Установки для разделения газовых смесей

Из установок с вихревыми аппаратами для разде­ления газовых смесей наибольшее применение получи­ли установки для очистки природного и нефтяного газа от конденсирующихся компонентов. Добываемый при­родный и попутный (нефтяной) газ в большинстве слу­чаев содержит большое количество воды и тяжелых уг­леводородов (три и более атомов углерода в одной мо­лекуле), которые при определенных соотношениях дав-

Чи

Рис. 76. Схема опытной установки МЭИ: 1 — газ из скважины; 11 — отсепарнрованный газ; 111 — конденсат

Ления и температуры газа могут конденсироваться, об­разовывать твердые гидраты и жидкие эмульсии. Это создает трудности при транспортировании газа и при работе различных узлов оборудования газопровода. В то же время выделяющийся конденсат представляет со­бой высококачественное сырье для получения ценных продуктов.

Углеводородный газ очищают его охлаждением и от­делением конденсата. На рис. 76 приведена схема пер­вой в СССР опытной установки, разработанной в МЭИ. Природный газ из скважины проходит сепаратор 1, где отделяются содержащиеся в газе капельная влага и углеводородный конденсат, и поступает д теплообмен­ник 2. Здесь газ охлаждается с выделением конденси­рующихся компонентов. Образовавшаяся двухфазная смесь подается в вихревую трубу 3, где происходят два процесса — отделение жидкой фазы и охлаждение части газа в результате вихревого эффекта. При охлаждении газа часть составляющих его компонентов конденсиру­ется. Охлажденный поток из вихревой трубы поступает в сепаратор 4, где отделяется конденсат. Часть очищен­ного газа из сепаратора 4 возвращается в теплообмен­ник 2 для охлаждения исходной газовой смеси. Нагре­тый поток из вихревой трубы поступает в теплообмен­ник 5, где охлаждается частью охлажденного газа, вы­ходящего из сепаратора 4. В сепараторе 6 из нагретого потока выделяется жидкая фаза. Очищенный газ из се­паратора 6 полностью или частично выводится из уста­новки, а также может подаваться вместе с охлажден­ным потоком из сепаратора 4 в теплообменник 2. От­деленный конденсат из сепараторов 4 и 6 выводится из установки.

Диаметр использованной в установке вихревой тру­бы Do — 0,045 м, площадь соплового ввода Fc — = 102-10~2 м2, длина камеры энергетического разделе­ния L = 0,4 м, диаметр отверстия диафрагмы Dx= = 0,025 м. Испытания установки проводили при следую­щих параметрах природного газа на входе в вихревую грубу: рс=14,5 МПа, Тс = 328 К. Давление охлажденно­го потока на выходе из вихревой трубы рх = 2,8 МПа. Суточный расход природного газа через установку 390 тыс. м3 при нормальных условиях. При испытаниях установки изучали эффективность выделения конденса­та, а также исследовали его распределение по охлаж­денному и нагретому потокам, выходящим из вихревой трубы. Максимальный эффект охлаждения газа в вих­ревой трубе ДТХ=55…60 К при относительном расходе охлажденного потока [х = 0,6…0,8. В установке выделя­лось 22—29 м^ конденсата в сутки: из них 12—18 м3 выделялось в сепараторе 1, а остальная часть при ох­лаждении газа в теплообменнике 2 и вихревой трубе 3.

Суммарное количество конденсата, [ выводимого из сепараторов 4 и 6, зависит от режима работы вихревой трубы и достигает максимума при р,~0,6 (рис. 77); Q — = Qk/G, где QK — количество выделенного конденсата, м3/сут; G — расход газа через установку, м3/сут. Значе­ние 0,6 соответствует режиму максимальной холодо­производительности неохлаждаемой трубы. Абсолютное максимальное количество конденсата, выделяемого в теплообменнике и в вихревой трубе, составляло 10,6 м3/сут, что, как указывают создатели установки, на 30—35% больше, чем при охлаждении газа дросселиро­ванием. Испытания установки показали, что основная масса конденсата (до 90%), вносимого в вихревую тру­бу и выделяющегося в ней, выводится с нагретым пото­ком. Количество конденсата, выделяющегося из охлаж­денного потока, составило 1,5—2,5 м3/сут при [х>0,5 и слабо зависело от параметра р,. Содержание конденсата в нагретом потоке существенно определяется его расхо­дом. Максимальное количество конденсата выводится при [х<0,5. При уменьшении расхода нагретого пото­ка содержание конденсата в нем уменьшается. Так, при увеличении р. с 0,53 да 0,98 количество конденсата

Рис. 77. Зависимость удельного количе­ства конденсата от доли охлажденного потока:

1 — в установке МЭИ; 2 — прн дросселнро* ваннн

Уменьшается с 10 до 4 м3/сут. Это объясняется уменьшением общего количества выделяю­щегося конденсата (см. рис.77) из-за уменьшения холодопро­изводительности вихревой тру­бы. Распределение конденсата

Между охлажденным и нагретым потоками меняется не столь значительно (см. рис. 52, кривая 2).

Как отмечено выше, вихревая труба в рассматри­ваемой установке выполняет функции сепаратора и ох­ладителя. В гл. 3 указано, что такое сочетание функций вихревой трубы нецелесообразно, так как, с одной сто­роны, наличие жидкости в исходной смеси снижает эф­фект температурного разделения, а с другой — отвод жидкости вместе с нагретым потоком сопровождается ее частичным испарением. Этих недостатков лишена ус­тановка, испытанная А. Н. Черновым. Она предназна­чена для выделения углеводородного конденсата из по­путного нефтяного газа с относительно высоким содер­жанием конденсирующихся компонентов (до 100— 1000 г/м3) при давлении 3,6 МПа. Как установка МЭИ, эта установка включала теплообменник для охлажде­ния сжатого газа охлажденным потоком, вырабатывае­мым вихревой трубой.1 Выделившийся в теплообменни­ке конденсат отделялся в сепараторе, установленном перед входом в вихревую трубу, так что в последнюю поступала однофазная газовая смесь. Отличительной особенностью установки являлось также использование трехпоточной вихревой трубы (см. рис. 54), позволяю­щей выводить образовавшийся в камере разделения конденсат отдельно от нагретого потока. Конденсат от­бирался из конденсатосборника вихревой трубы, а так­же из сепаратора 4 охлажденного потока (см. рис. 76).

IS ОЛ 0,6 0,8 л

Таким образом, в установке А. И. Чернова вихревая труба выполняла в первую очередь функцию охладите­ля газовой смеси. Основное количество конденсата вы­делялось в теплообменнике и отводилось из сепарато­ра сжатой смеси. В вихревой трубе сепарировалась в
основном жидкость, выделившаяся в результате охлаж­дения газа под действием вихревого эффекта. Конст­рукция вихревой трубы и условия проведения испыта — ния установки описаны в п. 3.2. Испытания показали, что в установках с предварительным отделением1 кон­денсата на входе в вихревую трубу, выполненную по трехпоточной схеме, степень извлечения (отношение со­держания компонентов в выводимом конденсате к со­держанию их в исходном газе) тяжелых углеводородов может достигать 45% (табл. 7). При этом основная масса конденсата (до 80%) выделяется в теплообмен­нике сжатой газовой смеси.

Таблица 7 Эффективность выделения тяжелых компонентов из нефтяного газа Степень расши­рения газа в вих­ревой трубе Оптимальная мас­совая доля газа, ■ выводимого из вихревой трубы вместе с конден­сатом Максимальная степень извлече­ния пропана н бо­лее тяжелых ком­понентов, % 3 0,12 27,5 5 0,145 42,0 8 0,16 45,6

В ряде химических производств исходная газовая смесь дросселируется с высокого давления (например, давления транспортирования) до рабочего (0,1— 0,8 МПа). Этот перепад давлений можно утилизировать в вихревых аппаратах для осушки, очистки и предва­рительного разделения перерабатываемого газа. Группа сотрудников ГИАП под руководством И. Л. Лейтеса разработала и внедрила установки с вихревым холо­дильным аппаратом, используемые в различных хими­ческих процессах. В этих установках вихревую трубу применяют преимущественно для получения охлажден­ного газа, который используют для охлаждения исход­ной смеси. Выделяющийся при этом конденсат отделя­ется, как правило, в сепараторе, установленном перед вихревой трубой.

На рис. 78 приведена схема установки для очистки природного газа от высших углеводородов и сернистых соединений перед переработкой газа в процессе произ­водства аммиака. Природный газ, содержащий 7—
10 г/м3 высших углеводородов, под давлением 1,4— 3,5 МПа через теплообменник 1 и сепаратор 2 подается в вихревую трубу 3, где расширяется до давления 0,7—

0. 05 МПа и разделяется на два потока — охлажденный и нагретый. Охлажденный поток через сепаратор 5 по­ступает в теплообменник на охлаждение сжатого газа, откуда, смешиваясь с нагретым потоком, подается на переработку. Конденсирующиеся компоненты выделяют­ся в основном при охлаждении газа в теплообменнике

Рис. 78. Схема установки для очистки природного газа: / — сжатый газ; II— охлажденный поток; III — нагретый поток; IV — Конденсат

Рис. 79. Зависимость степени извлечения углеводородов от темпе­ратуры охлажденного потока

1. Конденсат собирается в полостях теплообменника и в сепараторе 2, откуда периодически сливается в кон — денсатосборник 4. Меньшая часть конденсата образу­ется при охлаждении части газа в вихревой трубе. Кон­денсат, уносимый охлажденным потоком, улавливается в сепараторе 5, откуда также) сливается в сборник 4. Вихревая труба имеет цилиндрическую камеру диамет­ром Д) = 0,07 м и длиной L = 1,9 м. Диаметр диафрагмы Dx = 0,037 мм, площадь соплового ввода Fc = 200 мм2 (b/h = 2). Расход перерабатываемого природного газа 5000 м3/ч при нормальных условиях. При степени рас­ширения є = 3,2 максимальная разность температур ис­ходного газа и охлажденного потока А Г=69 К при до­ле охлажденного потока д = 0,7.

На рис. 79 приведена зависимость степени извлече­ния углеводородов ф= (Увх —?/х)/Увх (ГДе Увх И Ух — KOH — центрация углеводородов соответственно в исходном га­зе и в охлажденном газовом потоке) от температуры охлажденного потока на выходе из; вихревой трубы. Эффективное извлечение углеводородов с шестью и бо­лее молекулами углерода достигается при температуре охлажденного потока Гх=213…233 К и составляет 92— 98% (рис. 79, кривая 2). Полученные при испытании установки данные дают полезную информацию об из­менении компонентного состава1 выделяемого конденса­та в зависимости от степени охлаждения газа. Кривая 1 на рис. 79 отражает зависимость ф=f(Tx) для груп­пы углеводородов Сб—Се, имеющих I наиболее низкую температуру конденсации. Сравнение значений ф по кривым 1 и 2 показывает, что по мере снижения Тх кон­денсат, сначала содержащий тяжелые компоненты, обо­гащается более легкими компонентами, имеющими бо­лее низкую температуру конденсации. Таким образом, варьируя температуру охлажденного потока, можно по­лучать конденсат с заданным компонентным, составом.

Описываемая установка не включала устройств для отделения конденсата, содержащегося в нагретом пото­ке, который смешивался с очищенным газом; поэтому часть выделившегося в вихревой трубе конденсата (на­иболее легкие углеводороды) терялась. Степень извлече­ния ф рассчитывали по концентрациям углеводородов в исходной газовой смеси и в газе охлажденного пото­ка, т. е.; не учитывали потери конденсата с нагретым потоком. Таким образом, приведенные на рис. 79 значе­ния ф следует рассматривать как возможные, особенно для низкокипящих компонентов.

Для эффективной очистки | углеводородных газов можно рекомендовать применение в установках трех — поточной вихревой трубы. Если установка предназна­чена для выделения углеводородного конденсата как це­левого продукта, то схему установки следует выбирать в зависимости от заданного компонентного состава кон­денсата. Высококипящие углеводороды необходимо вы­делять после теплообменника, установленного перед вхо­дом в вихревую трубу. При этом важно установить та­кой режим работы, чтобы температура охлажденного потока не была ниже температуры конденсации невы — деляемых низкокипящих компонентов. Это обеспечит максимальную холодопроизводительность вихревой тру­бы. При выделении низкокипящих углеводородов целе­сообразно применять трехпоточную вихревую трубу, а выделяемый в теплообменнике конденсат, состоящий из тяжелых компонентов, желательно использовать для ох­лаждения камеры энергетического разделения вихревой трубы или для охлаждения нагреваемого потока при выделении образующегося в нем конденсата.

При1, низких температурах часть углеводородов вы­деляется в твердом виде, что нарушает нормальный ре­жим работы аппаратов установки и требует периодиче­ского их отогрева. В описываемой установке ее ото­грев производится с помощью так называемой симмет­ричной вихревой трубы, имеющей одну диафрагму с симметрично расположенными по отношению к ней ка­мерами разделения, каждая, из которых имеет отдель­ный сопловой ввод. Переключением вентилей на подво­дящих трубопроводах можно направить нагретый по­ток газа по линии охлажденного потока. При степени расширения е=3,5 разность температур нагретого пото­ка и исходного газа составляла 55—60 К (1—р = = 0,2…0,3).

В производстве аммиака вместе с продувочными га­зами теряется часть продукта. Для предприятия сред­ней производительности эти потери могут составлять до 4000 т аммиака в год. Так как синтез аммиака проводят при давлении 30 МПа, а продувочный газ дросселиру­ется до атмосферного давления, целесообразно исполь­зовать перепад давлений для реализации вихревого эф­фекта с целью выделения аммиака из продувочного га­за.

И. Л. Лейтес с соавторами разработал установку для выделения аммиака из продувочного газа с исполь­зованием двухступенчатого охлаждения в вихревых тру­бах (рис. 80). Продувочный газ, содержащий до 10% аммиака, под давлением до 30 МПа при температуре 298—303 К подается в теплообменник 1, где охлажда­ется! до температуры 289—291 К. При этом часть ам­миака конденсируется, и его концентрация в газе умень­шается до 5,5%. Затем продувочный газ поступает в ис­паритель 2, где охлаждается до температуры. 273 К жидким аммиаком, кипящим при давлении 0,3 МПа и получаемым в этой же установке. Далее газ подается в теплообменник 3, где охлаждается до температуры

Рис. 80. Схема установки для вы­деления аммиака из продувочного газа:

/ — сжатый газ; II — охлажденный по­ток; III — нагретый поток; IV — жид­кий аммиак; V — газообразный аммиак

245—253 К — Содержание ам­миака в газе при этом уменьшается до 1 %. Жид­кий аммиак, выделившийся в теплообменниках 7, 3 и в испарителе 2, отделяется в сепараторе высокого давле­ния 4. Газ из сепаратора подается в вихревую трубу 5, где расширяется до давле­ния 3,8—4,0 МПа и разде­ляется на охлажденный и нагретый потоки. При этом часть газообразного аммиа­ка конденсируется. Температура охлажденного потока 213—303 К, содержание аммиака в его газовой фазе уменьшается до 0,5%. Охлажденный поток проходит сепаратор 6, где из него выделяется жидкий! аммиак, теплообменник 3, где охлаждается сжатый газ, и, сме­шиваясь с нагретым потоком из трубы 5, поступает в вихревую трубу 7. Здесь газ расширяется до давления 1,0 МПа. Охлажденный поток газа с температурой 246 К подается в теплообменник 1. Отдав свой холод исходной газовой смеси, охлажденный поток смешива­ется с нагретым потоком, выходящим из трубы 7, и вы­водится из установки. В результате концентрация ам­миака в очищенном газе составляет 0,7%.

В ходе исследования возможности выделения амми­ака из продувочных газов с помощью вихревого эффек­та была испытана вихревая труба на продувочном газе высокого давления с содержанием аммиака от 4,8 до — 13%. Вихревая труба имела цилиндрическую камеру разделения диаметром D0 = 0,015 м и длиной L = 0,3 м. Расход газа составлял 2500 м3/’ч при нормальных усло­виях. Испытания проводили при давлении продувочно­го газа рс = 2,8…6,0 МПа при степени расширения е= = 2… 15. Результаты исследования подтвердили возмож­ность использования в области высоких давлений ох­
лаждаемого газа рекомендации по проектированию, по­лученные при относительно низком давлении рабочего тела (см. гл. 2).

Содержащаяся в природном газе широкая фракция высших углеводородов представляет собой ценный про­дукт. Его применяют в различных химических процес­сах, например при производстве синтетических каучу — ков, бензина, дизельного топлива и др. В связи с этим выделяемый при очистке природного газа конденсат стремятся использовать для дальнейшей переработки. Иногда целесообразно разделять конденсат на отдель­ные фракции с| различным содержанием компонентов. Такое разделение возможно при определенных сочета­ниях давления и температуры перерабатываемого газа, когда конденсируются преимущественно желаемые ком­поненты. Кроме того, получаемый конденсат можно под­вергать предварительной обработке, например, частично газификации, используя теплоту нагретого потока газа, вырабатываемого вихревой трубой.

Фирмой «Хэлибертон» (США) запатентована уста — новка_ для восстановления конденсируемых компонентов природного газа [Пат. 4026120 (США)]. Исходный газ с давлением, например, 3,4 МПа и температурой 288— 310 К подается в низкотемпературный сепаратор 1 (рис. 81), где охлаждается до температуры 283—302 К с частичной конденсацией высококипящих компонентов. Выделившийся конденсат отделяется в сепараторе 2, а газ направляется в теплообменник 3 на дальнейшее ох-

Рис. 81. Схема установки для переработки природного газа: / — исходный газ; // — газообразный продукт; /// —жндкнй продукт

Лаждение и конденсацию. Образующаяся газо-жидкост — ная смесь проходит сепаратор 4, где жидкость отделяет­ся от газа. Жидкий продукт из сепаратора 4, содержа­щий низкокипящие компоненты разделяемой смеси, вы­водится из установки, а охлажденный газ подается в вих­ревую трубу 5. Здесь он расширяется до давления око­ло 1,7 МПа и разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный поток газа температурой до 256 К в количестве до 60% расхода сжатого газа вме­сте с выделившимся в вихревой трубе конденсатом на­правляется в сепаратор 1 на охлаждение исходного сжатого газа. В сепараторе 1 отделяется также жид­кость, вносимая охлажденным потоком. Собирающийся в нижней части сепаратора 1 конденсат содержит наибо­лее низкокипящие компоненты перерабатываемого газа. Его концентрацию можно менять частичным испарени­ем в теплообменнике 6 нагретым потоком газа из вих­ревой трубы 5, так что из сепаратора 7 можно выводить жидкий и газообразный продукты различной концент­рации. Нагретый поток из вихревой трубы 5 через теп­лообменник 6 поступает в сепаратор 1, где смешивается с охлажденным потоком. Очищенный газ из сепаратора 1 через теплообменник 3 выводится из установки в ви­де газообразного продукта.

Отличительной особенностью установки является то, что расходуемый на конденсацию газа холод произво­дится лишь за счет дроссель-эффекта. Вихревая труба предназначена для создания необходимого сочетания давления и температуры, обеспечивающего возможность выделения нужного компонента смеси. В вихревой трубе конденсируются наиболее низкокипящие компоненты причем, изменяя эффект охлаждения (например, изме­нением параметра р,), можно получать фракции низко­кипящих углеводородов с различным компонентным со­ставом. В этой установке используется не только холод, вырабатываемый вихревой трубой, но и теплота нагре­того потока для регулирования состава легкой фракции выделяемого конденсата. Таким образом, в рассматри­ваемой установке углеводородный конденсат выделяет­ся и перерабатывается.

При расчете установок для выделения конденсирую­щихся компонентов газовой смеси определяют количест­во продукционного конденсата или температуру охлаж­денного потока вихревой трубы, в конечном счете, за­висящую от количества полученного конденсата. При этом необходимо согласовать холодопроизводительность вихревой трубы с теплотой, отводимой в теплообменни­ке от сжатого перерабатываемого газа. Упрощенно рас­четную схему установки можно представить как состоя­щую из последовательно соединенных по линии сжато­го газа теплообменника-конденсатора, отделителя жид­кого продукта и вихревой трубы, которая вырабатыва­ет холодный газ для охлаждения исходной смеси.

Исходные данные для расчета: состав перерабаты­ваемой газовой смеси, ее давление р0 и температура Та На входе в установку; давлениеі охлажденного потока Рх; недорекуперация на теплом конце теплообменника ДГт, теплопритоки из окружающей среды Q0. Расчет выполняют вариационным методом. Вначале задаются долей охлажденного’ потока ц. По методике, изложен­ной в п. п. 3.2 и 3.3, выполняют термодинамический рас­чет вихревой трубы и определяют параметры охлаж­денного и нагретого потокову а для вихревой трубы с выводом конденсата — также параметры жидкостного и газового потоков, выводимых из конденсатосборника. Температуру сжатого газа на входе в сопловой ввод вихревой трубы принимают равной температуре конден­сации выделяемых компонентов. Из уравнения энерге­тического баланса установки определяют относительное количество выводимого конденсата:

При отсутствии вывода конденсата из вихревой тру­бы

, __ Т0 (СР0 — ,цсрх) + цсрхДТт — (і — Ц) Ггсрг —F Q0 ,g2)

Т ~ Тссрс + гк — (1 _ (і) ГрСрр — цСрх (Г0 — ДГт)

При отводе конденсата из вихревой трубы Kz = [Т0 (сро — цсРх) + IicPxATt — (1 — р — рк£к — цз) х X ТгСРг (Ркік + Из) Т3ср3 — рк|кг; + Q0] [ТсСрс + + V— (1 — ц — ик — Из) ТгСрг — (ркІк — Из) х

X Т3ср3~ №кг’к-11Срх(Т0~АТт)}-\ (83)

Здесь kr=GK.T/G0; kx=kr+kBT] kBT=GK.BT/G0-, q0 = Qo/G0; Рк= Gk. w/Gc(G0 и Gc — расход перерабатываемого газа на входе соответственно в установку и в вихревую тру­бу, кг/с; GK. т, Gк-вт, GK. w — расход конденсата, выводи­мого соответственно из сепаратора установки, конден — сатосборника вихревой трубы и в камере вихревой тру­бы в месте вывода конденсата, кг/с); гк, г’к — теплота парообразования сответственно исходной газовой сме­си и газа, охлаждаемого в вихревой трубе, Дж/кг.

Далее проверяют сходимости — энергетического балан­са теплообменника установки

‘о — «с + Кгк = М — («с — гх — A7V/)x) v (84)

Где г’о, гс и г’х — удельная энтальпия соответственно ис­ходной смеси, газа на входе в вихревую трубу, охлаж­денного потока на входе в теплообменник, Дж/кг.

Если расхождение баланса превышает допустимое, то принимают новое значение р и расчет повторяют. Для удобства расчета можно строить зависимости Гх= =/(р) по данным расчета вихревой трубы и с учетом баланса теплообменника (84). Абсцисса точки пересе­чения кривых дает искомое значение ц.

Простейший способ применения вихревой трубы {вихревого ректификатора) в воздухоразделительных установках заключается в ее использовании для пред­варительного обогащения кислородом воздуха, подавае­мого в ректификационную колонну. На рис. 82 дана схема установки для получения кислорода. Сжатый воз­дух из компрессора 1 последовательно охлаждается в теплообменнике 2 и испарителе ректификационной ко­лонны 3, а затем поступает в вихревой ректификатор 6. Здесь он разделяется! на газообразный азотный и жидкий кислородный потоки. Жидкий обогащенный кислородом воздух переохлаждается азотным потоком в теплообменнике 4 и вводится в колонну 3. Азотный нотой частично подается в криогенную машину 5, где сжижается и поступает в ректификационную колонну

/ — воздух; // — жидкий кислород; ///— газообразный кислород; /V —от­бросный газ

На орошение. Остальная часть азотного потока смеши­вается с отбросным газом из колонны и подается в теплообменник 2) для охлаждения сжатого воздуха. Введенный в колонну жидкий воздух, смешиваясь с флегмой, стекает по тарелкам в нижнюю часть колонны и обогащается кислородом. В испарителе колонны скап­ливается жидкий кислород, который может подаваться потребителю в жидком или газообразном виде. Предва­рительное разделение воздуха в вихревом ректификато­ре позволяет уменьшить число тарелок колонны и сни­зить ее сопротивление и давление сжатого воздуха, что повышает экономичность установки.

Для некоторых технологических процессов не обяза­тельно использовать «чистые» продукты разделения воздуха; достаточно иметь обогащенный кислородом или азотом воздух. Так, в последние годы большое внима­ние уделяют созданию модифицированной атмосферы при хранении и транспортировании скоропортящихся продуктов. При этом хорошее качество) продуктов сох­раняется при содержании кислорода в атмосфере хра­нилища от 5 до 10%. Азот (90—95%-ный) можно ис­пользовать также в противопожарных целях, напри­мер, для заполнения танков и трюмов с легковоспламе­няющимися грузами. Обогащенный кислородом воздух применяют в металлургической промышленности, для очистки водоемов от ядовитых) соединений; можно ис­пользовать его для обеспечения жизнедеятельности че­ловека. Как правило, для этого требуются малогаба­ритные установки с малой массой и относительно ко­ротким пусковым периодом, обеспечивающие регулиро­вание состава продуктов и способные функционировать в условиях эксплуатации транспортных средств. Этим требованиям могут отвечать воздухоразделительные ус­тановки с вихревым ректификатором. Действительно, по массе и габаритам вихревой ректификатор на порядок меньше ректификационных колонн. Исключение необ­ходимости накопления жидкого воздуха в период пуска уменьшает его продолжительность. Наличие в камере разделения ректификатора сильного поля центробеж­ных сил приводит к тому, что процесс1 разделения не зависит от пространственного положения аппарата, воз­можных вибрационных и ударных нагрузок.

На рис. 83 приведена схема воздухоразделительной установки с вихревыми ректификаторами. Сжатый воз-

Рис. 83. Схема воздухоразделитель-

Нон установки: / — воздух; II — азот; III — газообразный кислород; IV — жидкий кислород; V — отбросный газ

Дух из компрессора 1 подается в теплообменник (выморажи — ватель) 2, для охлаждения и очистки от примесей, напри­мер углекислого газа. Тепло­обменник 2 может быть реку­перативного или регенератив­ного типа, и осаждение при­месей может происходить на насадке одного из переключа­ющихся регенераторов или в одном из каналов реверсивного теплообменника. После тепло­обменника 2 поток воздуха разделяется на две части. Одна часть поступает в расшири­тельную машину 8 (например, турбодетандер), где охлажда­ется с отдачей внешней ра­боты. Охлажденный воздух

Проходит последовательно теплообменники 3 я 2, охлаж­дая сжатый воздух и вынося примеси, отделившиеся в теплообменнике 2. Другая часть сжатого воздуха после теплообменника 2 проходит последовательно через теп­лообменники 3, конденсатор 4 ив виде газожидкостной смеси поступает в вихревой ректификатор 5 на разде­ление. Здесь воздух разделяется на азотный и кислород­ный потоки, причем режим работы ректификатора (па­раметр р,) соответствует заданной концентрации про­дукционного азота. Кислородный поток в виде газожид­костной смеси подается на вторую ступень разделения в вихревой ректификатор 6, в котором выделяется кисло­род требуемой концентрации. Продукционный кислород собирается в сепаратор 7.

Количество жидкости, вводимой в ректификатор 6, Превышает оптимальное для проведения процесса раз­деления; поэтому ректификацию проводят при подводе теплоты извне. Для этого часть сжатого воздуха после теплообменника 3 подается в рубашку (или змеевик)

Камеры разделения ректификатора, откуда направляет­ся в вихревой ректификатор 5. При разделении воздуха в ректификаторе 6 получают «азотный» газовый поток, ■содержащий относительно большое количество кислоро­да. Для его извлечения этот газ поступает в камеру раз­деления ректификатора 5 со стороны выхода кислород­ного потока. С этой же целью пары кислорода из сепа­ратора 7 подаются в камеру разделения ректификатора 6. Газообразный продукционный азот, вырабатываемый в ректификаторе 5, проходит последовательно через конденсатор 4 и теплообменник 2 для охлаждения сжа­того воздуха и направляется к потребителю. При этом азот может сжиматься в компрессоре 9, приводимым в движение расширительной машиной 8. Продукционный кислород может поступать к потребителю в жидком или, после газификации в конденсаторе 4 и теплообмен­нике 2, газообразном виде.

При термодинамическом расчете воздухораздели — тельной установки с вихревым ректификатором искомы­ми величинами являются расходы потоков, давления и температуры в отдельных частях установки; эти данные необходимы для расчета аппаратуры и выбора комп­лектующих установку машин. Исходными данными яв­ляются требуемые количество и качество (состав, дав­ление и агрегатное состояние) продуктов разделения, а также принимаемые потери теплоты в окружающую среду, разности температур, гидравлические сопротивле­ния, КПД машин.

В зависимости от производительности и состава про­дуктов разделения установки строят пс^ схемам с раз­личными узлами охлаждения (холодильными циклами) и ректификации. Максимальное давление сжатого воз­духа определяется условием работы узла ректифика­ции. Ранее (см. п. 3.3) показано, что оптимальная сте­пень расширения воздуха в вихревом ректификаторе € = 6. Исходя из этого условия, определяют давление сжатого воздуха. При одноступенчатом разделении

Рв = (Ра + Ара) Є + Арв, (85)

Где рв, ра —давление воздуха после компрессора уста­новки и азота на выходе; Арв, Ара — гидравлическое сопротивление линии разделяемого воздуха и азота.

При разделении в две ступени и выводе из установ­ки азотного потока из ректификатора второй ступени вместе с отбросным газом, используя в первом прибли­жении уравнение Рс2= (ра +Ара) (0,33е+0,67), находят

Рв = [(Рот + АРот) є — 0,67 (ра + АРа)]/0,3 + Дрв, (86)

Где рс2 — давление обогащенного кислородом воздуха на входе в вихревую трубу второй ступени; рот— дав­ление отбросного газа на выходе из установки, Па; Арот — гидравлическое сопротивление линии отбросного газа, Па.

Расход воздуха на разделение определяют, исходя из заданной концентрации целевых продуктов (см. рис. 60,а). Для установки одноступенчатого разделения при получении кислорода Gc= GK/(1 — р); здесь Ga и GK — заданный расход азота и кислорода, кг/с. Прет двухступенчатом разделении} независимым параметром является расход одного из продуктов. При заданном: расходе азота расход воздуха Gc=Ga/p, а расход полу­чаемого при этом кислорода

GK = (1-Pa)(l-^)GC, (87>

Где и р2 — относительный расход (доля) «азотных» потоков вихревых ректификаторов первой и второй сту­пени.

Если задан расход кислорода, то расход воздуха

GC = GK/[(1-Hi)(l-M; (88>

При этом количество вырабатываемого азота Ga = p, iGc.

При реализации в установке холодильных циклов высокого давления с дросселированием или циклов вы­сокого и среднего давления с детандером расход пере­рабатываемого < воздуха (J б — и с, а давление сжатого — воздуха определяется заданной холодопроизводитель- ностью. При использовании цикла низкого давления с детандером только часть перерабатываемого воздуха может подаваться на разделение. Остальная часть по­ступает в детандер на расширение (см. рис. 83). При этом давление сжатого воздуха определяют из условия’ работы узла ректификации по выражениям (85) и (86), а его суммарный расход — из условия обеспечения за­данной холодопроизводительности. Термодинамический расчет холодильного цикла выполняют по известным в — криогенной технике методикам.