Большинство низкотемпературных процессов сжижения и разделения газов осуществляется за счет подвода механической или электрической энергии. При этом уравнение расхода энергии удобно представить в следующем виде:

воздухоразделительная установка эксергия разделение газ

L = L_min + УП_к (1)

где L_min - минимальная работа, затрачиваемая на осуществление процесса (при обратимом его протекании); УП_к - суммарные потери вследствие необратимости процессов сжатия, расширения, теплообмена, ректификации и т.п.

П_к= T₀·ДS_{к, необр.}

где Т₀ - температура окружающей среды; ДS_{к, необр. -} возрастание энтропии рабочих тел и окружающей среды вследствие необратимости процессов.

При термодинамическом анализе широко используют понятие эксергии. Под эксергией системы понимают работу, необходимую для перевода системы в заданное состояние из состояния равновесия с окружающей средой.

Е = I - I₀ = Т₀ (S - S₀),

где индекс "0" относится к состоянию, характеризующемуся температурой T₀ и давлением P₀ окружающей среды.

Потери от необратимости называют потерями эксергии, а уравнение (1) - эксергетическим балансом.

Термодинамический КПД является отношением минимальной работы к действительной.

з_t = L_min/L= (L - УП_к) /L=I-УЩ_к (2)

где Щ = П_к/L - коэффициент эксергетических потерь.

Применительно к разделению воздуха нулевая эксергия

E_0i=R·T₀·ln (P₀/P_i),

т.е. нулевая эксергия равна минимальной работе изотермического сжатия компонента от парциального давления до давления смеси.

Минимальная работа перевода рабочего тела из состояния 1 в состояние 2

L_min = E₂ - E₁.

Минимальная работа сжижения газа

L_f,min = E_f.

Минимальная работа разделения идеальной газовой смеси на чистые компоненты

L_p,min = Уy_i·E_0i= T₀·Уy_i·ДS_0i = T₀·ДS₀ = RT₀ Уy_i·ln (1/y_i);

где ДS₀ - изменение энтропии смеси в результате разделения.

При разделении воздуха В не на чистые компоненты, а на кислород с концентрацией y_к и азот с концентрацией y_а

L_p,min = T₀·ДS₀ = T₀R{ [y_в·ln (1/y_в) +

(1-y_в) ·ln (1/ (1-y_в))] - K· [y_к·ln (1/y_к) +

(1-y_к) ·ln (1/ (1-y_к))] - A· [y_а·ln (1/y_а) +

(1-y_а) ·ln (1/ (1-y_а))] }

Минимальная работа разделения при различных концентрациях кислорода и азота

Минимальная работа на производство жидкого кислорода и азота

Минимальная работа получения из воздуха продукта в жидком состоянии складывается из минимальной работы разделения воздуха и минимальной работы сжижения компонента.

Расчеты с применением энтропии к эксергии приводят к одинаковым результатам.

Основные задачи анализа воздухоразделительных установок (ВРУ)

При разработке установок различной производительности, для получения продуктов разделения различной чистоты и под различным давлением, в газообразном и жидком состоянии большое значение имеет выбор наиболее эффективных технологических схем. От построения схемы зависят как технико-экономические показатели установок, так и тип используемых машин и аппаратов.

Целью термодинамического анализа ВРУ являются:

· определение их энергетических показателей (термодинамического КПД);

· оценка потерь от необратимости в отдельных узлах и аппаратах установок, и определение направлений их усовершенствования;

· сравнение различных схем по энергетическим показателям;

· оценка влияния различных факторов на эффективность установок.

На установках большой производительности затраты падают в основном на стоимость энергии (до 10%). Обычно термодинамический КПД современных установок разделения воздуха составляет не более 18%; остальная энергия расходуется на компенсацию потерь в машинах и аппаратах установок, из которых до 40% теряется при сжатии воздуха в компрессоре и 45% приходится на блок разделения, в том числе: на регенераторы 13%, узел ректификации 30% (13% - верхняя колонна, 5,5% - нижняя колонна, 4,5% - конденсаторы).

Полезно проанализировать выражение для определения удельного расхода энергии на производство газообразного кислорода

lO₂={ [ (R·T₀·ln (P₂/P₁))] / [ (1-ДВ) · з_из·К].

Как видно, снизить расход энергии можно за счет:

снижения потерь воздуха при переключениях регенераторов и продувках - ДВ;

снижения давления сжатия воздуха P₂;

повышения значения з_из;

увеличения доли получаемого кислорода К;

повышения давления всасывания P₁.

I. Снижение потерь воздуха при переключениях можно обеспечить за счет удлинения времени переключения. Так реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники имеют время между переключениями 20 - 30 мин., вместо 6-8 мин. - для регенераторов с каменной насадкой и 3 мин. - с алюминиевой насадкой. Определенный эффект даст рациональное ведение режима переключений с использованием средств автоматизации.

2. Повышение изотермического КПД з_из ориентирует на использование современных турбомашин для сжатия воздуха.

3. Рабочее давление Р₂ можно снизить за счет уменьшения разности температур конденсаторов (использование пластинчато-ребристых конденсаторов), уменьшения сопротивлений аппаратов и коммуникаций как по прямому, так и обратному потокам.

4. Давление перед компрессором P₁ можно повысить, уменьшив сопротивление воздухозаборной линии и фильтра перед компрессором.

5. Увеличение доли продукционного кислорода К осуществляется за счет поддержания максимальной концентрации сбросного азота.

В свою очередь на концентрацию азота влияет доля детандерного потока (уменьшение D приводит к росту у_а), а долю детандерного потока можно уменьшить за счет снижения теплопритока через изоляцию (улучшение качества изоляции) и уменьшения недорекуперации.

6. Если из установки выводить не один продукционный кислород, а, например, чистый азот, аргон, жидкие продукты и т.д. (комплексное разделение воздуха), то стоимость энергии сжатия воздуха можно уже разложить на несколько продуктов. Отсюда стоимость в отдельности каждого продукта уменьшается.

В установках для получения технологического кислорода имеются значительные резервы для повышения экономичности. Увеличивая детандерный поток и уменьшая необратимые потери можно получать жидких кислорода или азота до 1,5% от количества перерабатываемого воздуха.

При получении на ВРУ технического кислорода увеличение детандерного потока приводит к существенному уменьшению количества получаемого технического кислорода (за счет снижения концентрации сбросного азота).

Поэтому в воздухоразделительных установках для получения технического кислорода особенно важное значение приобретает необходимость совершенствования теплоизоляции блоков, уменьшение недорекуперации в теплообменных аппаратах, а также применение регулируемых турбодетандеров. Совокупность всех мер позволяет значительно снизить (на 7.10%) долю детандерного потока и тем самым довести коэффициент извлечения кислорода до значений, близких к получаемым на установках технологического кислорода.

В ВРУ технического кислорода отбор жидких кислорода и азота неизбежно уменьшает выход газообразных кислорода и аргона. Однако в определенных небольших пределах отбор части жидких продуктов на таких установках может оказаться экономически целесообразным; расчеты показывают, что приведенные затраты оказываются меньшими, чем при получении жидкого кислорода на специализированных жидкостных установках.

Анализ показывает, что наиболее значительные необратимые потери наблюдаются в верхней ректификационной колонне, теплообменной аппаратуре - на гидравлическое сопротивление; в азотных, кислородных регенераторах и конденсаторах - на недорекуперацию.

Уменьшение концентрационных напоров в верхней колонне, например, за счет постановки дополнительных конденсаторов, позволяет снизить удельный расход энергии на 5.7%. Уменьшение гидравлического сопротивления в обратном потоке на 10 кПа и в прямом на 20 кПа снижает удельный расход энергии на 5%. Применение пластинчато-ребристых конденсаторов вместо трубчатых, снижает энергозатраты на 2%.

Снижение недорекуперации в теплообменных аппаратах на 1 град. уменьшает расход энергии на 3%.

Повышение КПД компрессора на 1% дает выигрыш в удельном расходе на 1%, а КПД турбодетандера - на 4% и, соответственно, на 1%.

Размещено на Allbest.ru