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

Физические основы процесса разделения жидкого воздуха

Температура начала конденсации смеси паров (азот + кислород) выше температуры начала кипения жидкой смеси того же состава. Это видно из диаграммы (рис. 3.2) построенной для случая разделения жидкого воздуха на азот и кислород. Верхняя ветвь V диаграммы (верхняя пограничная кривая) представляет так называемую «линию пара», а нижняя ветвь L (нижняя пограничная кривая) – «линию жидкости». Эти линии соответственно характеризуют зависимость температуры конденсации паров и температуры кипения от состава смеси. «Линия пара» и «линия жидкости» пересекаются друг с другом в точках, которые соответствуют 100% содержания в смеси одного из составляющих ее компонентов. Из рассмотрения диаграммы видно, что в случае равновесного состояния системы «жидкость-пар» (которое характеризуется тем, что пар и жидкость имеют одинаковые давления и температуру) в смеси паров будет содержаться больше азота, чем в жидкости (точки D и C на диаграмме).

Рис. 3.2. Диаграмма разделения воздуха на азот и кислород

С другой стороны, из диаграммы следует, что кипящая жидкость имеет более низкую температуру, чем насыщенный пар того же состава (точки А и В на диаграмме). Поэтому при смешивании жидкости и пара одинакового состава будет происходить частичная конденсация паров на поверхности жидкости и одновременно частичное испарение жидкости, причем пар будет обогащаться азотом, а жидкость кислородом. Очевидно, что равновесие состояние системы «жидкость – пар» может быть достигнуто и в случае различного состава жидкой смеси и смеси паров (точки Е и F). Переход такой системы из неравновесного состояние в равновесие при более высокой по сравнению с жидкостью температуре паров связан также с обогащением жидкости кислородом, а паров над ней – азотом.

Это явление и положено в основу процесса разделения воздуха в колонне на азот и кислород.

Азотная колонна (рис. 3.3) представляет собой вертикальную цилиндрическую трубу, заполненную насадкой в виде небольших сетчатых элементов седлообразной формы. Внутри колонны поддерживается перепад температур между верхней (холодной) и нижней (нагретой) частями насадки. Жидкая смесь азота и кислорода стекает по насадке вниз. Навстречу потоку жидкости поднимаются пары, состоящие из смеси азота и кислорода, которые легко проходят через насадку. Конструкция насадки обеспечивает тесный контакт стекающей жидкости с восходящим потоком пара. Вследствие разности температур, поддерживаемой между верхней и нижней частями колонны, температура жидкой смеси, поток которой стекает сверху, будет несколько ниже температуры смеси паров, поток которых поднимается вверх по колонне. Это распределение температур будет сохраняться в любой части колонны. Противоточное движение взаимодействующих фаз («жидкость» – «пар») сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые в каждой части колонны протекают до момента достижения состояния равновесия. При этом восходящий поток паров непрерывно обогащается более летучими (низкокипящими) компонентами – азотом, а стекающий поток жидкости обогащается менее летучими (высококипящим) компонентом – кислородом.

Пар, оставляющий данную часть насадки колонны, равновесен (в пределе) жидкости, стекающей с этой же части насадки колонны. На следующей, расположенной выше, части насадки пар вновь взаимодействует с жидкостью другого состава до момента достижения с ней равновесия. Такое последовательное, многократно повторяющееся, взаимодействие потоков пара и жидкости сопровождается непрерывным и существенным изменением их состава до момента получения продукта заданной чистоты.

В результате разделения воздуха в верхней части колонны концентрируется смесь паров, обогащенных легколетучим (низкокипящим) компонентом - азотом (так называемый «верхней продукт»), а в нижней части скапливается жидкость, обогащенная малолетучим (высококипящим) компонентом – кислородом (так называемая «кубовая жидкость» или нижний продукт).

Пары азота поступают в ожижитель криогенной газовой машины и конденсируются. Часть жидкого азота используется для орошения азотной колонны, а остальной жидкий азот сливается в качестве готового продукта.

Жидкий кислород используется для охлаждения воздуха засасываемого в колонну, при этом кислород испаряется и отводится в газообразном состоянии в атмосферу.

Описание принципиальной схемы работы установки

Атмосферный воздух, засасываемый в колонну через воздушный клапан 1 (см. рис. 3.3), поступает в теплообменник испаритель 3, где охлаждается кислородом, при этом из воздуха вымораживается влага и углекислота. Жидкий кислород испаряется за счет тепла, отдаваемого засасываемым воздухом. Часть паров кислорода через клапан 5 поступает вновь в колонну, а остальные пары по змеевику 2 через выпускной клапан 17 отводятся в атмосферу.

Воздух, охлажденный и очищенный от влаги и углекислоты, поступает в колонну и, проходя через насадку 8, разделяется на азот и кислород.

Пары азота из верхней части колонны через трубу 10 пароструйного насоса и патрубок 11, соединяющий колонну с ожижителем криогенной газовой машины, поступают в ожижитель и конденсируются. Жидкий азот по патрубку 11 стекает в колонну, где скапливается в нижней части канала 10 пароструйного насоса. При достижении уровня сливной трубы 7 жидкий азот через гидравлический затвор 6 сливается из колонны. Часть жидкого азота по напорной трубе 9 пароструйного насоса поднимается наверх в качестве флегмы для орошения колонны. Жидкий кислород стекает вниз по колонне и через гидравлический затвор 4 попадает в испаритель 3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема установки ЗИФ -1002: 1- воздушный клапан; 2- змеевик; 3- испаритель; 4, 6 – гидравлический затвор; 5- клапан; 7- сливная труба; 8- насадка; 9- напорная труба; 10 – канал пароструйного насоса; 11- патрубок; 12- ожижитель; 13- верхний штуцер; 14- нагревательный элемент; 15- точка крепления штыря; 16- термогидравлический датчик; 17 кислородный клапан

Система автоматического управления колонной

Конструкция колонны предусматривает автоматическое регули­рование интенсивности потоков атмосферного воздуха, засасываемого в колонну для последующего разделения на составляющие компонен­ты, газообразного кислорода, отводимого в атмосферу, и жидкого азота, поступающего из ожижителя и разделяемого на готовый про­дукт и флегму, служащую для орошения колонны.

а) Система регулирования количества отводимого в атмосферу газообразного кислорода

Часть паров кислорода, образующихся в испарителе 3, направляется в колонну, а остальная часть паров отводится в атмосферу. Для обеспечения автоматического регулирования подачи необходимого количества паров кислорода в колонну в ее конструкции предусмотрены специальные устройства: гидравлический затвор 4, препятствующий прохождению паров кислорода в колонну, помимо клапана 5, клапан 5, позволяющий создать в испарителе давление, которое обеспечивает автоматический выброс излишнего количества паров кислорода в атмосферу.

Количество испаряемого жидкого кислорода находится почти в прямой пропорциональной зависимости от количества атмосферного воздуха, засасываемого в установку.

Вследствие того, что испарение жидкого кислорода в испарителе осуществляется за счет тепла, отдаваемого атмосферным воздухом, любое изменение количества воздуха, поступающего в колонну, автоматически вызывает пропорциональное изменение количества кислорода отводимого в виде паров в атмосферу.

Это означает, что отношение объемов поступающего в колонну атмосферного воздуха и паров кислорода, выбрасываемых в атмосферу, практически остается постоянным.

Как правило, клапан 5 регулируется таким образом, что объем паров кислорода, выбрасываемых в атмосферу, составляет не менее 25% от объема засасываемого в колонну атмосферного воздуха. Так как кислород составляет примерно 22% воздуха по объему, то в отводимых из колонны парах кислорода будет содержаться незначительное количество азота. Такое небольшое превышение объема кислорода, выбрасываемого в атмосферу из колонны, гарантирует чистоту получаемого жидкого азота.

Простота системы регулирования давления паров кислорода в испарителе облегчает эксплуатацию и уход за установкой в условиях значительных колебаний относительной влажности окружающей среды, нарастания слоя снега и углекислоты на трубах теплообменника и изменения условий работы криогенной газовой машины.

б) Система разделения конденсата (жидкого азота) на флегму и готовый продукт

Ввиду того, что ожижитель криогенной газовой машины устанавливается не над колонной, а рядом с ней для подачи части конденсата, подаваемого в качестве флегмы в верхнюю часть колонны, в конструкции колонны предусмотрен специальный пароструйный насос. Насос состоит из трубы 10, частично заполняемой жидким азотом, и U-образной трубки 9, нижний конец которой погружен в жидкий азот. Труба 10 и трубка 9 образуют систему сообщающихся сосудов.

Пузырьки пара, образующихся в нижней части трубки 9, поднимаются по ней и насыщают жидкость. Вследствие этого удельный вес жидкости в трубке уменьшается, а уровень ее повышается. При определенной степени уменьшения удельного веса жидкости в трубке смесь жидкости с паром начинает переливаться по U-образному колену и орошать колонну. Остальная часть жидкого азота будет отводиться из колонны через сливную трубу 7 и гидравлический затвор 6.

Использование пароструйного насоса для орошения колонны позволяет осуществить автоматическое разделение конденсата на флегму и готовый продукт.

Испарение жидкого азота осуществляется за счет нагрева нижней части трубки 9 нагревательным элементом 14 из полосковой меди, один конец которого находится в непосредственном контакте с нижним концом трубки 9. Второй конец медной полосы нагревается проточной водой. На нагревателе 14 в точке 15 закрепляется штырь 16 термогидравлического датчика, острие которого погружено в жидкий кислород, находящийся в испарителе 3. Выбор точки крепления штыря 16 к нагревателю 14 производится в соответствии с условием, что температура в этой точке в момент, когда острие штыря находится выше уровня жидкости в испарителе, должна быть выше температуры жидкого кислорода.

В этом случае, если в колонну подается избыточное количество флегмы, уровень жидкого кислорода в испарителе повышается, в результате чего острие штыря 16, погружаясь в жидкий кислород, вызывает этим охлаждение участка медной полосы в точке 15. Вследствие этого уменьшается количество тепла, подводимого к нижней части трубы 9, уменьшается интенсивность процесса парообразования в пароструйном насосе, а следовательно, уменьшается количество флегмы, подаваемой насосом в верхнюю часть колонны. Описанный выше процесс продолжается до момента, пока количество поступающей в колону флегмы не снизится до нормального уровня.

Конфигурация штыря 16 должна обеспечивать стабильность процесса автоматического регулирования количества флегмы, используемой для орошения колоны.

Кроме отмеченных выше особенностей конструкции пароструйного насоса и системы автоматического регулирования подачи флегмы, значительным преимуществом этих устройств является также полное отсутствие в их конструкции движущихся деталей и узлов.

Пуск установки

При пуске установки атмосферный воздух засасывается через верхний штуцер 13 (см. рис. 3.3) ожижителя 12 криогенной газовой машины ЗИФ-1000. При этом клапаны 1 и 17 колонны перекрыты.

Сконденсированный воздух поступает из ожижителя по патрубку 11 в колонну и охлаждает ее, а сам испаряется. Затем воздух снова поступает в ожижитель, конденсируется там, стекая в колонну и т.д. Для осуществления такого многократно повторяющегося технологического цикла требуется небольшой объем воздуха, который практически не превышает 1 м³. Поэтому вымораживатель влаги и углекислоты, установленный в ожижителе, имеет небольшие размеры.

По истечению некоторого времени с момента пуска установки уровень кубической жидкости в испарителе поднимается выше острия штыря 16 термогидравлического датчика, в результате чего производительность по флегме пароструйного насоса автоматически снижается. Уровень жидкости в трубке 10 пароструйного насоса повышается, что контролируется по приборам, смонтированным на пульте управления. При достижении заданного уровня производительности переключение производится установки на установившийся режим работы, для чего закрывается верхний штуцер 13 ожижителя и открывается воздушный клапан 1 и кислородный клапан 17. Операцией, завершающей период пуска установки, является настройка клапана 5, регулирующего количество отводимого в атмосферу газообразного кислорода и обеспечивающего заданное соотношение между объемами поступающего в установку атмосферного воздуха и отводимого из нее в атмосферу газообразного кислорода.

Устройство и действие отдельных узлов установки Укрепляющая колонна с насосом.

Корпус 18 (см. рис. 3.4) азотной колонны представляет собой цилиндрическую трубу, внутренняя полость которой заполнена насадкой. В качестве насадки используются кусочки металлической сетки седлообразной формы. Применение насадки в азотной колонне позволяет обеспечить развитую поверхность контакта между стекающим потоком азотной флегмы и восходящим потоком паров воздуха.

В верхней части колонны расположен разбрызгиватель 19, обеспечивающий равномерное распределение флегмы по всему поперечному сечению колонны, а также исключающий возможность образования местных сплошных потоков жидкости.

Насос представляет собой трубу 23, внутри которой проходит напорная трубка 22, по которой подается флегма в верхнюю часть колонны. От трубы 23 насоса отходит сливная трубка 13 с гидравлическим затвором.

Исчерпывающая колонна с испарителем – вымораживателем

Исчерпывающая колонны представляет собой трубу 14 (см. рис. 3.4), заполненную такой же насадкой, как и укрепляющая колонна. На колонне установлен разбрызгиватель 17, аналогичный разбрызгивателю 19 укрепляющей колонны. На трубе 14 припаяны кольца 15, свернутые из гофрированной сетки.

Испаритель состоит из куба 28, в который впаяны вертикально расположенные трубки 29. Нижними концами трубки 29 впаяны в кольцевую трубу 32. На трубки 29 напаяна сетка 31. Кольцевая труба соединена трубой 30 с кубом и трубкой 2 с наполнительным стояком.

Наполнительный стояк состоит из двух труб – наружной 3 и внутренней 25. Внутренние полости обеих труб сообщаются между собой при помощи отверстий 4, имеющих в стенке внутренней трубы. Наполнительный стояк обеспечивает постепенный расход и равномерную подачу жидкого кислорода в вертикальные трубки 29 испарителя и является гидравлическим затвором.

На нижней части трубы 10, проходящей через куб испарителя и служащей для направления потока воздуха в колонну, закреплен сетчатый стакан 5, заполненный насадкой, как и труба 14. Куб 28 испарителя соединен со змеевиком 27, который заканчивается кислородным клапаном 26.

Рис. 3.4. Схема азотной колонны

При работе колонны атмосферный воздух засасывается через впускной воздушный клапан 9, поступает в кольцевое пространство 6 между нижним теплоизоляционным кожухом 8 и обечайкой 7, вокруг которой проходит змеевик 27. По змеевику идет холодный газообразный кислород. Воздух, омывая змеевик, охлаждается и из него оседает часть влаги, а кислород нагревается. Далее воздух проходит через сетчатую обечайку 31 между вертикальными трубами 29, при этом из него вымораживается влага и углекислота, которые оседают на сетке в виде снега и инея, а воздух еще более охлаждается.