородов. Особенно опасно попадание в жидкий кислород даже небольших объемов взрывоопасных примесей в установках с длительным периодом работы. При кипении жидкого кислорода эти примеси постепенно могут накапливаться в жидкости, так как
Рис. 4. Схема очистки от углеводородов жидкого кислорода
1- выносной конденсатор-испаритель; 2 - адсорбер
давление насыщенных паров углеводородов существенно ниже давления насыщенного пара кислорода. Кроме того, адсорберы БКО на петлевом потоке воздуха не обеспечивают полной очистки от С2Н2 и многоатомных углеводородов, а степень очистки этана и этилена не превышает 10 %. В связи с этим в ВРУ применяют адсорбционную очистку жидкого кислорода.
Известны две схемы включения адсорберов: на потоке жидкого кислорода перед выносными конденсаторами – испарителями и в циркуляционном контуре. В настоящее время наиболее распространена вторая схема (рис. ) как более эффективная. Её преимущество – непрерывная и более глубокая степень очистки, обусловленная многократным прохождением жидкости через адсорбер. Циркуляция жидкого кислорода обеспечивается специальным насосом или парлифтом. Режимы работы адсорберов очистки кислорода и кубовой жидкости близки.
Очистка и разделение инертных газов. Процесс низкотемпературной адсорбции в ВРУ используют также для разделения и получения чистых инертных газов. Адсорбционные блоки очистки и разделения инертных газов в ВРУ выполняют следующие технологические в ВРУ выполняют следующие технологические задачи: получение чистого аргона (объемная доля более 99,999 %) из сырого аргона (85-98 %); комплексную очистку от двуокиси углерода и углеводородов криптоноксенонового концентрата; разделение первичного криптоноксенонового концентрата; разделение неоногелиевой смеси.
Возможность применения процесса физической адсорбции для получения особой чистоты аргона обусловлена различием критических размеров атомов аргона и молекулы кислорода. Процесс очистки осуществляют на адсорбентах типа молекулярное сито.