Воздухоразделительные установки с накоплением кубовой жидкости

На рисунке 1 приведена типичная схема воздухоразделительной установки среднего давления для получения газообразного кислорода. Эта схема выбрана в качестве базовой для сравнения с предлагаемыми ниже схемами установок, которые работают в режиме с избыточным обратным потоком.

При расчетах приняты следующие значения параметров потоков. Давление прямого потока перерабатываемого воздуха 4 МПа, давление в колонне высокого давления 0, 6 МПа, давление в колонне низкого давления 0, 13 МПа. Концентрация получаемого газообразного кислорода 99, 7 %, концентрация кислорода в отбросном газе 2%, концентрация кислорода в азотной флегме 2, 5%. Концентрация кислорода в кубовой жидкости 33%. Присутствием аргона в разделяемом воздухе, а также теплопритоками к установке, в расчетах пренебрегаем.

Из материального баланса воздухоразделительной колонны двукратной ректификации следует, что при выбранных параметрах работы, молярная доля продукционного кислорода составит 19, 4%, а доля отбросного газа – 80, 6%.

Работа изотермического сжатия воздуха, поступающего на разделение в воздухоразделительную установку, в рассматриваемом режиме равна 316, 96 кДж/кг. Отсюда нетрудно найти работу сжатия воздуха в расчете на один кубометр продукционного кислорода. Для рассматриваемой установки она составляет 0, 585 кВт-ч. При этом не учитывался к.п.д. реального компрессора и его электродвигателя, затраты энергии на очистку перерабатываемого воздуха от влаги и углекислоты, расход электроэнергии для работы вспомогательного оборудования и т.п. Такая идеализация потребления энергии в базовой схеме воздухоразделительной установки вполне оправдана в том случае, когда необходимо сравнивать потребление энергии в установках, работающих по различным термодинамическим циклам. Иначе говоря, важны относительные, а не абсолютные параметры работы сравниваемых установок.

Из материального и теплового балансов колонны двукратной ректификации следует, что в рассматриваемой базовой схеме ВРУ для получения газообразного технического кислорода, на входе в колонну достаточно иметь 6, 2% жидкости.

Холодопроизводительность ВРУ среднего давления позволяет получать на входе в ректификационную колонну, по крайней мере, вдвое большее количество жидкости. Этот избыток холодопроизводительности ВРУ и позволяет часть продуктов разделения воздуха выводить из рассматриваемой установки в жидком виде.

Если жидкий кислород не нужен, то существующая практика эксплуатации установок среднего давления сводится к тому, что холодопроизводительность установки уменьшаются путем уменьшения доли воздуха, который расширяется в детандере, и соответствующего увеличения доли воздуха, расширяющегося в дроссельном вентиле. С термодинамической точки зрения это означает, что в установку искусственно вносится дополнительная необратимость, вследствие чего увеличиваются термодинамические потери и снижается эксергетическая эффективность работы установки.

В качестве альтернативы существующей практике, предлагается эксплуатировать воздухоразделительную установку в режиме максимальной эксергетической эффективности, в котором в куб колоны высокого давления поступает максимальное количество жидкости. Если потребность в жидких продуктах разделения воздуха отсутствует, то часть кубовой жидкости выводится из установки и накапливается в специальной емкости. Давление в этой емкости должно быть близко к давлению в кубе колонны. Таким образом, при выдаче газообразных продуктов разделения воздуха мы не уничтожаем эксергию сжатого в компрессоре воздуха, а накапливаем ее в виде запаса криогенной жидкости.

Когда емкость для кубовой жидкости полностью заполнится, установка переключается в режим работы с пониженным потреблением электроэнергии. В этом режиме воздух, поступающий в установку, сжимается не до 4 МПа, а до давления в колонне высокого давления – примерно 0, 6 МПа. В результате этого, работа изотермического сжатия воздуха уменьшится до 162, 75 кДж/кг, т.е. почти вдвое. Снижение холодопроизводительности установки в этом режиме компенсируется не за счет работы детандера, а за счет подачи в куб колонны высокого давления некоторого количества ранее запасенной кубовой жидкости. Детандер в этом режиме эксплуатации ВРУ отключен, поэтому режим работы ректификационной колонны мало отличается от режима ее работы при накоплении кубовой жидкости.

Из теплового баланса колонны следует, что при неизменной концентрации всех потоков, к насыщенному воздуху, поступающему в куб колонны высокого давления необходимо добавить 6, 7% ранее запасенной кубовой жидкости. При этом мольная доля продукционного кислорода составит 21, 6%, т.е. станет несколько больше, чем в режиме накопления кубовой жидкости. С учетом этого, энергия изотермического сжатия воздуха в расчете на один кубометр продукционного кислорода в этом режиме составляет 0, 256 кВт-ч.

Если в режиме накопления кубовой жидкости при давлении прямого потока воздуха 4 МПа, около половины жидкости, образовавшейся после дросселирования воздуха, может быть отведено из установки, то длительность периода накопления кубовой жидкости будет примерно равна времени ее расходования в режиме работы с избыточным обратным потоком.

Если принять, что длительность периодов работы воздухоразделительной установки в режиме накопления кубовой жидкости и в режиме пониженной потребляемой мощности примерно одинакова, то средне потребление энергии на один кубометр кислорода составит 0, 421 кВт-ч. Отсюда следует, что попеременная работа ВРУ, в режиме накопления кубовой жидкости и в режиме пониженной мощности, позволила бы сократить потребление энергии примерно на 40% по сравнению с режимом регулирования доли детандерного воздуха.

Эти результаты получены на основании рассмотрения теплового и материального балансов колонны двукратной ректификации. Для того чтобы окончательно убедиться в работоспособности воздухоразделительной установки в режиме с пониженной потребляемой мощностью, необходимо проверить работоспособность ее теплообменных аппаратов.

Анализ термодинамических потерь и работоспособности теплообменных аппаратов низкотемпературных установок удобно проводить при помощи q-1/T диаграммы, описанной в статье [4].

На рисунке 2 приведена q-1/T диаграмма для основного теплообменника ВРУ, работающей по дроссельному циклу при давлении прямого потока 0, 6 МПа. Площадь области q-1/T диаграммы под линией прямого потока (красная линия) пропорциональна эксергии прямого потока (розовая заливка). Площадь области под линией обратного потока (синяя линия), соответственно, пропорциональна эксергии обратного потока. Отсюда, эксергетические потери от несовершенства теплообмена пропорциональны площади q-1/T диаграммы, заключенной между линиями прямого и обратного потоков.

Так как рассматривается теплообменник ВРУ, то в нем имеется два обратных потока, например, поток продукционного кислорода и поток отбросного газа. В работе [5] показано, что если обратные потоки не обмениваются теплом напрямую, а находятся в тепловом контакте только с прямым потоком, то для того, чтобы при заданных температурах на концах теплообменного аппарата теплообмен между этими тремя потоками был осуществим, достаточно чтобы линия прямого потока на q-1/T диаграмме не пересекала линию для средневзвешенной температуры обратных потоков. Поэтому на приведенной q-1/T диаграмме в качестве линии обратного потока для рассматриваемых теплообменников показана средневзвешенная температура двух обратных потоков.

Из приведенной на рисунке 2 q-1/T диаграммы для основного теплообменника ВРУ, у которой массовый расход прямого потока равен сумме массовых расходов обратных потоков, следует, что при недорекуперации на теплом конце теплообменника равной 10 К прямой поток не может охладиться до температуры насыщения. Поэтому, такой поток не может быть разделен в ректификационной колонне без дополнительного охлаждения, с образованием некоторого количества жидкости, которая необходима для флегмового питания ректификационной колонны.

Для обеспечения необходимой холодопроизводительности в установках низкого давления, часть сжатого воздуха приходится расширять в

Для сравнения, на рисунке 3 приведена q-1/T диаграмма для основного теплообменника ВРУ с избыточным обратным потоком. Давление прямого потока воздуха, также принято равным 0, 6 МПа. Из приведенной диаграммы сразу видно, что площадь фигуры, заключенной между линиями прямого и обратного потоков стала меньше. Следовательно, термодинамические потери от несовершенства теплообмена в теплообменнике ВРУ с избыточным обратным потоком уменьшились. Вследствие этого при той же недорекуперации на теплом конце теплообменника (10 К), прямой поток воздуха не только достигает температуры насыщения, но и частично сжижается.

Задавшись недорекуперацией на теплом конце теплообменника равной 10 К, из теплового и материального балансов ректификационной колонны и основного теплообменника ВРУ находим молярную долю кубовой жидкости, которую необходимо подавать в куб колонны в режиме работы с избыточным обратным потоком. Это количество кубовой жидкости оказывается равным 5, 2%, т.е. меньше 6, 4%, которые были получены выше при рассмотрении материального и энергетического балансов ректификационной колонны.

Эта разница объясняется тем, что при рассмотрении материального и энергетического балансов ректификационной колонны принималось, что воздух входит в куб колонны с параметрами насыщения, а в результате анализа работы основного теплообменника выяснилось, что на выходе из теплообменника образуется некоторое количество жидкости. Расчеты показывают, что мольная доля жидкости при работе с избыточным обратным потоком составляет около 1, 0%. Отсюда следует, что за счет уменьшения потерь в теплообменнике при работе в режиме с избыточным обратным потоком можно сэкономить примерно 19% кубовой жидкости, подаваемой в установку.

В режиме пониженной потребляемой мощности установка работает не по схеме ВРУ низкого давления, а использует более простой дроссельный холодильный цикл. Это позволяет упростить схему установки, отказавшись в этом режиме работы от одного из самых дорогих и ненадежных элементов ВРУ низкого давления – турбодетандера. Кроме того, отсутствие детандерного потока в режиме работы установки с избыточным обратным потоком, позволяет сохранить практически неизменными условия работы ректификационной колонны. При неизменном массовом расходе воздуха, подаваемого компрессором, изменение параметров потоков на входе и выходе из аппарата двукратной ректификации при переключении режимов работы ВРУ находятся в пределах 5-6%, что упрощает и ускоряет процесс перевода установки из одного режима в другой.

Использование ночного тарифа на электроэнергию позволит существенно улучшить экономические показатели работы установок среднего давления при попеременной работе в режиме накопления кубовой жидкости и в режиме пониженного потребления энергии.

Если повысить давление прямого потока до 6-7 МПа, и использовать предварительное охлаждение прямого потока холодильной установкой, то можно добиться того, что в режиме накопления жидкости установка будет работать 7-8 часов. Это позволит максимально использовать преимущества ночного тарифа на электроэнергию.

Следует отметить, даже при попеременной работе в режиме накопления кубовой жидкости и в режиме с избыточным обратным потоком, расход энергии на получение одного кубометра кислорода все равно превышает расход энергии в установках низкого давления. Это следует из того, что даже в режиме пониженного потребления электроэнергии, воздух поступающий в установку, необходимо сжимать до давления порядка 0, 6 МПа, т.е. до давление прямого потока в ВРУ низкого давления.

Преимуществом установок среднего давления является их гибкость, позволяющая получать значительное количество продуктов разделения воздуха в жидком виде. Кроме этого установки среднего давления позволяют получать продукты разделения воздуха высокой чистоты.

Наличие емкости для сбора кубовой жидкости в составе ВРУ среднего давления позволяет увеличить диапазон регулирования производительности установки по жидким продуктам разделения воздуха. Так например можно на какое то время приостановить выдачу продукционного кислорода не путем отключения установки, а переведя ее в режим накопления кубовой жидкости. При этом не происходит отогрев аппаратов, и установка может быть быстро переведена в нормальный режим работы.

Имея запас кубовой жидкости можно многократно повысить производительности ВРУ про жидким продуктам разделения воздуха. В этом случае накопленная кубовая жидкостиь может рассматриваться как сырье, которое перерабатывается в жидкий кислород или жидкий азот с минимальной затратой энергии.