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
|
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.