Материал: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Воздухоразделительные установки» для студентов направления «Ядерная энергетика и теплофизика». Калядин О.В

ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический

университет"

Кафедра физики твердого тела

Методические указания

к лабораторным работам

по курсу «Воздухоразделительные установки»

для студентов направления 140700.62 «Ядерная энергетика

и теплофизика»

(профиль «Техника и физика низких температур»)

очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук О.В. Калядин

УДК 661.9

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Воздухоразделительные установки» для студентов направления 140700.62 «Ядерная энергетика и теплофизика» (профиль «Техника и физика низких температур») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. О.В. Калядин. Воронеж, 2015. 51 с.

Методические указания содержат теоретическую часть к каждой лабораторной работе, описание изучаемых установок, методику выполнения работы и контрольные вопросы.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2007 и содержатся в файле Мет. Лаб. (ВРУ).docх.

Ил. 25. Табл. 1. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В. А. Юрьев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Лабораторная работа №1 Изучение блоков комплексной очистки воздуха установки ажа – 0.04

Цель работы: Изучение принципа действия и правил эксплуатации блоков комплексной очистки воздуха при помощи цеолитов (молекулярных сит).

Содержание работы: Во время лабораторной работы студенты в производственном помещение азотного отделения криогенной лаборатории ВГТУ изучают устройство и принцип действия блоков комплексной очистки воздуха, их назначение и основные правила эксплуатации, осуществляют некоторые операции по обслуживанию блоков осушки воздуха под надзором преподавателя и представителя производства.

Описание воздухоразделительной установки: Воздухоразделительная установка АЖА – 0.04 предназначена для получения из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения по циклу высокого давления с детандером жидкого или газообразного азота. Жидкий продукт накапливается в емкости блока разделения и периодически сливается в емкость потребителя (сосуды Дьюара, ТРЖК и т.д.). Производительность данной установки:

- по жидкому продукту: 40 кг/ч

- по газообразному продукту: 50 м³/ч

Чистота продуктов разделения 99.998 об %. Длительность пускового периода при Т_ос = 20 °С не менее 4 часов. Продолжительность полного отогрева – не менее 5 часов. Длительность рабочей кампании при получении жидкого продукта – 12 суток, газообразного – 60 суток. Установка включает в себя:

- компрессор

- блок комплексной очистки воздуха

- детандер

- блок разделения

- насос сжиженных газов.

При работе установки атмосферный воздух очищается от механических примесей в сетчатом цилиндрическом фильтре, после чего поступает в первую ступень компрессора. Компрессор представляет собой 5-ти ступенчатую крейцкопфную машину с приводом от асинхронного двигателя мощностью 75 кВт. Для смазки цилиндров компрессор снабжен лубрикатором. Для охлаждения масла в системе предусмотрен маслоохладитель. Каждая ступень компрессора имеет холодильник и влагомаслоотделитель. Цилиндры компрессора имеют водяные рубашки. Система охлаждения проточная. Водопроводная вода, пройдя масляный охладитель, воздушные холодильники и рубашки цилиндров сливается в канализацию.

Пройдя последовательно пять ступеней компрессора, сжатый воздух с давлением 70 – 200 атм поступает в ожижитель для охлаждения до температуры 5 – 10 °С, оптимальной для работы цеолитов. Конструктивно ожижитель представляет собой трехсекционный теплообменник змеевикового типа. Охлаждение воздуха происходит за счет:

- отбросного газа при работе установки на жидкость;

- отбросного газа и продукта разделения при работе установки на газ.

Ожижитель расположен в кожухе блока разделения. Из ожижителя воздух направляется в блок очистки, где осушается и очищается от паров воды, углекислоты и ацетилена цеолитами. Насыщение цеолитов примесями происходит до определенного предела, после чего их адсорбционная способность должна быть восстановлена (производится регенерция). Для регенерации используется отбросной газ блока разделения, расход которого определяется с помощью дифманометра. Чтобы предотвратить сгорание трубчатых элементов электроподогревателя, блок очистки снабжен электродиафрагмой, не позволяющей включить электроподогреватель без прохождения через него оптимального количества регенерирующего газа. После окончания регенерации подогрев выключается и адсорбер охлаждается тем же потоком газа.

После очистки сжатый воздух направляется в блок разделения, где сжижается и при помощи ректификации разделяется на азот и кислород. Сжижение воздуха происходит за счет холода, полученного при расширении его в дроссельном вентиле. Компенсация холодопотерь при производстве жидкого продукта происходит за счет расширения части воздуха в детандере (кроме того этот холод используют и для сокращения пускового периода). Конструктивно блок разделения состоит из кожуха, в котором размещены:

- ректификационная колонна

- теплообменная аппаратура

- фильтры

- емкость для накопления жидкого продукта

- дроссельные и запорные вентили.

На кожухе блока разделения размещается щит с приборами, трубы отбросного газа, коллекторы отогрева и продувки, предохранительные клапаны. Свободное пространство в кожухе заполнено теплоизоляцией – мипорой.

Применение цеолитов существенно увеличивает кампанию установки (время непрерывной работы). При работе установки на газовом режиме (детандер не работает) достигает 60 суток и более, однако кампания установки на жидкостном режиме лимитируется заменой фильтра детандерного воздуха и не должна превышать 12 суток. В конце капании производится отогрев блока разделения. Для этого используется электроподогреватель блока очистки. Воздух, нагретый до температуры 80 °С, с давлением 6 атм, подается в коллектор отогрева и далее ко всем необходимым узлам блока отогрева.

Часть воздуха высокого давления, идущая на расширение в дроссельный вентиль, предварительно проходит ожижитель и теплообменник (также как и ожижитель - трехсекционный). Расширение в дроссельном вентиле ведется до 6 атм (рабочее давление ректификационной колонны).

Часть воздуха высокого давления, идущая на расширение в детандер, расширившись до 6 атм, последовательно проходит фильтр детандерного воздуха, обратный клапан, детандерный теплообменник и поступает в ректификационную колонну.

В колонне происходит разделение жидкого воздуха на жидкий продукт и отбросный газ. Жидкий продукт накапливается в емкости блока разделения. Для получения газообразного продукта жидкость засасывается насосом сжиженных газов и направляется на наполнительную рампу с предварительной газификацией в теплообменнике и ожижителе за счет тепла воздуха высокого давления, идущего на дросселирование.

Отбросной газ отдает свой холод, последовательно проходя переохладитель, рубашку насоса сжиженных газов, теплообменник детандерного воздуха, основной теплообменник, ожижитель и далее направляется на регенерацию в блок очистки.

Для улучшения работы блока очистки и блока разделения установка комплектуется блоком предварительного охлаждения (фреоновый холодильный агрегат). При его работе воздух высокого давления после ожижителя направляется в верхний змеевик теплообменника-испарителя, где охлаждается и затем уже поступает в блок очистки. После чего воздух направляется нижний змеевик теплообменника испарителя, и частично охладившись, поступает в блок разделения.

Блоки комплексной очистки: Блок очистки входит в состав установки разделения воздуха АЖА – 0.04 и предназначен для очистки воздуха от влаги, двуокиси углерода, ацетилена и других примесей.

Характеристика применяемого сырья

Цеолит синтетический марки NаХ.

1. Внешний вид  гранулы цилиндрические с круглыми торцами.

2. Гранулометрический состав. Размер гранул по среднему диаметру 58 мм, не менее 94 %.

3. Насыпная плотность  не менее 0,7 г/см³.

4. Прочность на раздавливание  не менее 0,945 МПа;

5. Водостойкость  не менее 96 %.

6. Массовая доля воды, удаляемая при прокаливании  не более 20 %.

Оборудование блока очистки воздуха

Конструктивно блок очистки состоит из 2 попеременно работающих адсорберов, перед которыми установлен влагоотделитель и обратный клапан. После каждого адсорбера имеется фильтр. Кроме того блок очистки имеет систему запорной арматуры, обеспечивающую попеременную работу адсорберов, и электроподогреватель. Все сборочные единицы блока очистки размещены в кожухе, свободное пространство которого заполнено изоляцией (шлаковата или ультратонкое волокно). Также на кожухе размещен щит управления.

Влагоотделитель – аппарат инерционного типа, капельная влага в котором отделяется за счет резкого падения скорости и изменения направления потока (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Влагоотделитель Рис. 1.2. Адсорбер

Адсорбер представляет собой двухгорловой баллон, заполненный адсорбентом марки NаХ (рис. 1.2). В каждой горловине адсорбера укреплены сетчатые фильтры 1 для предотвращения уноса адсорбента потоком газа. Адсорбент засыпается в баллон через верхнюю горловину.

Фильтр служит для очистки воздуха от пыли адсорбента (рис. 1.3). Он выполнен из стального баллона, состоящего из корпуса 6, крышки 2 с нажимным винтом 3 и штуцером 7. Внутри корпуса расположен фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра 5, обернутого пятью слоями ткани (сукно) 4.

Рис. 1.3. Фильтр: 1 – колпачковая гайка; 2 – фланец; 3 – нажимной винт; 4 – фильтрующий слой; 5 – перфорированная трубка; 6 – корпус; 7 – штуцер; 8 - прокладка

Электроподогреватель служит для подогрева газа, состоит из девяти нагревательных элементов типа НВСЖ-2.19/2.5, мощностью 2.5 кВт каждый. Нагревательные элементы помещены в металлические трубки, закрепленные на общем фланце. Электроподогреватель работает в двух режимах:

- для нагрева азота от 10 °С до 380 °С при давлении 1.5 – 1.7 атм (регенерация).

- для нагрева воздуха от 15 °С до 80 °С при давлении 6 атм (отогрев)

Техническая характеристика блока комплексной очистки

1. Количество очищаемого воздуха, м³/ч  240.

2. Рабочее давление воздуха, атм – 200.

3. Температура воздуха на входе в блок очистки, °С – 5÷10.

4. Количество регенерирующего газа, м³/ч  100.

5. Давление регенерирующего газа, атм – 1.5÷1.7.

6. Время работы адсорбера в режиме очистки, часов  18÷20.

7. Время регенерации адсорбента, часов  3.

8. Время работы адсорбента до его замены, годы  2.

9. Регенерирующий газ: отбросный азот из блока разделения.

10. Давление на электроподогреватель в период отогрева блока разделения, атм  6.

11. Мощность электроподогревателя, кВт  22,5.

12. Температура газа на выходе из электроподогревателя:

1. - в режиме регенерации адсорбента, °С – 380

2. - в режиме отогрева блока разделения, °С – 80

13. Температура регенерирующего газа в конце десорбции, °С – 200

14. Содержание двуокиси углерода в очищенном газе, см/м³,не более  2.

15. Степень осушки от влаги, точка росы, °С  -70.

16. Адсорбент марки NаХ грануляции, мм  4.

17. Емкость одного адсорбера, л  160.

18. Количество адсорберов, шт.  2.

19. Основные габариты блока, м:

1. высота  2,4;

2. ширина  1,455

3. глубина  1,5.

20. Общий вес блока, кг  1700