Модернизация воздухоразделительной установки получения жидкого кислорода

Размещено на http://allbest.ru

Аннотация

установка жидкий кислород оборудование

В основе данного дипломного проекта поставлена задача провести модернизацию воздухоразделительной установки получения жидкого кислорода Кж-1.6 с целью уменьшение энергозатрат на производство 1 жидкого кислорода, но не с целью увеличения ее производительности. Связано это с тем, что данная производительность полностью удовлетворяет потребностям предприятия.

Для решения этой задачи рассмотрены варианты возможного переоснащения установки новым современным оборудованием, разработаны эффективные схемы работы установки. Также произведено сравнение нашей установки с современными установками получения кислорода. Приведены заключения по результатам расчетов и общий анализ проделанной работы.

Структура работы представлена введением, пятью главами, 19 параграфами, заключением, списком литературы и приложениями. Общее количество страниц дипломной работы - 81.

Введение

Криогенная техника -- развитая и мощная отрасль промышленности. Без криогенной техники и технологии сейчас уже не могут существовать многие направления в металлургии, химии, нефтехимии, ракетостроении, радиоэлектронике, агропромышленном комплексе, медицине и других отраслях промышленности.

На сегодняшний день главной задачей разработчиков и производителей таких установок стоит модернизация имеющихся и создание новых с более высокими технико-экономическими показателями. Последнее достигается путем замены отдельных узлов и агрегатов на более современные, а также уменьшения холодопотерь за счет использования современных изоляционных материалов и утилизации всех имеющихся холодных утечек рабочего тела.

Эти установки работают, как правило, в составе крупных промышленных комплексов или других систем и поэтому выход из строя криогенной установки может стать причиной остановки всего комплекса или прекращения функционирования сложной системы, что приводит к огромным потерям. Важные требования предъявляют и к эффективности криогенных установок. Под эффективностью установок сегодня нужно понимать не только удельные затраты на энергопотребление, как это часто делается, но и остальные удельные затраты, связанные с трудоемкостью изготовления, ее металлоемкостью, затраты на строительство зданий и сооружений, необходимых для эксплуатации, и затраты, связанные с самой эксплуатацией, т. е. с обслуживанием и ремонтом установки. Очевидно, что при равном энергопотреблении эффективность высоконадежной установки, не требующей дорогостоящего ремонта и обслуживания, всегда будет выше. Более того, в зависимости от конкретных параметров и условий эксплуатации высоконадежная компактная криогенная установка с более высокими показателями по энергопотреблению может оказаться эффективнее, чем громоздкая малонадежная установка с меньшим потреблением энергии.

Классическим примером, подтверждающим это, является создание академиком П. Л. Капицей крупных воздухоразделительных установок низкого давления на базе турбомашин, энергопотребление которых было существенно выше, чем воздухоразделительных установок высокого давления, построенных с использованием поршневых компрессоров и детандеров. Таким образом, проблемы обеспечения надежности и эффективности криогенных установок тесно связаны между собой.

Глава 1. Основы разделения воздуха

1.1 Общие сведения о кислороде

Кислород - наиболее распространенный в природе химический элемент. В виде различных соединений он содержится в земной коре (47.2 вес.%) и морской воде (85.82 вес.%). В химически не связанном состояние кислород находится только в атмосферном воздухе (23,15 вес.% или 20,93 объемн.%).

Кислород входит в состав большинства органических веществ живых организмов - белков, жиров и углеродов.

При участии кислорода совершается один из важнейших жизненных процессов - дыхание. Взаимодействуя с питательными веществами клеток, кислород обеспечивает организму необходимую для жизни энергию. Под действие солнечного света растения поглощают из атмосферы двуокись углерода и выделяют свободный кислород. Кислород может выделяться также при фотохимическом разложении водяных паров в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовой части солнечных лучей. В результате этих процессов содержание кислорода в атмосферном воздухе остается постоянным.

Кислород обладает высокой химической активностью и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов (аргона, криптона, ксенона, неона, гелия).

Реакция соединения вещества с кислородом называется окислением. С большинством элементов кислород соединяется без нагревания, т. е. без подвода тепла извне. Резкое увеличение скорости реакции окисления достигается повышением температуры или применением катализаторов.

Соединение кислорода с другими элементами сопровождается выделением тепла, а иногда и света (например, при горении).

Горение различных веществ в чистом кислороде протекает быстрее, чем в воздухе, и характеризуется высокой концентрацией выделяющейся теплоты. Это объясняется тем, что в данном случае теплота не затрачивается на нагревание содержащегося в воздухе азота, не участвующего в реакции окисления.

Горючие газы (водород, ацетилен, метан и др.) образуют с кислородом сильно взрывчатые смеси. Смазочные масла, а также их пары и продукты разложения способны окисляться при соприкосновении с чистым кислородом, а при определенных условиях и самовоспламеняться со взрывом. При повышении давления и температуры опасность самовоспламенения и взрыва смесей горючих веществ с кислородом возрастает.

Воспламенение в замкнутом пространстве пористых горючих веществ (угольной пыли и мелочи, прессованного торфа шерсти и др.), пропитанных жидким кислородом, сопровождаются взрывом большой разрушительной силы. Такие вещества называются оксиликвитами и находят применение при горновзрывных работах. Сжигание распыленного жидкого топлива в смеси с кислородом используется в ракетных двигателях и в установках для огневого бурения твердых пород.

Атомный вес кислорода равен 16. Молекула кислорода при нормальной температуре и давлении содержит два атома и обозначается. Атомы кислорода связаны в молекуле весьма прочно, и только при температуре 1500 °С начинается заметное распадение молекулы на атомы (диссоциация); полностью это происходит при температуре 5000°С. При окислении, протекающем при более низких температурах, кислород вступает в реакцию с другими элементами в молекулярном состоянии.

Ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. Вокруг ядра расположена электронная оболочка с 2 внутренними и 6 внешними электронами.

В чистом виде кислород был выведен Шееле в 1772г. (Швеция) и независимо от него Пристли в 1774г. (Англия). Лавуазье (Франция) определил состав воздуха и уставил, что кислород энергично поддерживает горние, а при вдыхании поддерживает жизнь и что основой этих процессов является реакция окисления веществ. Ошибочно пологая, что кислород входит в состав всех кислот, Лавуазье назвал новый газ кислородом - oxygenium (от грческого слова oxys - кислый и genoc - рождение).

Кислород при обычной температуре и атмосферном давлении является бесцветным газом, не имеющим запаха, вкуса и несколько более тяжелым, чем воздух - относительная (к воздуху) плотность кислорода d = 1,1.

Масса 1 кислорода при 0°С (273 °К) и 760 мм рт.ст. равна 1.43 кг, при 20°С (293 °К) и том же давлении она составляет 1.33 кг.

При охлаждении кислорода под атмосферным давлением до -183 °С (точнее -182,97 °С) он превращается в прозрачную голубоватую жидкость, легкокипящую и быстро испаряющуюся при комнатной температуре. При дальнейшим охлаждении до -218,7°С жидкий кислород переходит в твердое состояние - голубые кристаллы плотностью 1,46 .

При испарении 1 кг жидкого кислорода образуется 750 (0,75 ) газа, отнесенного к стандартным условиям (20 °С и 760 мм рт.ст.). При испарении 1 (1,132 кг) жидкого кислорода образуется 850 (0,85 ) газа при стандартных условиях.

Жидкий кислород, подвергнутый продолжительному воздействию тихого электрического заряда, частично переходит в озон - темно-голубую легко взрывающуюся жидкость.

Газообразный кислород, так же как и азот, способен растворяться в воде. Растворимость кислорода в воде незначительна и составляет 0,031 в 1 воды при 20 °С и атмосферном давлении; при 0 °С растворимость увеличивается до 0,049 в 1.

Кислород в газообразном, Жидком и твердом состоянии обладает магнитной восприимчивостью, т.е. его частицы под действием магнита способны намагничиваться и притягиваться к магнитным полюсам.

1.2 Состав воздуха

Атмосферный воздух является сырьем для получения кислорода, азота, аргона, неона, криптона и ксенона. Основное промышленное значение при разделении воздуха имеет метод ректификации, основанный на различии составов, находящихся в равновесии жидких и паровых смесей.

Основными компонентами воздуха являются азот, кислород и аргон. Аргон, несмотря на небольшое содержание, существенно влияет на процесс ректификации, так как точка кипения аргона лежит между точками кипения азота и кислорода. Поэтому при рассмотрении процесса ректификации воздух рассматривают как тройную смесь, состоящую из 20,95% , 0,93% Ar и 78,12% .

Низкокипящие инертные газы (неон и гелий) и высококипящие (криптон и ксенон) не влияют на процесс ректификации вследствие очень малого содержания их в воздухе и значительного отличия их температуры от температуры основных компонентов. Количество этих газов учитываются лишь при извлечении их из воздуха. В незначительном количестве в воздухе содержатся водород и озон. Содержание двуокиси углерода в воздухе в среднем составляет 0,03мол.%. Количество водяного пара зависит от атмосферных условий. Кроме указанных компонентов, в воздухе содержатся такие примеси, как углеводороды, окись углерода, закись азота и другие природные и промышленные газы, а также пыль.

Международным соглашением в 1947 г. в качестве стандартного принят состав сухого воздуха, приведённый в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Компонент	Молекулярная масса	Содержание в воздухе, мол.%	Температура кипения (К) при 101.3 кПа
Азот	28,013	78,12	77,36
Кислород	31,998	20,95	90,18
Аргон Ar	39,948	0,93	87,29
Неон Ne	20,183	18,2*10-4	27,09
Гелий He	4,0026	5,24*10-4	4,215
Криптон Kr	83,80	1,14*10-4	119,78
Ксенон Xe	131,3	0,087*10-4	165,03
Водород H	2,016	0,5*10-4	20,38
Озон	48,00	0,02*10-4	161,25

Молекулярная масса свободного от водяных паров и двуокиси углерода (сухого) воздуха равна 28,966 г/моль.

Немного интересных фактов из истории атмосферы нашей планеты. Как мы знаем, состав воздуха всегда постоянен, как бы не потребляли входящие в его состав газы. Допустим кислород продуцируется в процессе фотосинтеза растениями. Но откуда он мог взяться, когда растений еще не было? Оказалось, что пополнение кислорода в атмосфере происходит в процессе дегазации базальтовой магмы в рифтовых щитах на дне морей и океанов. Заметите, не только кислорода, а еще азота и других газов. Та же самая дегазация происходит в жерлах наземных вулканов, но пополнению атмосферы газами мешает их окисление. Что касается фотосинтеза, то 80% кислорода, вырабатываемого этим процессом, приходиться на фитопланктон и водоросли, а остальные 20% на растения суши. Не забываем, что и сами растения поглощают кислород из атмосферы при отсутствии света.

1.3 Способы получения кислорода

1. Химические способы. Первоначально применялись только

способы, основанные на свойствах некоторых веществ (например, бертолетовой соли, перекиси бария и др.) в определенных условиях выделять . При нагревании 1 кг бертолетовой соли КСl выделялось 270 кислорода.

Окись бария ВаО при нагревании до 540 °С ( или до 650°С под давлением) поглощает кислород из атмосферного воздуха, образуя перекись бария Ва. При дальнейшем нагревании до 870°С (или до 650°С при пониженном давлении) перекись бария разлагается, переходя снова в окись бария, и выделяет поглощенный кислород по реакции

Используя окись бария, можно получать из воздуха около 70 кислого на 1 кг ВаО. Этот способ, предложенный братьями Брин в 1880 г. явился промышленным методом получения кислорода, используя который на заводе «Бритишь Оксиджен Компани» (Англия) в 1907 г. было выработано 280 тыс. технического кислорода. Однако в последующие годы он был вытеснен другими способами: сначала электролизом воды, а затем - низкотемпературной ректификацией.

Кислород можно получить, пропуская двуокись углерода через свинцовокислый кальций при 700°С; разложением марганцовистокислого натрия водяным паром при 450°С; воздействием серной кислоты на бихромат калия

Перекись натрия или перекись калия , а также надперекись натрия выделяют кислород при взаимодействии с парами воды и двуокисью углерода. Из1 кг перекиси калия получается 90 - 100 , из 1 кг перекиси натрия - до 140 кислорода.

Есть способы получения кислорода из воздуха попеременным окислением и восстановлением окислов хрома, нанесенных на силикагель по реакции

В зоне окисления температура равна 400°С, а в зоне восстановления высших окислов хрома и выделения кислорода - выше 250 °С.

Салькомин - искусственно приготовляемое зернистое вещество, сходное по составу с гемоглобином крови, способно поглощать из воздуха кислород и отдавать его обратно при изменении давления и температуры. При поглощении кислорода выделяется теплота, а при отдаче кислорода теплота поглощается.

Химические способы получения кислорода не имеют промышленного значения, так как они малопроизводительны. Их иногда применяют для получения небольших количеств кислорода в лабораторной практике и в других случаях.

2. Электролиз воды. При пропускании постоянного электрического тока через воду , в которую для повышения электропроводности добавлена гидроокись натрия (едкий натр), вода разлагается на водород и кислород. Кислород собирается у положительного полюса, водород - у отрицательного. На 1 кислорода получается 2 водорода. Аппараты для получения кислорода и водорода электролизом называются электролизерами. Процесс электролиза требует много электроэнергии. Поэтому данный процесс экономически целесообразен только при очень низкой стоимости электроэнергии (например, энергии гидроэлектростанции) и главным образом используется для получения чистого водорода, а кислород является побочным продуктом.

3. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения.

Атмосферный воздух представляет смесь азота, кислорода, аргона и редких газов, не связанных между собой химически. Приближенно воздух можно рассматривать как смесь только азота и кислорода, поскольку аргона и редких газов можно в нем содержится меньше 1%.

Разделение воздуха является достаточно сложной технической задачей, особенно если он находится в газообразном состоянии. Этот процесс облегчается, если предварительно воздух перевести в жидкое состояние сжатием, расширением и охлаждением, а за тем осуществить его разделение на составные части, используя разность температур кипения азота и кислорода. Под атмосферным давлением жидкий азот кипит при -195,8°С, жидкий кислород при -187,97°С. Если жидкий воздух постепенно испарять, то сначала будет испаряться преимущественно азот, обладающий более низкой температурой кипения, по мере улетучивания азота жидкость будет обогащаться кислородом. Повторяя процесс испарения и конденсации многократно, можно достичь желаемой степени разделения воздуха на азот и кислород требуемых концентраций. Такой процесс многократного испарения и конденсации жидкости и ее паров для разделения их на составные части называется ректификацией. Поскольку данный способ основан на охлаждении воздуха до очень низких температур, он называется способом глубокого охлаждения. Получение кислорода из воздуха глубоким охлаждением - наиболее экономично, вследствие чего этот метод нашел широкое применение в промышленности. Глубоким охлаждением и ректификацией воздуха можно получать практически любые количества дешевого кислорода или азота.

1.4 Промышленное применение кислорода

Возможность использования кислорода для интенсификации технологических процессов давно привлекала внимание исследователей. Еще в 1903 г. Д.И. Менделеев высказал мысль об использовании кислорода в промышленности «для интенсификации процессов горения и металлургических». Рассмотрим кратко области применения кислорода.

1. Химическая промышленность. На химических предприятиях потребляют большие количества кислорода, который получают из атмосферного воздуха одновременно с производством чистого азота, необходимого для производства синтетического аммиака и азотной кислоты. На некоторых заводах используют кислород, получаемый в качестве побочного продукта при производстве водорода электролизом воды.

Развитие химической промышленности базируется на широком использовании в качестве основного сырья природного газа, попутных нефтяных газов и газов нефтепереработки. Благодаря этому удалось достичь резкого увеличения выпуска азотных удобрений, химических волокон, пластмасс и других синтетических материалов. Для производства ряда важных химических продуктов требуются большие количества кислорода и азота, как это видно из следующих данных:



По масштабам применения технологического кислорода и азота химическая промышленность занимает второе место после металлургии. Потребность в технологическом кислороде комбината технологическом составляет кислороде современного крупного химического комбината составляет 60-100 тыс. /ч. Использование кислорода в химии открывает дополнительные возможности интенсификации процессов, создания более компактных, высокопроизводительных агрегатов и автоматизации производства. Ниже дается краткое описание некоторых процессов, требующих для своего осуществления значительных количеств кислорода.

Газификация твердых топлив в кипящем слое. Способ непрерывной газификации в кипящем слое пригоден для низкосортных топлив - бурых углей, лигнитов и торфа. Мелкозернистое топливо находится в шахте газогенератора в непрерывном движении и взвешенном состоянии, образуя кunящий слой. Топливо загружается сверху, а дутье подается снизу. Используя паровоздушное дутье (58% пара 19% азота и 23% кислорода), вырабатывают полуводяной газ (30-33% водорода, 33-34% % окиси углерода, остальное - азот и двуокись углерода), потребляемый как сырье для производства синтетического аммиака. При парокислородном дутье (30 - 35% кислорода, остальное - водяной пар) образуется водяной газ (40 - 41% водорода, 28 - 36% окиси углерода, остальное - азот и двуокись углерода), используемый для синтеза спиртов и производства водорода

Каталитическая конверсия природного газа (метана). Этот процесс широко применяется при получении исходной азото-водородной смеси для производства синтетического аммиака и смеси водород-окись углерода, используемой для синтеза метанола, высших спиртов и альдегидов. Конверсия метана вытеснила процессы газификации кокса на химических заводах. Выработка аммиака из природного газа экономически выгодна, так как при этом снижаются капитальные затраты и себестоимость по сравнению с таковыми при потреблении кокса.

Высокотемпературная конверсия метана. Реакция частичного окисления метана без катализатора протекает при 1400-1500°С по схеме:

Получаемый газ содержит 34,7% СО и 62,0% . Одним из преимуществ высокотемпературной конверсии является высокая скорость реакции, что уменьшает размеры аппаратуры. Однако при этом способе на единицу продукта используется на 10 - 12% больше природного газа, чем при калорической конверсии. Соответственно повышается удельный расход кислорода.

Низкотемпературное окисление углеводородов попутных нефтяных газов. Попутные нефтяные газы служат сырьем для производства спиртов и альдегидов методом низкотемпературного окисления кислородом этана и пропана, содержащихся в попутных газах. Остаточные газы процесса используются для синтеза аммиака. Попутный нефтяной газ окисляют в реакторе. Таким способом получают метанол, ацетальдегид и формальдегид, а также небольшие количества этилового спирта, ацетона и др.

Получение ацетилена из природного газа. Ацетилен используют для синтеза важнейших химических продуктов: ацетальдегида, уксусной кислоты, этилового спирта, винилацетата, трихлорорэтилена, акрилонитрила и др. Ацетилен получают не только энергоемким карбидным способом, но также окислительным пиролизом метана в смеси с кислородом при 1300-1500°С по реакции:

Ацетилен, получаемый этим способом называется пиролизным. На производство 1 т пиролизного ацетилена расходуется в среднем 3600 кислорода, 6400 природного газа и 5,7 т пара.

Производство азотной кислоты. Кислород применяют в производстве разбавленной и крепкой азотной кислоты. Кислоту получают непосредственно из окислов азота так называемым прямым синтезом. Для выработки разбавленной азотной кислоты используется кислород, являющийся побочным продуктом азотных воздухоразделительных установок. Кислород интенсифицирует процесс конверсии аммиака и переработки нитрозных газов в кислоту. Крепкую азотную кислоту получают в автоклаве под давлением 50кгс/. На 1 т крепкой азотной кислоты расходуется 150 кислорода.

2. Черная металлургия. По количеству потребляемого кислорода эта часть отрасли занимает первое место. Кислород применяют в процессах получения чугуна и стали, а также для зачистки и резки металла в прокатном производстве и резки горячих слитков в установках непрерывной разливки стали. Потребность в кислороде современного крупного металлургического комбината достигает 150 - 250 тыс. /час.

В доменных печах при выплавке чугуна кислородом обогащают воздух, вдуваемый в печь для сжигания загруженного кокса и подаваемого природного газа. При сравнительно небольшом обогащении дутья кислородом (до 25-28%) удается на 15-20% увеличить производительность доменной печи при выплавке доменных ферросплавов, применять более бедные руды и снизить расход топлива при выплавке чугуна. Для доменной печи требуются очень большие количества кислорода.

Особенно эффективно использование кислорода в сочетании с природным газом в доменном производстве. В этом случае при содержании кислорода в дутье 30-35% производительность возрастает на 30%, удельный расход кокса снижается на 25 - 40%.

В мартеновских печах кислород применяют для обогащения воздуха, подаваемого в форсунки печи при выплавке стали, а также при продувке жидкого расплавленного металла с целью удаления из него углерода и вредных примесей. Кислород резко ускоряет процесс плавки, повышает производительность сталеплавильных печей, улучшает качество и снижает себестоимость стали, дает значительную экономию топлива.

В кислородно-конвертерном производстве выплавки стали применение кислорода особенно эффективно. Этот метод заключается в том, что жидкий чугун продувается технически чистым кислородом в конверторе. Кислород периодически подается в конвертор через горловину и, воздействуя на жидкий металл, окисляет углерод и примеси в металле. По сравнению с мартеновским кислородно-конвертерный способ производства стали характеризуется более высокой производительностью, меньшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Оборудование кислородно-конверторного цеха проще, чем мартеновского, что сокращает срок строительства сталеплавильных цехов. Кислородно-конвертерным способом выплавляют широкий ассортимент марок сталей, по качеству превышающих мартеновские.

В электропечах при выплавке легированных сталей применение кислорода дает большой экономический эффект.

Металлургические заводы являются также крупными потребителями 99% и 99,8% азота, используемого соответственно для продувки межконусных пространств загрузочных устройств доменных печей и для создания защитной среды при выплавке металла.

3. Литейное производство. Кислород вдувается в фурмы вагранок с целью улучшения процесса горения топлива и повышения температуры чугуна. Это увеличивает производительность вагранок, способствует уменьшению брака литья и дает экономию топлива. При более высокой температуре разливаемого металла облегчается получение так называемого модифицированного чугуна, обладающего повышенными прочностью и сопротивлением изгибающим и ударным нагрузкам.

4. Цветная металлургия. Применение кислорода для обогащения дутья при выплавке меди, цинка, никеля, свинца и других металлов интенсифицирует эти процессы, способствует повышению производительности агрегатов, увеличению выхода цветных металлов и снижению их себестоимости; дает возможным использовать более бедные руды, переработка которых прежде считалась нерентабельной. В цветной металлургии кислород используется:

1, при шахтной плавке свинцово-цинкового агломерата, фьюминговании шлаков и обжиге цинковых концентратов в печах с кипящем слоем;

2, при шахтной плавке окисленных никелевых руд, сульфат-хлорируемом обжиге никелевого огарка и непрерывным конвертировании никелевых штейнов;

3, при шахтной плавке медного рудного агломерата, конвертировании медных штейнов и плавке медных концентратов во взвешенном состоянии.

Применение кислорода не только повышает технико-экономические показатели процессов выплавки цветных металлов, но и улучшает условия труда рабочих, обслуживающих плавильные агрегаты, что для цветной металлургии имеет особо важное значение, так как эти процессы связаны с выделением большого количества вредных газов и паров.

Кислород в цветной металлургии открывает возможность комплексного извлечения и использования ценных продуктов, содержащихся в отходных газах.

5. Сварка и резка. При сварке и резке металлов применяются 98,5

99,7% кислород. Для газовой сварки и других процессов газопламенной обработки кислород смешивают с горючим газом с целью интенсификации процесса горения и получения пламени с высокой температурой, требующейся для быстрого нагрева и расплавления металла.

При резке кислородом стали металл нагревается по линии реза до высокой температуры газо-кислородным пламенем, затем пускается струя чистого кислорода, которая режет металл, сжигая его по узкой полосе намеченного контура резки. С помощью кислорода можно резать стальные слитки, болванки и плиты толщиной до 1200 мм и более.

Аргон , азот, кислородно-аргонную смесь и другие газовые смеси применяют при плазменно-дуговой резке, наплавке и сварке металлов.

Рисунок: 1 -- форсунка; 2 -- корпус горелки; 3 -- камера сгорания; 4 -- головка горелки; б -- переходник; 6 -- кожух; 7 -- башмак; 8 -- сопло

Огневое бурение твердых пород. Бурение производится вращающейся со скоростью 10-20 об/мин буровой штангой с укрепленной на ее конце цилиндрической горелкой, в камере которой под избыточным давлением 5 - 6 кгс/см2 сгорает керосин в смеси с газообразным кислородом. Продукты сгорания под действием внутрикамерного давления выходят в виде раскалённой струи с температурой около 3000°С через сопла горелки со сверхзвуковой скоростью (2000м/сек) и разрушают каменную породу.

Диаметр скважины от 150 до 400 мм, давление кислорода 10 кгс/см2, керосина 5 - 6 кгс/см2. Горелка выполнена из меди и охлаждается водой. Огневое бурение применяют для ускорения проходки скважин в твердых скальных породах; скорость бурения этим способом примерно в 7 раз выше, чем при ударно-катаном бурении.

6. Прочие области применения кислорода. Кислород используется в медицине, кислородно-дыхательных аппаратах при высотных полетах, для спасательных работ под землей, в микробиологии, в целлюлозно-бумажной промышленности, в цементном производстве. Кислород играет немаловажную роль и в развитии авиации и ракетной технике, являясь одним из лучших окислителей топлива в реактивных двигателях и ускорителях. Перспективным потребителем кислорода является энергетика, где кислород может применяться для повышения температуры в камерах сгорания МГД-генераторов.

Размещено на http://allbest.ru

1.5 Процесс дросселирования

Адиабатное расширение газа от постоянного давления р₁ до постоянного давления р₂ без совершения внешней работы называется дросселированием.

Для практического осуществления этого процесса на пути газа устанавливается какое-либо гидравлическое сопротивление:дроссельный вентиль, заслонка, калиброванное отверстие и т. п.

Джоуль и Томсон подходили к исследованию этого процесса следующим образом (рис. 1.2). По медной трубке 3 медленно протекал установившийся поток газа, проходя через пробку 2, защищенную экранами 1. В процессе фиксировались изменения температуры t₂ при изменении перепада давлений Др. Рассмотрим элементарный объем медленно текущего потока газа в двух сечениях на достаточно большом удалении по обе стороны от пробки, где движение можно считать установившимся. Над этим элементом в первом сечении совершается работа входа, а во втором сечении газ совершает работу при выходе. Сумма этих работ с точностью до кинетической энергии выделенного элемента равна:

Тогда согласно первому закону термодинамики получим:

,(1.1)

откуда при условии отсутствия теплообмена с внешней средой (Q=0) следует:

,(1.2)

или

,(1.3)

При выводе не делалось никаких предположений о свойствах газа; поэтому полученный результат справедлив как для идеального, так и для реального газов; при дросселировании энтальпия газа не изменяется.

В случае идеального газа внутренняя энергия не зависит от объема, а в процессе дросселирования газ не совершает внешней работы и отсутствует теплообмен с окружающей средой, поэтому внутренняя энергия должна оставаться постоянной. В этом случае при u₁=u₂ неизбежно равенство p₁v₁=p₂v₂, что соответствует уравнению изотермы. Таким образом, при дросселировании идеального газа имеем:

.(1.4)

Внутренняя энергия реального газа зависит от объема; поэтому при дросселировании внутренняя энергия, а следовательно, и температура будут изменяться (температура может уменьшаться или увеличиваться).

В этом случае

du> 0; dT ^<_>0;dh= 0 (h=const). (1.5)

Процесс дросселирования необратим, и создать снова первоначальное давление невозможно без затраты работы. Процесс дросселирования идеального газа необратим полностью, так как он не сопровождается никакими эффектами, которые могли бы способствовать возвращению в исходное состояние. Процесс дросселирования реального газа частично обратим (весьма незначительно), так как он сопровождается изменением температуры; при этом создается тепловой резервуар с температурой более высокой или более низкой, чем температура окружающей среды, и существует возможность использования этого перепада температур для получения работы (а полученная работа может участвовать в возвращении газа в исходное состояние).

Определим изменение температуры реального газа при дросселировании из полного дифференциального уравнения энтальпии, принимая dh=0:

, (1.6)

Величина (?Т/?р)_i=a_i называется дифференциальным эффектом Джоуля -- Томсона и определяет изменение температуры при бесконечно малом падении давления в процессе дросселирования. Уравнение справедливо как для газов, так и для жидкостей. В этом уравнении величина в -- коэффициент теплового расширения.

Практически при дросселировании всегда имеется конечная разность давлений и поэтому для такого процесса

(1.7)

Размещено на http://allbest.ru

Это выражение определяет так называемый интегральный эффект процесса Джоуля -- Томсона (изменение температуры при конечной разности давлений). В инженерных расчетах уравнение (1.7) решается с помощью S--T - диаграммы (рис. 1.3), на которой нанесены изоэнтальпы. Из уравнений (1.6) и (1.7) следует, что знак эффекта дросселирования может быть различным.

Если то T₂<T₁ (имеет место охлаждение), поскольку p₂ всегда меньше p₁ ; если < 0, то Т₂ > Т₁, что соответствует нагреванию. Изменение знака дроссель-эффекта называется инверсией. В точке инверсии . Состояния, в которых =0, определяются уравнением кривой инверсии

(1.8)

или

(1.9)

Кривая инверсии разграничивает области положительного дроссель-эффекта (охлаждение) и отрицательного дроссель-эффекта (нагревание). Для качественной оценки инверсии воспользуемся законом соответственных состояний. При подстановке безразмерных соотношений уравнение (1.9) примет вид:

(1.10)

Производная определяется из уравнения приведёного уравнения ван-дер-Ваальса. После математических преобразований уравнение кривой инверсии в относительных (приведенных) величинах для газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса, имеет такой вид:

(1.11)

или

(1.12)

Размещено на http://allbest.ru

График этой кривой дан на рис. 1.4. Область внутри кривой соответствует положительному дроссель-эффекту. Если фиксировать температуру () и изменять давление, то будет одна точка инверсии, а при фиксировании давления -- две точки инверсии: c и d. Действительно, существование одной точки инверсии в области пара, а другой в области жидкости доказано экспериментально.

В соответствии с рис. 1.4 и выражением (1.12) для каждого вещества существует максимальная температура инверсии при , выше которой при любых давлениях дроссель-эффект отрицателен. Эта температура инверсии называется верхней, и для газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса, равняется:

(1.13)

Кривая инверсии в координатах S--Т (рис. 1.3) проходит через экстремальные значения изоэнтальп (h=const) и асимптотически приближается к верхней температуре Т_инв как к температуре инверсии малых давлений (изоэнтальпы здесь горизонтальны). Для воздуха, например, Т_инв =603°К, для водорода Т_инв =204° К и для гелия Т_инв =40°К. Как видно из рис. 1.4, для того чтобы охладить газ любого давления при дросселировании, необходимо прежде всего понизить его температуру Т₀ ниже верхней температуры Т_инв. Если последнее условие выполнено, то возникает вопрос: до какого давления Р) следует первоначально сжать газ, чтобы получить максимальный интегральный эффект ДТ при известной начальной температуре Т₀ (где Т₀ -- обычно температура окружающей среды или температурапредварительного охлаждения)? Продифференцировав уравнение (1.7) по р и приравняв нулю полученное выражение, найдем: =0.

Это выражение является условием того, что искомая точка (точка а на рис. 1.4) лежит на кривой инверсии. Впрочем, сказанное ясно и из чисто геометрического рассмотрения рис. 1.4: при расширении из точки а до в величина ДТ больше, чем при расширении от точки 1 до точки 2. Однако практически целесообразное давление сжатия может быть меньше давления точки инверсии, как это имеет место, например, в случае сжатия воздуха (при T= 300°К ограничиваются давлением р = 200--230 ат вместо 390 ат).

Для газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса, в соответствии с (1.7) дифференциальный эффект Джоуля и Томсона равен:

(1.14)

В области малых плотностей и высоких температур справедливы неравенства: v>>а и v> b; тогда для этого случая можно написать:

(1.15)

Следовательно, при небольших давлениях величина сц для данного газа зависит только от температуры. Действительно, Джоуль и Томсон, которые проводили опыты до давлений 6 ат и в диапазоне температур 273--373° К, получили эмпирическую зависимость

(1.16)

где а₀ -- постоянная (для воздуха а₀ = 0,268 град/aт).

В области газообразного состояния при уменьшении Т дифференциальный эффект дросселирования увеличивается. Это соотношение справедливо только для малых давлений и нарушается с момента начала ожижения. При увеличении плотности газа величина a_i начинает зависеть от давления. Более поздними опытами установлено, что a_i уменьшается в линейной зависимости от начального давления

[град/ат] (1.17)

Для воздуха, например, a₀ =0,268 и b₀ =0,00086, так что влияние давления на величину a_i может практически сказываться только при давлениях в несколько десятков атмосфер.

Для получения большего интегрального эффекта начальную температуру процесса дросселирования следует понижать.

Полезно отметить, хотя это и выходит за рамки рассмотрения собственно процесса дросселирования, что с точки зрения уменьшения необратимости и повышения экономичности (термодинамического к.п.д.) температуру начала процесса дросселирования целесообразно было бы понижать даже в том случае, если интегральный эффект при этом оставался бы постоянным. Однако с точки зрения увеличения холодопроизводительно-сти использование предварительного охлаждения при этом условии было бы лишено всякого смысла. Роль предварительного охлаждения сводится к созданию теплового резервуара с температурой Т'₀ более низкой, чем температура окружающей среды Т₀. В результате интегральный эффект увеличивается и тем самым уменьшается необратимость.

В инженерных расчетах наряду с интегральным температурным эффектом дросселирования часто необходимо определять интегральный тепловой эффект дросселирования. Если сравнить два состояния, изображаемые точками 0 и 2 на рис. 1.3, то разность энтальпий h₀ -- h₂ = h₀ -- h₁ = --Дh_T определит количество тепла, которое можно отнять у тела, находящегося при температуре окружающей среды, используя эффект понижения температуры при дросселировании, то есть величина (--Дh_T) в этом случае (при положительном дроссель-эффекте) определяет холодопроизводительность.

Нетрудно заметить, что разность энтальпий h₀ -- h₂ = h₀ -- h₁ = --Дh_T названная тепловым эффектом дросселирования, обусловлена процессом изотермического сжатия реального газа и в точности равна изменению энтальпии при изотермическом сжатии. В связи с этим величина Дh_T = h₁ -- h₀ часто называется изотермическим эффектом дросселирования. Поэтому для элементарных процессов изотермического сжатия и дросселирования можно записать:

(1.18)

где-- изменение энтальпии в элементарном процессе изотермического сжатия.

В свою очередь

(1.19)

Таким образом,

(1.20)

где производная определяет характер изменения степени сжимаемости (числа Амага) реального газа.

Эти соотношения вскрывают физическую сущность явлений инверсии и четко определяют эффект дросселирования как эффект термодинамических свойств данного газа. Знак производной (изотермическое сжатие) всегда одинаков; внутренняя энергия любого газа в процессе изотермического сжатия уменьшается. Для газа, подчиняющегося, например, уравнению Ван-дер-Ваальса, это уменьшение определяется так:

(1.21)

Размещено на http://allbest.ru

Поэтому в уравнении (1.20) слагаемое -- всегда определяет положительную часть величины a_i. Знак и абсолютная величина второго слагаемого -- в уравнении (1.20) может меняться. Как видно из рис.1.5, для области состояний, ограниченных осью ординат и кривой Бойля (область большей сжимаемости), производная <0, в остальной же области состояний она положительна. В точках кривой Бойля величина =0.Таким образом, в области большей сжимаемости (рис. 1.5) величина a_i всегда положительна (a_i > 0), то есть при дросселировании температура газа понижается (dT<0). В области других состояний, где >0, величина a_i и ее знак определяются абсолютными величинами слагаемых и

Изменение внутренней энергии газа в процессе дросселирования можно найти следующим образом (обозначения по рис. 1.3):

Вычитая это выражение из уравнения (1.21), получим:

(1.22)

Для воздуха, например, при дросселировании с 200 до 1 ат и начальной температуре Т₀=300° К величина

ккал/кг

то есть в процессе дросселирования воздуха внутренняя энергия несколько увеличивается, однако она остается меньше значений внутренней энергии в состояниях, изображаемых изотермой Т_о, в результате чего и наблюдается понижение температуры.

В случае дросселирования водорода или гелия при такой же начальной температуре внутренняя энергия также возрастает, но при этом она становится больше значений внутренней энергии в состояниях, соответствующих изотерме Т_о, и температура газа повышается.

В конечном итоге, осуществив последовательно процессы изотермического сжатия воздуха до 200 am при Т0 = 300° К и его дросселирования до 1 am, удается уменьшить внутреннюю энергию на 8,77--2,94 == 5,83 ккал/кг и понизить температуру на 34°К. Возможности дросселирования этим исчерпаны. Для большего понижения температуры необходимо дальнейшее уменьшение внутренней энергии и энтропии.

1.6 Расширение в детандере

С термодинамической точки зрения процесс изоэнтропного расширения (обратимый адиабатный процесс) является наиболее эффективным в низкотемпературных циклах, так как он не сопровождается возрастанием энтропии. Работа, совершаемая газом в этом процессе и отводимая в виде полезной работы, в точности равна величине работы, необходимой для обратного сжатия газа от состояния 2 до состояния 1' (рис. 1.1).

Размещено на http://allbest.ru

Для данной термодинамической системы (рис. 1.6) имеем (для 1 кг рабочего тела):

(1.23)

Таким образом, работа детандера, в котором осуществляется расширение газа, равна разности энтальпий рабочего тела при входе и выходе:

(1.24)

Здесь h_вх и h_вых -- энтальпии заторможенных потоков. Если потоки не могут рассматриваться заторможенными, то работа детандера определится так:

(1.25)

где с_вых и с_вх -- скорости потоков при выходе и входе в исследуемую систему;

h_вх и h_вых -- энтальпии движущегося газа.

Величина изменения температуры в изоэнтропном процессе расширения определится следующим образом.

При условии S = const из полного дифференциального уравнения энтропии получим:

(1.26)

откуда

(1.27)

или

(1.28)

где

Сравнивая последнее с выражением (1.6) для а_i, получим:

(1.29)

или

(1.30)

Разделив выражения (1.30) и (1.28) друг на друга, найдем отношение величин a_i и a_s:

(1.31)

Из полученных соотношений можно установить следующее:

1.Величина a_s -- значительно положительная величина в любой области состояний рабочего тела, физически допускающих расширение.

2.С увеличением температуры величина a_s возрастает; при этом соответственно увеличивается и работа расширения, то есть величина h₀.

3.С увеличением давления, то есть при уменьшении удельных объемов и увеличении плотности рабочего тела, величина a_s уменьшается.

4.В окрестности критических состояний и в области состояний кипящей жидкости величины a_s и наиболее близки друг к другу, и в этой области технически сложное устройство для расширения рабочего тела (детандер) без существенного ущерба может быть заменено простым дроссельным вентилем. Соотношения между a_s и a_i зависят от рода газов и газовых смесей. Например, для метана в области температур около 293° К и давлений около 60 am отношение величин . Для воздуха в области этих же температур и давлений данное соотношение . Чем больше отношение , тем выгоднее процесс дросселирования.

Суммарный эффект охлаждения реальных газов при адиабатном расширении в машине по аналогии с дроссель-эффектом может быть представлен состоящим из эффекта, обусловленного действием внутренних сил (при постоянном объеме) а_U и внешней работой a_pdv:

(1.32)

Размещено на http://allbest.ru

Доля эффекта охлаждения за счет внутренних сил по сравнению с общим эффектом охлаждения a_s зависит от давления и температуры. При р>0 отношение; следовательно, внутренние силы не производят действия, так как молекулы удалены друг от друга. На рис. 1.7 даны зависимости изменения величины отношения для воздуха от давления при разных температурах.

1.7 Сравнение процессов в дросселе и в детандере

Как уже отмечалось выше, процесс дросселирования уступает адиабатному расширению с отдачей внешней работы с точки зрения термодинамики. Это связанно с тем, что в процессе адиабатного расширения энтропия не возрастает. В реальных конструкциях детандерных машин существующие необратимые потери вызывают увеличение энтропии, и абсолютная величина изменения температуры ДТ оказывается существенно меньше, чем в идеальном процессе, но всё же перепад температуры ДТ остаётся больше перепада температуры при дросселировании. Совокупность потерь оценивается обычно адиабатным к.п.д. Адиабатный к.п.д. современных детандеров находится на достаточно высоком уровне: около 60% для малых машин и до 90% для крупных турбин. Так же стоит отметить, что отведённая от рабочего тела работа, может быть полезно использована (способы отведения работы с вала детандера описаны в 4.1.2). То есть замена дросселя на детандер приводит к увеличению производительности.

В криогенных циклах, использующих криагенты с низкой температурой инверсии (например для водорода Т_инв =204°К, для гелия Т_инв =40°К), в пусковом периоде необходимо сначала понизить температуру перед дросселем ниже температуры инверсии, при этом не пропускать газ через сам дроссель, тем самым не допуская его нагрев, а соответственно и нагрев обратного потока. В таких установках применение детандера позволяет сократить пусковой период, за счёт того, что охлаждение будет происходить не только в ступени предварительного охлаждения, но и в детандер.

Конструкция детандера значительно сложнее конструкции дросселя. Наличие постоянно вращающегося с большой частотой ротора позволяет говорить о меньшей надёжности турбодетандера перед дросселем. Так же стоимость детандера зачастую выше, чем у дроссельного вентиля.

Дроссельный вентиль конструктивно прост, относительно дешев, что позволяет широко применять его в различных серийных низкотемпературных установках. Применение турбодетандеров целесообразней в средних и крупных промышленных низкотемпературных установках. Применение детандера вместо дросселя позволяет увеличить производительность и снизить удельные энергетические затраты на получение холода или криогенных жидкостей.

Глава 2. Установка Кж-1.6

2.1 Описание установки

Установка Кж-1.6 -крупная установка, обеспечивающая экономичное получение продуктов разделения воздуха в жидком виде. Она предназначена для получения:

*Только жидкого кислорода

*Только жидкого азота

*Одновременно жидкого кислорода и азота.

Нас интересует получение технического жидкого кислорода, чистотой 99,5%. Поэтому дальнейшие расчеты будут привязаны именно к этому.

В технологической схеме установки используется холодильный цикл высокого давления с поршневым детандером, установленным на температурном уровне 3 - 5°С.

Установка была спроектирована в СССР и в последующее время не модернизировалась. По той же причине, к сожалению, не осталось подробной информации о работе, устройству и оснащению установки. Сохранилось лишь краткое описание, схема и некоторые параметры работы. Данная информация была найдена в справочниках по основам глубокого охлаждения и будет представлена в следующем параграфе.

Все оборудование установки: теплообменные аппараты, теплоизоляция, система очистки, ректификационная колонна, аппараты для перекачки, хранения и транспортировки продуктов разделения и.т.д - было рассчитано так, чтобы обеспечить максимальное кпд при данной производительности. Считаем, что данное оборудование находиться в хорошем рабочем состоянии и имеет хорошие технические характеристики.

Описание установки. Атмосферный воздух через фильтр 1 (рис. 2,1) засасывается поршневым компрессором с сжимается последовательно в пяти ступенях. После II ступени воздух последовательно проходит через насадку скрубберов 6, орошаемую раствором щелочи, для очистки от двуокиси углерода, после чего через отделитель щелочи направляется в III ступень компрессора (раствор щелочи приготовляется в баке 3). Из V ступени воздух под избыточным давлением 180 атм направляется в змеевик дополнительного холодильника 16, где охлаждается водой, предварительно прошедшей азотно-водяной испарительный охладитель 14. Затем через масло-влагоотделитель 15 воздух поступает в ожижитель 18, где охлаждается до 3°С потоком отходящего азота. Из ожижителя воздух поступает (через влагоотделители 17 и 9) в адсорберы 7 и 8 блока осушки, где активным глиноземом из воздуха удаляется влага.

Поток осушённого воздуха, пройдя через фильтры 10, разделяется на 2 части. Одна часть (50-55%) направляется в поршневые детандеры 12, где расширяются до избыточного давления 6 атм, охлаждается при этом до 132 - 135°К и через фильтры 19 и 20 из ткани, удерживающие частицы твердого масла, поступают в куб нижней колонны 23. Остальная часть сжатого воздуха поступает в основной теплообменник 22, охлаждается потоком отходящего азота до 103°К и дросселируется в середину нижней колонны, где подвергается ректификации.

Кубовая жидкость через силикагелевые адсорберы ацетилена 21 поступает в переохладитель 24 и затем подается на соответствующую тарелку верхней колонны 25. На верхнюю тарелку верхней колонны через переохладитель 24 и азотный расширительный вентиль подается азотная флегма из карманов основного конденсатора 26. Жидкий 99,5% кислород сливается из основного конденсатора в цистерну через переохладитель 27, мерник 28 и фильтр 32.

Производительность установок описанной схемы составляет 1600 кг/ч жидкого кислорода. Пусковой период установки 6 - 8 часов, продолжительность рабочей компании 4 - 6 месяцев.

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 2.1.

2.2 Технические характеристики

Производительность ……. 1600 кг/ч

Концентрация кислорода ……. 99,5%.

Количество перерабатываемого воздуха ……. 6000 кг/ч

Давление сжатия в компрессоре ….. 180 атм.

2.3 Принципиальная схема. Основные параметры точек цикла

Отличительной особенностью схем с детандером является то, что с их помощью могут сжижаться газы с отрицательным дроссель-эффектом при температуре окружающей среды (Тос). Схема, где газ в детандер попадает при Тос считается очень экономичной по расходу энергии.

Параметры воздуха, поступающего из атмосферы в компрессор:

Р0= 101325 Па

Т0=300 °К = 27°С

В поршневом компрессоре происходит изотермическое сжатие. То есть после каждой ступени воздух охлаждается водой в теплообменнике. Температура воздуха, поступающего в блок разделения, зависит от условий охлаждения воздуха при сжатии в компрессоре, ее обычно принимают на 3 - 7 градусов выше температуры охлаждающей воды.

Т1=303 °К

Р1=18 МПа

Давление, создаваемое компрессором выбирается из условия обеспечения максимальной холодопроизводительности, для того чтобы после дросселирования почти весь воздух был в жидком состоянии и из условия, что после детандера нужно иметь слегка перегретый пар. Изотермический к.п.д. компрессора равен 0,61%.

...