Обработка результатов испытаний установки

Общая характеристика установки

Воздухоразделительная установка АжК-0,02М служит для получения азота и кислорода из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения. Установка работает по циклу высокого давления с детандером в трех режимах:

-получение жидкого азота с чистотой не менее 99,9%;

-получение газообразного азота с чистотой не менее 99,9%;

-получение газообразного кислорода с чистотой не менее 99,2%. Одновременное получение чистых O₂и N₂ не предусматривается.

В комлект установки АжК-0,02М входят:

- воздушный компрессор КВ-100У;

- блок очистки и осушки воздуха;

- блок разделения;

- поршневой детандер ДВД-2;

- жидкостной насос НЖК-4;

- наполнительная рампа.

Ректификация воздуха осуществляется в «разрезной» колоне, т. е. в данном случае колонна высокого давления и колонна низкого давления не соединены вместе, а стоят рядом, чтопозволяет сократить общую высоту блока разделения.

Колонна высокого давления диаметром 100 мм заполнена насадкой из колец Рашига. Колонна низкого давления диаметром 214 мм – тарельчатого типа, имеет 25 тарелок. Конденсатор колонны высокого давления имеет 37 медных трубок размером (7*0,5) мм, высота (между решетками) 200 мм. Конденсатор колонны низкого давления состоит из 348 медных трубок (7*0,5) мм, высотой 270 мм.

Остальные теплообменные аппараты блокавыполнены витыми из медных трубок.

Краткие технические характеристики

Основного машиного оборудования

Техническая характеристика воздушного компрессора

Марка	КВ-100У
Производительность, м³/ч
Конечное давление, МПа
Число ступеней
Число оборотов в мин.
Мощность на валу, кВт

Техническая характеристика детандера

Марка	ДВД-2
Расход воздуха, кг/ч
Температура воздуха на входе, К
Давление на входе, Мпа
Давление на выходе, МПа	0,6
Число оборотов вала в мин.
Диаметр цилиндра, мм
Ход поршня, мм
Мощность тормозного электрогенератора, кВт	2,8

Техническая характеристика жидкостного насоса

Марка	НЖК-4
Производительность, л/ч	2…26
Давление нагнетания, Мпа	16,5
Число ступеней
Число ходов поршня в мин.
Диаметр цилиндра, мин.
Ход поршня, мм	17…40
Мощность электродвигателя, кВт	1,7

Основные показатели работы установки АжК-0,02М

1-й режим – получение жидного азота.

Производительность, л/ч Давление, МПа
- воздух высокого давления
- в колонне высокого давления	0,5…0,6
- в колонне низкого давления	0,14…0,15
- после детандера	0,5…0,6
Температура, ⁰С: -на входе в блок глубокого охлаждения	до 30
- отбросной поток – ниже температуры воздуха на входе в блок разделения	на 5…10
-после детандера – ниже температуры воздуха перед детандером	на 116…120
Анализы: -жидкий азот	99,9%
-кубовая жидкость	25…30% О₂
-отбросной поток	75…77% N₂

2-й и 3-й режимы – получение газообразных азота и кислорода

Производительность, м³/ч (Р=101 кН, t=+20⁰C)	20 (N₂) 17 (O₂)
Давление, МПа: -воздух высокого давления	2…16
- в колонне высокого давления	0,4…0,5
- в колонне низкого давления	0,14…0,15
-продукт на наполнительную рамку	до 16,5
Температура, ⁰С: -на входе в блок глубокого охлаждения	до 30
- отбросной поток – ниже температуры воздуха на входе в блок разделения	на 3…8
Анализы: 2 режим – азот газообразный	99,9% N₂
-кубовая жидкость	(70…75)% N₂
-отборный газ	(77…80)% N₂
3 режим – кислород газообразный	99,9% О₂
-кубовая жидкость	(45…55)% N₂
-отборный газ	(94…96)% N₂
Азотная флегма	(90…92)% N₂

Описание технологической схемы установки (рис.1)

Воздух, предварительно очищенный от механических примесей в фильтре 1,сжимается в четырехступенчатом комрессоре 3 до давления (18,0…20,0) МПа и направляется в предварительные теплообменник 7, в котором из воздуха выпадает влага. После этого воздух подается в блок очистки и осушки 4, где происходит поглощение углекислоты и влаги методом адсорбции с помощью цеолита NaX.Дальнейший характер протекающих процессор зависит от режима работа установки.

1-й режим – получение жидкого азота.

В этом случае после блока очистки и осушки воздух делится на два потска: большая часть (56%) направляется в поршневой детандер 5, а другая часть (44%) – 3 основной теплообменник 8, где охлаждается за счет отбросного потока. Затем эта часть охлаждается и ожижается в змеевике испарителя 2 колонны высокого давления 12 и дросселируется с помощью вентиля Р-1. Вторая часть воздуха расширяется в детандере до давления 0,6 МПа, дополнительно охлаждается в теплообменнике 9 и поступает в испаритель колонны 12.

В колонне 12 происходит ректификация воздуха, в результате которой в испарителе накапливается жидкий воздух, обогащенный кислородом до (25…30)%, а в верхней части колонны – чистый (99,9%) азот. Чистый азот частично конденсируется и используется в качестве флегмы колонны высокого давления 12. Оставшаяся часть паров азота отводится из колонны 12 под крышку конденсатора колонны низкого давления 14, где азот конденсируется.

Жидкий обогащенный кислородом воздух отбирается из испарителя 2 колонны 12 и разветвляется на два потока. Один из них с помощью дроссельного вентиля Р-2 направляется в межтрубное пространство конденсатора колонны 12,где используется как криоагент, а другой через вентиль Р-3 подается на тарелку 18 колонны 14. На тарелку 16 этой колонны падаются пары из межтрубного пространства конденсатора колонны 12.

В этом режиме колонна 14 выключена из работы и служит только для ожижения азота в конденсаторе. Кубовая жидкость, поступающая на тарелку18, в этом случае используется как криоагент для конденсации азота. Дроссельный вентиль Р-4 при этом закрыт. Жидкий азот выводится из конденсатора через вентиль Р-5 в сборник жидкого азота 13, откуда периодически сливается через вентиль 3-2 из блока разделения. Отбросной поток газа,выходящий из колонны 14, проходит последовательно через переохладитель жидких кислорода и азота 10, рубашку жидкостного насоса 6, детандерный, основной и предварительный теплообменники, затем выбрасывается в атмосферу. Частично отбросной поток поступает на регенерацию блока очистки и осушки 4.

2-й режим – получение газообразного азота.

В этом режиме детандер после пускового периода выключается и весь воздух высокого давления поступает через ожижитель 7, блок очистки и осушки 4, основной теплообменник 8 в змеевик испарителя 2, а затем через дроссельный вентиль Р-1 направляется в колонну 12.

Кубовая жидкость из испарителя 2 через дроссельный вентиль Р-2 подается в межтрубное пространство конденсатора 12, полностью заполняя его. Далее смесь пара и жидкости поступает на тарелку 16 колонны 14, выполняя роль криоагента для конденсации азота в конденсаторе колонны 14. Вентили Р-4 и Р-5 закрыты. Жидкий азот в этом случае не подается в сборник 13, а через вентиль 3-1 направляется в переохладитель 10 и далее в насос 6.

Жидкий азот с помощью насоса 6 при давлении 16 МПа подается в теплообменник 8 и 7, в которых превращается в пар и нагревается до температуры на 5⁰…7⁰ ниже температуры поступающего в блок воздуха высокого давления, после чего под давлением закачивается в баллоны наполнительной рампы 15.

3-й режим – получение газообразного кислорода.

При работе в режиме газообразного кислорода детандер также выключается после пуска. Часть жидкости из испарителя 2 через вентиль Р-3 подается на тарелку 18 колонны низкого давления 14. Другая часть через вентиль Р-2 подается в конденсатор колонны 12 и далее в колонну 14, где происходит окончательное разделение воздуха на азот и кислород. Жидкий азот из конденсатора колонны 14 подается через дроссельный вентиль Р-4 вверх на орошение колонны.

Технический жидкий кислород отбирается из кармана нижней тарелки колонны 14 и через вентиль 3-3 и переохладитель 10 подается насос, затем нагнетается насосом через теплообменники 8 и 7 в баллоны наполнительной рампы 15 до давления (15…16) МПа.

Журнал наблюдений

время	Компрессор	Блок очистки	Детандер
τ c	P₁ МПа	P₂ МПа	t₁ ⁰C	t₃ ⁰C	t₄ ⁰C	t₅ ⁰C	P₃ МПа	P₄ МПа	V_g м³/c

Блок разделения
t₂ ⁰C	t₆ ⁰C	t₇ ⁰C	P_HK МПа	P_BK МПа	X_a %	X_K %	X_OT_Б %	М кг	P_Б МПа	Т_Б К

Обработка результатов испытаний установки

1-й режим – получение жидкого азота.

1. Производительность установки по жидкому азоту Ga определяется взвешиванием сосуда Дьюара до наполнения жидким продуктом кг/c

Ga=(M₂-M₁)/(τ ₂- τ ₁)

где М₂ и М₁ – масса сосуда Дьюара с жидким продуктом в предыдущий τ₁и последующий τ ₂ моменты взвешивания.

2. Удельный выход жидкого азота

А_ж=Ga/ρ_a*V _b

где ρ_a– плотность газообразного азота при нормальных условиях, кг/м³;

V _b – расход воздуха через блок разделения, приведенный к нормальным условиям, м³ /с;

3. Количество отбросного газа В_отб определения расчетным путем по уравнению материального баланса установки.

4. Адиабатный и эксергетический к. п. д. детандера ƞ_еопределяются по параметрам воздуха на входе и выходе из машины.

5. Холодопроизводительность установки, Вт

Q₀=V_b ρ_b∆i_T+ V _g ρ_b h₀ ƞ_ag,

где ρ_b – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;

∆i_T – величина изотермического эффекта дросселирования, Дж/кг;

V _g – расход воздуха через детандер, кг/м³;

h₀ – адиабатный теплоперепад в детандере, Дж/кг;

6. Удельная холодопроизводительность установки, Дж/м³;

q₀=Q₀/V_b

7. Удельные холодопотери в установке, Дж/м³;

- от недорекуперации q₂=(1- А_ж)С_р ρ_b∆Т_отб,

где С_р – изобарная теплоемкость отбросного газа, Дж/кг К

∆Т_отб- недорекуперация на потоке отбросного газа;

- в блоке осушки и очистки q_б= ρ_b(i₄-i₃)

- потери, связанные с ожижением азота q_ж=А_ж ρ_а(i_а1-i_а0),

где i_а1 – энтальпия азота при условиях окружающей среды;

i_а0 – энтальпия сливаемого из установки азота;

- через теплоизоляцию и по тепловым мостам

q₃=q₀-(q₂+ q_б+ q_ж).

8. Удельный расход электроэнергии, Дж/кг

l=N/Ga,

где N – действительная мощность, потребляемая установкой, Вт.

ƞ_е= Ga l^’_a/ N,

где l^’_a – эксергия сливаемого из установки азота, Дж/кг.

2-й режим – получение газообразного азота.

1. Производительность установки по газообразному азоту V_а определяется по времени наполнения баллона

V_а = (M₂-M₁) / ∆τ ρ_а

где M₁ и M₂ – масса азота в баллоне до его наполнения и после наполнения, кг;

∆τ - продолжительность наполнения баллона азотом, с;

ρ_а- плотность азота при нормальных условиях, кг/м³.

Масса азота в баллоне определяется по уравнению Клапейрона – Менделеева с учетом коэффициента сжимаемости газа. Температура газа в баллоне может быть принята равной температуре окружающей среды. Заполнение газа производится в баллоне емкостью V_б = 40 литров.

2. Удельный выход газообразного азота

А= V_а/ V_b

3. Удельные холодопотери в установке, Дж/м³

- от недорекуперации

q₂=В_отбρ_bC_p∆T_отб+A ρ_аC ρ_а∆T_a

где T_отб и ∆T_a –недорекуперация на соответствующих потоках продуктов разделения;

- от неиспользования эффекта дросселирования на потоке получаемого азота

q_gp=A ρ_а∆i_Ta

где ∆i_Ta – величина эффекта дросселирования, определяемая по параметрам азота на выходе из блока разделения;

- от повышения давления азота в насосе

q_Н=A ρ_аP_cpV^’_a/λ

где P_cp – среднее давление азота в насосе, Па;

V^’_a – удельный объем жидкого азота в насосе при P_cp;

λ - коэффициент подачи насоса (λ=0,7…0,8);

- через теплоизоляцию и по тепловым мостам

q₃=q₀-(q₂+ q_б+ q_gp+q_H)

где q₀ – удельная холодопроизводительность установки.

4.Удельный расход электроэнергии, Дж/(м³N₂). l=N/V_a

5. Эксергетический к. п. д. установки

ƞ_е= V_aρ_аl_a/N

где l_a – эксергия получаемого азота с учетом его параметров на выходе из блока разделения, Дж/кг.

3-й режим – получение газообразного кислорода

Обработка результатов испытаний установки в данном режиме аналогична методике обработки в режиме получения газообразного азота.

1. Производительность установки по газообразному кислороду

V_k= (M₂-M₁)/ / ∆τ ρ_k

где ρ_k - плотность кислорода при нормальных условиях.

2. Удельный выход кислорода

K=V_k/V_b

3. Эксергетической к. п. д. установки

ƞ_е= V_к ρ_кl_к/N

Расчет интегральной разности температур основного теплообменика на ЭВМ искра-1256 (рис.2)

Этот расчет преследует собой цель показать возможности вычисльной техники при определении некоторых параметров аппаратов установки. Применение ЭВМ для расчета интегральной разности температур теплооьменников значительно убыстряет эту работу и позволяет получить более точные результаты.

Здесь рассматривается задача для режима получения жидкого азота. Температура потоков на холодном Т_RX, T_BX и на теплом конце Т_R_Т, T_B_Т теплообменника известны. Они изменяются в процессе испытания установки.

Должны быть известны также давления прямого Р_В и обратно Р_R, потоков и их расходы G_B, G_R.Тогда интегральная разность температур между потоками В и R

∆Tu=n/Ʃ(1/∆T_al)

где n – число равных тепловых участков теплообменника;

∆T_al – средняя арифметическая разность температур между потоками на участке.

При расчете ∆T_u теплообменник делится на n равных тепловых участков по высоте, считая снизу. Расчет удобнее вести с холодного конца аппарата, пренебрегая теплопритоками извне.

Температура прямого потока T_bi на выходе из i- го участка определяется из уравнения теплового баланса участка.

G_bC_pb(T_bi-T_bi-1)=G_RC_PR∆T_Ri

Предпологается, что при PR=0,1МПа, С_pR=const высоте аппарата. Тогда изменение температуры обратного потока на каждом участке

∆T_Ri= (T_RT-T_RX)/n

При заданном давлении прямого потока зависимость C_PB=f(Tb) можно определить полиномом

C_pb=A+BT+CT²₊DT³

где A, B, C, D – некоторые постоянные;

Т – температура газа, К.

На i – ом участке ∆T_ai=0,5(∆T_i- ∆T_i-1)

где ∆T_i=T_bi-T_Ri; T_Ri=T_RX+i ∆T_Ri; ∆T_i-1=T_bi-1-T_Ri-1

Обозначения величин для работы на ЭВМ

T_BXи T_RX – температуры прямого и обратного потоков на холодном конце теплообменника, К;

G_b и G_R – массовый расход прямого и обратного потоков, кг/c;

C_pb и C_PR - изобарные теплоемкости потоков, кДж/(кг К);

T_Bи T_R – температуры потоков

n – число участков теплообменника

i – номер участка, считая с холодного конца аппарата;

T_bi и T_bi-1 –температуры прямого потока на входе в участок и на выходе из него, К.

T_Ri-1 и T_Ri –температуры обратного потока на входе в участок и на выходе из него, К.

∆T_i – разность температур между потоками на выходе из участка, К.

∆T_i-1 – разность температур между потоками на входе в участок, К;

∆T_ai – средняя арифметическая разность температур между потоками на i – ом участке.

Ниже приведена программа расчета и пример определения ∆Tu для двухпоточного теплообменника при P_R = 0,1МПа, P_b = 20 МПа, n=30. Темплоемкость воздуха C_pb аппроксимирована полиномом.

C_pb= -3,6071+0,0853Т-412*10^-6Т²+6,0827*10^-7Т³, кДж/(кг К)

В результате расчета определены температуры потоков на выхода из каждого участка - T_bi, T_Ri, а также интегральная

∆Tu=6,7272413