Термодинамические основы сжижения газов

Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты

Классификация криогенных установок

Состав воздуха, продукты его разделения, их характеристики и использование

Состав атмосферного воздуха не постоянен. Содержание компонентов зависит от географической широты, высоты над поверхностью земли, солнечной активности и других факторов. В значительной степени неодинакова загрязненность воздушного бассейна, где содержание примесей может меняться в течение суток, например, под влиянием метеорологических условий.

Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности земли приведен в табл.

Газ	Молекулярная масса	Объемное содержание в воздухе, %	Массовое содержание, %	Нормальная температура кипения, К
Название	Формула
Азот	N2	28,016	78,09	75,52	77,36
Кислород	O2	32,00	20,95	23,15	90,19
Аргон	Ar	39,944	0,93	1,28	87,29
Диоксид углерода	CO2	44.01	0,03	0,05	194,6
Неон	Ne	20,183	1,8×10-3	1,25×10-3	27,0
Гелий	He	4,003	5,24×10-4	0,72×10-4	4,22
Криптон	Kr	83,8	1×14-4	3,3×10-4	119,0
Водород	H2	2,016	5×10-5	0,035×10-4	20,4
Закись азота	N2O	44,016	5×10-5	8×10-5	184,60
Ксенон	Xe	131,3	8×10-5	3,6×10-5	165,0
Озон	O3	48,00	1×10-6	1,5×10-6	161,25
Радон	Rn	222,6	6×10-18	4,5×10-17	211,35

Кроме того, в зависимости от производственной деятельности в регионе, в воздухе содержится незначительное количество метана, ацетилена и других высокомолекулярных углеводородов.

Содержание в воздухе водяных паров зависит от температуры и относительной влажности j. Значение относительной влажности обычно усредняется для определенного региона. Для средней полосы России j=0,7-0,8.

В табл. 1.2 приведено насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от его температуры при нормальном атмосферном давлении.

При сжатии воздуха содержание влаги в нем при полном насыщении уменьшается.

Таблица 1.2. Насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от

температуры при стандартном атмосферном давлении

Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг
	25,40		3,73	-30	0,229	-60	0,00695
	19,07	-5	1,7	-35	0,133	-65	0,00286
	14,17	-10	1,59	-40	0,077	-70	0,00163
	10,35	-15	1,01	-45	0,043	-75	0,00073
	7,48	-20	0,63	-50	0,024	-80	0,00032
	5,313	-25	0,39	-55	0,013	-90	0,000082

Основными продуктами разделения предварительно осушенного воздуха в современных воздухоразделительных установках (ВРУ) являются следующие так называемые промышленные газы:

кислород технический – 99,2-99,7 % (1-й сорт – 99,7; 2-й сорт – 99,5; 3-й сорт – 99,2 %) и технологический – 92-98 % (в среднем – 95 %, остальное азот);

азот особой чистоты – не менее 99,996 %, высшего сорта – 99,994; 1-го сорта – 99,5; 2-го сорта – 99 и 3-го сорта – 97 %;

аргон высшего сорта – 99,993 и 1-го сорта – 99,987 %; сырой аргон – 86-90 %, содержащий до 4 % О₂ и до 10 % N₂; технический – 86-87 % с примесью 12-14 % азота;

первичный криптоноксеноновый концентрат с объемной долей криптона и ксенона до 0,2 %;

неоногелиевая смесь с объемной долей неона и гелия от 40 % и выше.

В дальнейшем сырой аргон и криптоноксеноновый концентрат подвергаются очистке и дополнительной ректификации.

Применение основных продуктов разделения воздуха – кислорода и азота, является одним из важных направлений технического прогресса в ряде отраслей промышленного производства. Это черная и цветная металлургия, химическая, нефтехимическая и пищевая промышленность, энергетика, медицина, машиностроение и пр. Использование кислорода и азота позволяет интенсифицировать технологические процессы в этих отраслях, способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества, снижению себестоимости.

По данным США использование кислорода в различных отраслях промышленности распределяется приблизительно следующим образом (в % от общего производства кислорода):

черная и цветная металлургия 60;

химическая промышленность 25;

ракетная техника и энергетика 10;

нефтепереработка 3;

прочие отрасли 2.

В течение последних 25 лет ежегодный прирост производства кислорода составляет 12-15 %.

Примерные удельные расходы кислорода на единицу продукции составляют:

в доменном производстве – 100-150 м³ на 1 т чугуна;

при конверторной выплавке стали – 55-60 м³/т кислорода 1-го и 2-го сорта;

в электроплавильном производстве – 15-20 м³/т кислорода того же качества;

в производстве азотной кислоты – 155 м³/т кислорода 1-3 сортов.

При аэрации и осветлении сточных вод в зависимости от степени их загрязнения расходуется от 2 до 24 м³/м3 воздуха, обогащенного кислородом.

С каждым годом все большее применение находит азот. В химической промышленности на производство аммиака, этилена, пропилена, азотных удобрений расходуется до 1000 м³ азота на каждую тонну продукта.

Особое развитие нашла так называемая "азотная технология". Она стремительно расширяет области своего внедрения:

в машиностроении, например, это азотирование поверхностей деталей, что обеспечивает повышение прочности и износостойкости. Закалка инструмента в жидком азоте повышает его стойкость до 90 раз. Значительно надежнее и прочнее становятся неразъемные соединения, полученные с помощью жидкого азота, например, запрессовка бандажей, втулок и пр.;

в пищевой промышленности – азот наилучший охладитель и консервант продуктов питания;

в легкой промышленности – обработка кож, различного сырья. Замораживание жидким азотом тканей позволяет роботизировать и автоматизировать процессы раскроя и пошива одежды;

в медицине – безболезненные и быстрые операции на коже, глазах. Консервация органов пересадки, крови и др.

Жидкий азот является важнейшим хладоносителем для предварительного охлаждения газов в криогенных установках. С его помощью получают жидкий водород, гелий и другие редкие газы. На него возлагают большие надежды энергетики – разработчики высокотемпературной сверхпроводимости.

Аргон применяют как защитную среду для расплавленных металлов от окисления при плавке, разливе и электросварке нержавеющих сталей, титана, магния, алюминия. При плазменно-дуговой резке легированных сталей, сплавов алюминия, меди. При получении чистых металлов – титана, циркония, ниобия, молибдена и др.

Широко используется аргон в электроламповой промышленности для заполнения ламп накаливания и газоразрядных ламп. Лампы накаливания с аргоном имеют повышенные срок службы и светоотдачу. Аргон препятствует диффузии вольфрама, помутнению колб, уменьшает тепловые потери, так как позволяет повысить температуру нити накаливания.

В полупроводниковой промышленности аргон используется как защитная среда при производстве монокристаллов титана, бария, кремния и других полупроводниковых материалов.

Сжижаются не только воздух и его компоненты. На практике широко применяются многие газы в сжиженном и твердом виде, например, CO₂, CH₄, H₂, F₂ и др. Некоторые из них применяются как хладагенты, другие как горючее и окислители. В ряде случаев сжижение ведется с целью перевоза и хранения.

Процессы сжижения газов довольно энергоемки. Например: для получения 1 т сухого льда (СО₂) затрачивается 125-150 кВт×ч электроэнергии;

1 т жидкого кислорода (О₂) – 1200-1500 кВт×ч;

1т жидкого водорода (Н₂) – 60000-80000 кВт×ч.

Эксергетический КПД процессов сжижения, реализуемых в технических установках, не превышает 20-25 %, а часто 10-15 %.

Криогенные установки классифицируют по ряду признаков: по назначению, способу получения низких температур, типу расширительного устройства, по величине начального давления воздуха и др.:

а) по назначению различают установки:

- холодильные (криорефрижераторы) – для получения низкотемпературного холода. По международной классификации это так называемые R -системы;

- сжижительные – для выработки сжиженного газа (воздуха). Это L -системы;

- газоразделительные – для разделения газовой смеси на составные части. Это D -системы.

б) по способу получения низких температур:

- дроссельные – использующие дроссель-эффект Джоуля-Томсона;

- детандерные – с расширением воздуха и отводом работы расширения;

- дроссельно-эжекторные;

- использующие вихревой эффект Ранка-Хильша и др.;

в) по давлению воздуха различают установки:

- низкого давления (давление сжатия Р _сж@0,5–0,6 МПа);

- среднего давления (Р _сж@2–5 МПа);

- высокого давления (Р _сж@15–20 МПа).

В настоящее время выпускают воздухоразделительные установки более 30 наименований. Принципы индексации конкретных установок отражают их основное назначение и уровень производительности. Индексы установок составлены из первых букв названий продуктов:

К – кислород технический; Кт – кислород технологический; А – азот;

Аж – азот жидкий; Кж – кислород жидкий; Арж – аргон жидкий.

Цифра в индексе установки обозначает уровень производительности по основному продукту в тысячах кубических метров для газообразных продуктов или в тысячах килограммов для жидких продуктов, например: 35 – 35000 м³/ч; 6 – 6000 кг/ч. Для примера также, обозначение ВРУ НПО "Криогенмаш" – КААр-15 означает: установка производит газообразные технический кислород, азот, аргон. Производительность по кислороду – 15000 м³/ч.

В данном курсе рассматриваются установки только для сжижения и разделения воздуха на составляющие элементы, т.е. L, D- системы. Так как это установки, работа которых связана с изменением состояния рабочего тела, то они относятся к классу трансформаторов теплоты газожидкостного типа.

Все криогенные трансформаторы теплоты, независимо от назначения, можно представить себе в виде единой структурной схемы. Они все содержат ступени одинакового назначения. Рассмотрим структурную схему газожидкостного трансформатора теплоты в виде воздухосжижительной установки (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты:

СПТ – ступень подготовки рабочего тела; СПО – ступень предварительного охлаждения; СОО – ступень окончательного охлаждения; СИО – ступень использования охлаждения

Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) располагается выше температурного уровня окружающей среды Т _о.с. Задача СПТ – повысить эксергию рабочего тела (воздуха) для работы установки в целом. Она достигается повышением давления воздуха в компрессоре за счет подвода механической (электрической) энергии Е _подв, с отводом теплоты охлаждения Q _о.с в окружающую среду.

Непосредственно за СПТ размещается ступень предварительного охлаждения (СПО). Здесь охлаждение осуществляется, как правило, за счет регенерации холода. Но может применяться и вспомогательная холодильная машина – как дополнение. Характерная особенность – процессы в СПО протекают при температуре существенно ниже Т _о.с.

Далее идет ступень окончательного охлаждения (СОО). Здесь рабочее тело охлаждается до самой низкой температуры – температуры конденсации (кипения) воздуха Т ₀. Здесь используются процессы внутреннего охлаждения – дросселирование воздуха и расширение его в детандере.

Непосредственно к СОО примыкает ступень использования охлаждения (СИО). В этой ступени L -системы отводится жидкий воздух. С этим воздухом отводится и часть эксергии холода – E_q.

Если трансформатор теплоты работает в режиме рефрижератора (R -система), то отвода жидкого воздуха нет. Теплота охлаждаемого объекта Q ₀ идет на испарение жидкого воздуха. При этом эксергия E_q передается охлаждаемому объекту.

Как уже указывалось в классификации, установки L- и R -систем, в зависимости от способов внутреннего охлаждения в СОО, подразделяются на два основных вида:

- дроссельные – с охлаждением воздуха дросселированием (в так называемых ступенях Линде);

- детандерные – с охлаждением воздуха расширением в детандере (в ступенях Сименса).

Ступенью называют расширитель в комплекте с теплообменниками для регенеративного охлаждения воздуха.

Охлаждение воздуха в детандере используется не только в СОО, но и в СПО (схемы Клода, Гейландта, Капицы).