5.3.2. Расчет станций разделения воздуха

Материальный баланс для ректификационной колонны имеет следующий вид:

В = К + А, (5.6)

где В - расход разделяемого воздуха; К и А - производительность по получаемому кислороду и азоту соответственно.

Уравнение материального баланса по легкокипящему веществу (азоту) можно записать так:

Вув = Кук + АуА, (5.7)

где ув, ук, уА - содержание чистого азота соответственно в поступающем воздухе, в отходящих из колонны кислороде и азоте.

Решая совместно эти уравнения, находим производительность установки по кислороду заданной концентрации, получаемому из воздуха:

К = В ( ув - уА ) / ( ук - уА ). (5.8)

Энергетический баланс процесса разделения воздуха на газообразные азот и кислород аналогичен балансу процесса ожижения воздуха в ожижителе Капицы.

При получении газообразных азота и кислорода жидкость из установки не выводится и, следовательно, у = 0. Тогда уравнение энергетического баланса для 1 кг сжатого воздуха примет вид:

Δhт + МΔhд = Δhн + qиз. (5.9)

Изотермический дроссель-эффект Δhт при разделении воздуха несколько меняется, так как из теплообменника выходит не воздух - смесь азота и кислорода, а азот и кислород отдельно. Однако эта разница в значениях Δhт настолько невелика (поскольку энтальпия при разделении идеальной смеси не меняется), что ею пренебрегают. Потери от недорекуперации Δhн при разделении воздуха на газообразные азот и кислород равны сумме потерь от недорекуперации азота и кислорода.

Уравнение энергетического баланса воздухоразделительного аппарата, отнесенное ко всему количеству воздуха, имеет следующий вид:

ВΔhт + ВМΔhд = КΔТксрк + АΔТАсрА + Вqиз , (5.10)

где ΔТк - недорекуперация теплоты кислорода, равная разности температур воздуха на входе в теплообменник и кислорода на выходе из теплообменника; ΔТА - недорекуперация теплоты азота, равная разности температур воздуха на входе в теплообменник и азота на выходе из теплообменника; срк и срА - удельные теплоемкости кислорода и азота при постоянном давлении.

Для установок без детандера М = 0 и второе слагаемое в левой части обращается в ноль.

Чем крупнее воздухоразделительная установка, тем меньше относительное значение теплопотерь через изоляцию Вqиз . Это позволяет уменьшить ВΔhт - количество теплоты, которое надо отвести от воздуха в процессе дросселирования, т. е. снизить рабочее давление воздуха после компрессора.

Наибольшее значение этого давления (до 20 МПа) поддерживается в установках, в которых весь кислород (или часть азота) получается в жидком виде, т. е. в таких, где потребность в холоде наибольшая. При производительности установки выше 1000 ... 1500 м³/ч кислорода давление после компрессора может быть снижено до предельно низкого (0,48 ... 0,52 МПа), необходимого для работы колонны двукратной ректификации. Потери холода в этом случае покрываются в основном турбодетандером.