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

Жидкий кислород, стекающий из колонны по наполнительному стояку в кольцевую трубу 32 и поступающий далее в вертикальные трубки 29, кипит и испаряется, а образующийся при этом газообразный кислород поднимается по трубам вверх, увлекая за собой капельки жидкого кислорода. Собирающийся в кубе 28 жидкий кислород по трубе 30 снова поступает в кольцевую трубу.

Часть газообразного кислорода по трубе 11 через клапан 12 снова поступает в колонну для разделения. Остальной газообразный кислород по змеевику 27 через клапан 26 выбрасывается в атмосферу.

После сетчатой обечайки 31 воздух поступает в сетчатый стакан 5, заполненный насадкой, где он очищается от остатков влаги и углекислоты. Далее воздух поступает в кольцевое пространство 1 6, в котором находятся кольца из гофрированной сетки 15. Эти кольца предназначены для вымораживания паров органических соединений, таких как ацетилен. Охлажденный воздух поступает в колонну 18, где происходит его разделение. В зоне входа воздуха в колонну поддерживается температура, примерно соответствующая температуре конденсации воздуха.

Клапан, регулирующий количество поступающего в колонну газообразного кислорода

Как уже отмечалось выше, поток паров кислорода, образую­щихся в испарителе, разделяется на две части. Часть паров, состав­ляющая по объему около 25% от засасываемого в колонну воздуха, выбрасывается в атмосферу. Остальные пары снова идут в колонну. Кислородный разделительный клапан позволяет обеспечить заданное соотношение между потоками газообразного кислорода. Игла кла­пана 13 (рис. 3.5) жестко связана со штоком 7 через стержень 10. Шток ввернут во втулку со шкалой 6. Втулка со шкалой 6 навернута на штуцер 9, который при помощи гайки 8 закреплен в корпусе, и застопорена винтом 1. На конце штока при помощи разрезной цанги 3 и винта 4 закреплена втулка с лимбом 5. Шток 7 уплотняется в шту­цере 9 резиновым кольцом 2. Игла клапана направляется в корпус 12. Игла вместе со стержнем 10 закрыта сильфоном 11.

Рис. 3.5. Клапан, регулирующий поступление в

колонну газообразного кислорода

При вращении втулки с лимбом 5 вращается шток 7, который перемещается но резьбе во втулке со шкалой 6 и в свою очередь перемещает иглу 13. Игла своей конусной частью входит в отверстие корпуса 14 и уменьшает или увеличивает проходное сечение для потока газообразного кислорода, идущего в колонну, и тем самым обеспечивает необходимое соотношение, указанное выше.

На шкале втулки 6 красной точкой отмечено нулевое положение иглы, соответствующее периоду пуска и прогрева колонны. Рабочее положение иглы определяется экспериментально при наладке колонны. Если запорная игла выведена в крайнее левое положение, то внут­ренняя полость колонны сообщается непосредственно с атмосферой. В такое положение игла устанавливается при продувке колонны.

Труба для слива жидкого азота из колонны

Сливная труба (рис. 3.6, а) состоит из двух труб, расположенных концентрично. Пространство между трубами заполнено аэрогелем и в нем создан вакуум с целью максимального уменьшения теплопритоков к жидкому азоту, протекающему по внутренней трубе 3. На трубу надет резиновый колпачок 1, который закрывает сливное отверстие во время пуска.

Сливная труба вставляется в штуцер 8 (рис. 3.6,б), закрепляется накидной гайкой 4 и уплотняется кольцом 5. Для нормальной эксплуа­тации установки необходимо обеспечить наклон сливной трубы вниз по направлению потока жидкого азота на угол, приблизительно равный 5°. Ни в коем случае не допускается, наклон трубы вверх. Нельзя менять наклон сливной трубы во время работы установки, так как это может привести к нарушению вакуума внутри трубы и, следовательно, к нарушению нормального отвода жидкого азота из установки.

Рис. 3.6. Сливная труба и штуцер для ее крепления

Теплоизоляционный кожух колонны

С целью снижения потерь холода в процессе эксплуатации азотной колонны в ее конструкции предусмотрена надежная теплоизоляция. В качестве теплоизоляционного материала использован аэрогель. Использование аэрогеля для теплоизоляции облегчает заполнение и опорожнение полости теплоизоляции колонны. Перед заполнением теплоизоляционного пространства верхнего кожуха 20 (см. рис. 3.4) необходимо снять предохранительный клапан 21.

Нижний теплоизоляционный кожух 8 состоит из внешней и внутренней обечаек, пространство между которыми заполнено аэрогелем. Заполнение нижнего кожуха аэрогелем производится до постановки его на колонну. Нижний кожух имеет предохранительный клапан, такой же как и клапан верхнего кожуха. В нижнем кожухе расположен испаритель с вымораживателем. Для удаления воды, образующейся в результате таяния снега при отогреве колонны, в нижнем кожухе имеется штуцер, закрытый резиновым колпаком.

Предохранительный клапан

Предохранительный клапан (рис. 3.7) предназначен для сброса избыточного давления, которое может возникнуть в теплоизоляцион­ной полости в случае проникновения в нее жидкого азота или воздуха и последующего его испарения при отогреве колонны.

Предохранительный клапан состоит из корпуса 1, в котором установлено уплотнительное кольцо 2, используемое в качестве седла клапана. Собственно клапан 3 представляет собой круглую пластину, которая прижимается к кольцу с помощью плоской пружины 4, закрепленной в корпусе клапана двумя винтами. С помощью винтов 5 клапан регулируется на срабатывание при избыточном давлении 0,015—0,25 МПа. В нижней части корпуса кла­пана расположен фильтр, состоящий из двух перфорированных пла­стин 8, пространство между которыми заполнено ватой 7. Корпус клапана уплотняется резиновым кольцом 9 и крепится винтами 6.

Рис. 3.7. Предохранительный клапан

Система водоснабжения колонны

Для подогрева нагревателя 24 (см. рис. 3.4), изготовленного из полосовой меди, используется вода, которая подводится к водонагре­вателю. Расход воды составляет 20 - 60 л/ч.

Водонагреватель состоит из корпуса 14 (см. рис. 3.8), к которому прикреплена медная пластина 17. В корпусе имеется выточка, по ко­торой протекает вода. Корпус закрыт впаянной в него крышкой 16. В крышке установлены два штуцера 12 входа и выхода воды. Водо­нагреватель уплотнен в корпусе колонны кольцом 13 и закреплен винтами через крышку 10.

Всасывающий воздушный клапан (рис. 3.9) предназначен для забора атмосферного воздуха в азотную колонну во время ее работы, а также для подачи теплого воздуха в азотную колонну при ее отогреве и продувке.

Рис. 3.8. Водонагреватель

Всасывающий воздушный клапан

Корпус клапана представляет собой пустотелую отливку 2 из алюминиевого сплава, внутренняя полость которой сообщается с ат­мосферой. Задняя стенка корпуса имеет три отверстия, которые при установке клапана точно совмещаются с соответствующими отвер­стиями в корпусе колонны. Эти отверстия могут сообщаться между собой при помощи поворотного диска 3, в котором имеются два отвер­стия. Вследствие того, что диск 3 находится между корпусом клапана и корпусом колонны, при его повороте может быть обеспечена раз­личная схема сообщения внутренней полости колонны с окружающей атмосферой в зависимости от взаимного расположения отверстий в корпусе колонны, корпусе клапана и диске. Диск 3 со стороны кор­пуса колонны и со стороны корпуса клапана уплотняется резиновыми кольцами 5. Поворот диска осуществляется рукояткой 1, на оси 4 которой закреплен диск.

Диск может быть установлен в одном из сле­дующих 4-х положений:

Положение 1 — прогрев колонны.

В этом положении отверстия в диске совпадают с отверстиями С и В. Через отверстие С во внут­реннюю полость колонны поступает воздух из пылесоса. Через отверстие В внутренняя полость колонны сообщается с атмосферой. Отверстие А, через которое засасывается воздух во время ра­боты, перекрыто.

Рис. 3.9. Всасывающий воздушный клапан

Положение 2 — продувка колонны.

В этом положении одно из отверстий диска совпадает с отверстием С. Отверстия А и В перекрыты. Во внутреннюю полость колонны по­ступает воздух из пылесоса. Свободный выход воздуха из колонны через отверстие В перекрыт. Воздух из колонны выходит через сливную трубу и штуцера. Происходит одновременно продувка и прогрев колонны.

Положение 3 — пуск и простой колонны.

В этом положении все три отверстия А, В и С перекрыты.

Положение 4 — работа при установившемся режиме.

В этом положении одно из отверстий диска совпадает с отверстием А. Отверстия В и С пере­крыты. Через отверстие А внутренняя полость колонны сообщается с атмосферой. Воздух через насадку 7, внутри которой находится диафраг­ма 8 расходомера воздуха, поступает в колонну в количестве, необходимом для бесперебойной работы установки. Наличие расходомера в кон­струкции клапана позволяет обеспечить заданное соотношение между объемом воздуха, поступаю­щего в колонну, п объемом газообразного кисло­рода, отводимого в атмосферу.

При проходе воздуха через диафрагму между сечениями, лежащими перед диафрагмой и за ней, возникает перепад давлений, по величине которого и определяется объем воздуха, посту­пающего в колонну. Для измерения давления до и после диафрагмы в насадке имеются два от­верстия, в которых установлены штуцера 11. Штуцера соединены трубками со стеклянным расходомером воздуха на пульте управления колонны.

Кислородный выпускной клапан

Кислородный выпускной клапан (рис. 3.10) предназначен для отвода из колонны в атмосферу паров кислорода и изоляции внут­ренней полости колонны от окружающей атмосферы во время пуска, продувки и простоя установки.

Корпус клапана 7 представляет собой отливку из алюминиевого сплава, внутренняя полость которой соединяется с атмосферой. В задней стенке корпуса клапана имеются два отверстия, которые при установке клапана на колонну точно совмещаются с соответст­вующими отверстиями в корпусе колонны. Эти отверстия могут сооб­щаться между собой при помощи поворотного диска 8, в котором имеется одно отверстие. Поворотный диск расположен между стенкой корпуса колонны и задней стенкой корпуса клапана и уплотнен резиновыми кольцами 1. Поворот диска осуществляется рукояткой 6, на оси которой он установлен.

Рис. 3.10. Кислородный выпускной клапан

Диск может быль установлен в одном из следующих трех положений:

Положение 1 — прогрев колонны.

В этом положении отверстие в диске совпадает с отверстием В, через которое внутренняя полость колонны сообщается с атмосферой. Отверстие А перекрыло.

Положение 2 — пуск, продувка и простой колонны.

В этом положении диска отверстия А и В пере­крыты.

Положение 3 — работа установки на установившемся режиме.

В этом положении отверстие в диске совпадает с отверстием А.

Внутренняя полость змеевика через отверстие А и насадку 10 сообщается с атмосферой. Через это отверстие из колонны отводится газообразный кислород. В насадке 10 так же, как и в насадке воз­душного клапана, имеется диафрагма 4. До диафрагмы и за ней имеются отверстия 11 и 12, используемые для замера перепада дав­лений, по которому определяется объем газообразного кислорода, выбрасываемого в атмосферу. Штуцеры 3 насадки соединены трубками со стеклянным расходомером кислорода на пульте управления ко­лонны. Размеры диафрагм в насадках воздушного и кислородного клапанов подобраны таким образом, что при одинаковых показаниях расходомеров на пульте управления колонны объемы засасываемого воздуха и отводимого из колонны газообразного кислорода находятся в соотношении 4:1.

Во избежание образования опасной концентрации паров кисло­рода в непосредственной близости от трубы 13, через которую кисло­род выбрасывается в атмосферу, на нее надета специальная сетчатая насадка 14.

Пульт управления колонны

Пульт управления (рис. 3.11) позволяет осуществлять непрерыв­ный контроль процесса получения жидкого азота, а также при необ­ходимости корректировку основных параметров, обеспечивающих бес­перебойную эксплуатацию установки.

Пульт управления состоит из корпуса 9, изготовленного из листо­вой стали, со съемной передней панелью 8. Внутри пульта управления размещены три прибора:

- указатель уровня жидкого азота 14;

- расходомер засасываемого в колонну атмосферного воз­духа 20; .

- расходомер отводимого из колонны в атмосферу кисло­рода 21.

Указатель уровня жидкого азота

Указатель уровня жидкого азота позволяет с достаточной точ­ностью установить момент окончания пускового периода и перехода на установившийся режим работы. Этот момент определяется по подъему жидкости выше верхней отметки шкалы прибора.

Рис. 3.11. Пульт управления установкой