Классификация ВРУ. Воздухоразделительные установки низкого давления

ВРУ низкого давления обеспечивают получение более 90 % всех продуктов разделения воздуха, потребляемых основными отраслями промышленности, в том числе - металлургией. Несмотря на успешное применение еще в начале 30-х годов турбодетандеров активного типа с КПД 55 — 60 % (например, в установках фирмы "Linde"), построить ВРУ низкого давления не удавалось, т.к. не хватало холодопроизводительности. Установки работали по циклу двух давлений с предварительным аммиачным охлаждением. Для работы таких ВРУ были необходимы громоздкие поршневые компрессоры, детандеры и системы химической очистки воздуха от двуокиси углерода, что ограничивало производительность установок. Возможность создания ВРУ низкого давления была впервые доказана академиком П.Л. Капицей в 1939 г. на основе применения эффективного реактивного турбодетандера с адиабатным КПД около 80 %. В 1941-44 гг. коллективом специалистов под его руководством были построены и испытаны первые в мировой практике ВРУ низкого давления ТК-200 и ТК-2000. В настоящее время принципы создания установок низкого давления, разработанные в нашей стране, используют все крупнейшие фирмы при проектировании мощных ВРУ.

 

4.1 Перспективы развития ВРУ

 

Обозначения установок составляют из первых букв названий продуктов: К — кислород технический; Кт — кислород технологический; Кж — кислород жидкий; А — азот; Аж — азот жидкий; Ад — азот под давлением; Ар — аргон газообразный; Арж — аргон жидкий.

Цифра в обозначении установки соответствует уровню часовой производительности по основному продукту в тысячах кубических метров для газообразных продуктов или в тысячах килограммов для жидких продуктов, например: 35 - 35000 ; 6 — 6000 . Буква П после цифры в обозначении некоторых установок означает, что они включают пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ) /16/.

Такие обозначения ВРУ вполне удовлетворительны для однопродуктовых установок, а также - многопродуктовых, в которых основной продукт извлекается в наибольшем количестве. В ВРУ, спроектированных после 1993 г, степени извлечения всех продуктов существенно повышены: в наибольшем количестве практически всегда извлекается азот, хотя основным или равным ему по значению продуктом может быть и кислород. В связи с этим для многопродуктовых ВРУ нового поколения приняты обозначения с двойным цифровым индексом (через косую дробь), например, обозначение АКАр-13/6 соответствует ВРУ для получения азота (13000 м3/ч), кислорода (6000 м3/ч) и аргона.

Распространена классификация ВРУ по рабочему давлению, или, в общем смысле, — по типу холодильного цикла /5/:

1) с объединенными технологическим и холодильным циклами:

а) ВРУ низкого давления (0,6—0,9 МПа) с расходом пере-рабатываемого воздуха от 1500 до 360000 м3/ч, предназначенные для получения, главным образом, газообразных продуктов и включающие установки четырех подклассов: технологического кислорода, технического кислорода, азотные и жидкостные;

б) ВРУ среднего давления, включающие установки двух подклассов: с малым и средним расходом (до 3000 м3/ч) перерабатываемого воздуха и рабочим давлением воздуха 5—7 МПа на базе поршневых компрессоров, предназначенные для получения продуктов высокого давления или жидких;

со средним и большим расходом (более 6000 м3/ч) перерабатываемого воздуха и рабочим давлением воздуха 3 -4 МПа на базе центробежных компрессоров, предназначенные для получения жидких продуктов.

2) с разъединенными технологическим и холодильным циклами:

а) ВРУ двух давлений (0,6 МПа — в цикле разделения, 3—4 МПа — в цикле холодообразования), предназначенные для получения жидких продуктов и включающие установки двух подклассов: специальные и комплексы, состоящие из ВРУ низкого давления и ожижителя азота (ОА) среднего давления;

б) ВРУ с внешним охлаждением, например, с криогенными газовыми машинами (КГМ), с использованием холода сжиженного природного газа, с циркуляционными циклами на смесях различных хладагентов и т.п. Особенность некоторых из этих установок — возможность организации технологического процесса без сжатия воздуха. Кроме того, использование холодного сжиженного природного газа дает существенную экономию энергии.

Установки технологического кислорода (кислорода пониженной чистоты) широко применяют в цветной и черной металлургии. Достаточно сказать, что одна из крупнейших в мире ВРУ Кт-70, построенная в конце 70-х годов и предназначенная для получения именно технологического (95 % 02) кислорода, имеет производительность 70000 м3/ч. В связи со структурной перестройкой металлургической отрасли удельный вес ВРУ этого типа уменьшается. Особенностью ВРУ технологического кислорода является наличие значительного резерва холодопроизводительности при высокой степени извлечения кислорода, поэтому их эффективность может быть существенно повышена при получении части продуктов в жидком виде. Для этого – необходимо разрабатывать металлургические технологии, в которых будут востребованы жидкие продукты разделения воздуха. Этот подход для технологов – металлургов является новым, т.к. изначально идеология структуры комплекса формулируется вне основной технологической цепи.

 

ВРУ технического кислорода находят широкое применение в металлургической промышленности, обеспечивая кислородом и аргоном сталеплавильное производство, а азотом — сталепрокатное. Современные ВРУ этого типа — это установки комплексного извлечения особо чистых продуктов: кислорода, азота, аргона, при необходимости - концентрированных смесей криптона и ксенона, неона и гелия. Оптимальным для крупных ВРУ технического кислорода является получение части продуктов в жидком виде. Для ВРУ низкого давления типа АКАр (рис. 4.1) разработаны типоразмерные ряды (табл. 4.1).

Новые схемные решения (очистка воздуха на молекулярных ситах, непосредственное использование энергии детандирования для повышения рабочего давления воздуха или детандерного потока, очистка аргона от кислорода низкотемпературной ректификацией), новые эффективные конструкции оборудования (компактные многовальные центробежные компрессоры для сжатия воздуха, скрубберы оросительного типа для охлаждения горячего воздуха из компрессора, одно- и двухслойные адсорберы блоков комплексной очистки воздуха с укороченным рабочим циклом, минимальным гидравлическим сопротивлением и умеренной температурой регенерации, крупногабаритные ПРТ, ректификационные колонны с регулярной (структурированной) насадкой, имеющие гидравлическое сопротивление в 5 — 7 раз меньше эквивалентных по разделительной способности колонн с ситчатыми барботажными тарелками, турбодетандерно-компрессорные агрегаты с эффективностью адиабатного расширения 87 % и более, позволяют повысить степень извлечения кислорода (до 98 % и более) и аргона (до 80 % и более), снизить более чем на 20 % энергоемкость установок и их массу.

Рис. 4.1. Принципиальная технологическая схема ВРУ низкого давления типа АКАр /5/

Табл. 4.1 Характеристики ВРУ

Расход перерабатываемого воздуха, м3/ч, VВ	ВРУ типа АКАр	ВРУ типа Кт	ВРУ типа Ад	ВРУ типа КжАрж	ВРУ типа Аж
Производительность, м3/ч	Nпотр, кВт	VK, м3/ч	Nпотр, КВт	Vад, м3/ч	Nпотр, кВт/ч	VКж	VАрж	Nпотр, кВт	VАж, м3/ч	Nпотр, кВт
По кисло-роду, VK	По азоту, VA	По ар-гону, VAp	м3/ч
					—	—				1,5
					—	—
					—	—
					—	—
							—	—	—	—	—	—	—
							—	—	—	—	—	—	—
	—	—	—	—			—	—	—	—	—

На рис.4.2 сопоставлены ВРУ технического кислорода разных поколений по удельному расходу электроэнергии на получение продукционного кислорода. Снижение этого показателя на 0,1 кВт ч/м3, при внедрении ВРУ нового поколения вместо эксплуатируемых в настоящее время, при потреблении технического кислорода 10 млрд. м3 в год даст экономию электроэнергии 1,0 млрд. кВт•ч/ год.

Существенный прогресс достигнут в проектировании азотных установок типа Ад, производящих чистый газообразный азот под давлением 0,6 — 0,8 МПа. Основные усилия разработчиков этих установок направлены на повышение степени извлечения азота, его степени чистоты и давления.

При традиционном схемном решении, примененном в эксплуатирующихся ВРУ типов ААж-6 и А-8 с одноколонным ректификационным аппаратом и детандером на потоке отбросного газа, за счет максимального использования имеющихся резервов (уменьшение концентрационных и температурных градиентов, гидравлических сопротивлений до значений, близких к нулю) можно увеличить выход сжатого азота не более, чем на 12 — 15 %.

Рис.4.2 Зависимость удельного расхода электроэнергии от производительности ВРУ низкого давления:

1 — эксплуатируемые ВРУ (выпуска до 1990 г.); 2 — ВРУ спроектированные в 1990-95 гг.; 3 — ВРУ нового поколения

 

Дальнейшее повышение эффективности азотных ВРУ связано с усложнением технологической схемы и применением более сложных конструкций оборудования. Так, перспективная азотная ВРУ с двухколонным ректификационным аппаратом и детандером на потоке отбросного газа (рис. 4.3) позволяет увеличить степень извлечения сжатого азота до 0,6, т.е. примерно на 50 % в сравнении с традиционной схемой; примерно настолько же можно уменьшить удельный расход электроэнергии на производство азота. Реализация этой схемы требует создания конденсаторов-испарителей, работающих с температурным напором не более 1 К. Однако пока азотные ВРУ проектируют по схеме с двухколонным ректификационным аппаратом и детандером на прямом потоке воздуха. Это — промежуточный вариант; его технические характеристики и сопоставление с традиционными и перспективными решениями, применительно к ВРУ типа Ад-16, приведены в табл. 4.2. Изменение удельного расхода энергии для азотных ВРУ разных поколений в зависимости от производительности по азоту показано на рис. 4.4

Рис.4.4 Зависимость удельного расхода электроэнергии для азотных ВРУ разных поколений от производительности по азоту.

1 - эксплуатируемые ВРУ (выпуска до 1990 г); 2 — ВРУ спроектированные в 1990-95 гг, 3 — ВРУ нового поколения