Все циклы криогенных установок могут быть разделены на три основные группы:
1. Рефрижераторные циклы, которые служат для охлаждения и термостатирования. В качестве примера рефрижераторных установок можно указать криогенные рефрижераторы для охлаждения и поддержания низкой температуры в исследовательских криостатах, высоковакуумных камерах и т.д.
2. Ожижительные циклы применяются для получения жидких азота, кислорода, водорода, метана, гелия. Следует указать, что понятие «цикл» применимо к замкнутым круговым процессам, когда система возвращается к начальному состоянию.
3. Циклы газоразделительных установок. В процессе разделения газовой смеси необходимо охлаждение смеси до сухого насыщенного состояния и последующая конденсация смеси.
По принципу работы (по способу охлаждения) циклы глубокого охлаждения газов можно разделить на три категории:
1. Циклы с применением эффекта дросселирования. К этой категории относятся циклы с однократным дросселированием, с двумя давлениями воздуха, с циркуляцией воздуха среднего давления и варианты этих циклов с промежуточным аммиачным охлаждением.
2. Циклы с применением адиабатного расширения и отдачей внешней работы.
3. Комбинированные циклы с дросселированием и расширением газа в детандере.
Дросселирование - продавливание текущего вещества через канал с большим гидравлическим сопротивлением – узкий проход в вентиле, пористое тело или трубку с малым сечением – капилляр. Давление вещества при этом, естественно, снижается, но энергия, никуда не отводится и остается неизменной. Тем не менее дросселирование может использоваться как эффективное средство охлаждения.
Принципиальная схема цикла с однократным дросселированием (цикл Линда). Воздух сжимается в компрессоре высокого давления, охлаждается в холодильнике компрессора, затем поступает в теплообменник, где охлаждается обратными потокоми кислорода и азота и поступает в колонну двухкратной ректификации, кислород и азот поступают в теплообменник, охлаждая встречный поток воздуха.
Принципиальная схема установки цикла среднего давления с расширением части воздуха в детандере. Воздух сжимается в компрессоре, охлаждается в холодильнике компрессора, затем поступает в первый по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота до некоторой температуры. Кислород и азот выходят из теплообменника, а воздух делится на два потока. Один поток поступает в поршневой детандер, где расширяется с отдачей внешней работы до давления нижней колонны 0,6 МПа, а остальная часть воздуха с учетом КПД детандера поступает во второй по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота, после чего дросселируется до давления 0,6 МПа и поступает вместе с воздухом из детандера в нижнюю колонну. Получаемый в верхней колонне под давлением 0,13МПа кислород и азот направляются в теплообменник, где охлаждают встречный поток воздуха, и затем выводятся из установки.
Академик Капица создал высокоэффективный активно-реактивный турбодетанд, работающий по принципу низкогодавления (цикл Капицы). На основе этого принципа построены все крупнотоннажные установки для разделения воздуха.
При работе по этому циклу воздух сжимается в компрессоре до давления Р = 0,6-0,7 МПа, затем поступает в теплообменник-регенератор, где охлаждается несконденсировавшимся воздухом. После теплообменника-регенератора воздух разделяется на два потока. Большая часть воздуха (94 %) направляется в турбодетандер, в котором расширяется до давления Р = 0,15 МПа. Меньшая часть воздуха поступает в межтрубное пространство конденсатора, где охлаждается и конденсируется. Жидкий воздух из межтрубного пространства через дроссельный вентиль дросселируется с 0,6 до 0,3 МПа и поступает в сборник. Расширенный воздух из турбодетандера направляется в трубы конденсатора, а оттуда в теплообменник-регенератор.
Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет устанавливать регенераторы, благодаря чему не требуется предварительная осушка воздуха и очистка его от СО2.
Разделение воздуха
Для разделения на кислород и азот, сжиженный воздух подвергается ректификации. В современных агрегатах ректификация жидкого воздуха происходит в колоннах двукратной ректификации. Число тарелок ректификационной колонны зависит от требуемой чистоты продуктов разделения. Используемый для сжижения и разделения воздух должен быть осушен, очищен от пыли, углекислоты и других примесей. Содержание пыли в воздухе должно быть не более 0,02 г/м3. Забор воздуха для разделительных установок производится вне территории предприятия, что обеспечивает большую его чистоту. Тщательная очистка от механических примесей необходима, так как они вызывают преждевременный износ компрессоров и регулирующей арматуры разделительных установок.
Для очистки воздуха от пыли служат самоочищающиеся фильтры с передвигающимися фильтрующимися сетками, матерчатые и суконные фильтры рукавного типа. Более тонкая очистка воздуха производится в масляных фильтрах, которые представляют собой камеры, состоящие из ряда кассет, заполненных кольцами Рашига. Периодически кассеты вынимают из камеры и промывают керосином, после чего снова погружают в сосуд с маслом и вставляют в камеру.
Содержание влаги в воздухе зависит от атмосферных условий.
Необходима тщательная осушка воздуха, так как лед, образовавшийся при конденсации и последующем замерзании паров воды, забивает оборудование.
Осушка воздуха производится следующими способами:
1. Путем адсорбции на силикагеле, содержание воды после него должно быть не более 0,03 г/м3, на цеолитах – влажность снижается до 0,005 г/м3. Регенерация адсорбента производится азотом, нагретым до 170-180 °С при осушке силикагеля и 245-270 °С при осушке цеолитом. Цеолиты применяются и для очистки воздуха от углекислоты, аргона.
2. Вымораживанием. В крупных разделительных установках вода вымораживается из воздуха в регенераторах. Воздух в регенераторах охлаждают до минусовой температуры. При температуре до 0 °С на холодной поверхности насадки регенератора влага воздуха конденсируется в виде воды, при температуре до -30 °С конденсируется переохлажденная вода. Для удаления осевшей влаги в регенератор в обратном направлении пропускают теплый сухой азот или кислород.
Газообразный диоксид углерода при глубоком охлаждении воздуха переходит в твердое состояние и оседает в теплообменниках, на тарелках ректификационной колонны, испарителях и т.д. Это приводит к нарушению технологического режима работы разделительных установок. Поэтому тщательная очистка воздуха от диоксида углерода имеет важное значение для нормальной работы разделительной установки. Очистка воздуха от углекислоты проводится или в скрубберах, орошаемых раствором гидроокиси натрия или в регенераторах, где углекислота вымораживается, отлагаясь на холодной насадке регенератора при прохождении через него воздуха и затем уносится обратным потоком кислорода или азота в период отогрева регенератора. Регенератор снабжен или насадкой в виде дисков из свернутой по спирали гофрированной алюминиевой ленты или в качестве насадки таких регенераторов применяется кусковой базальт или гранит. В регенераторы сверху вниз под давлением Р=6 атм подается воздух (прямой поток), а через каждые 3-9 минут – кислород или азот (обратный поток) под давлением Р=1,1-1,2 атм. Чтобы предотвратить забивку (замерзание) регенератора, необходимо обеспечить удаление обратным потоком газа, всех примесей, накапливающихся на насадке. Чем больше отношение объема обратного потока газа к объему прямого потока и меньше разница температур между потоками, тем полнее происходит самоочистка регенератора. Большое значение для безопасной работы имеет очистка воздуха от ацетилена. Накопление больших количеств ацетилена может привести к взрыву. Вследствие малого парциального давления ацетилен не выделяется из воздуха в теплообменниках и регенераторах.
В настоящее время для получения чистого азота и технологического кислорода применяются воздухоразделительные установки различного типа. В РФ применяются установки низкого давления типов БР-6 или БР-9. На большинстве предприятий азотной промышленности в основном применяются агрегаты БР-6, работающие по принципу низкого давления (цикл Капицы).
Стоимость продуктов разделения воздуха зависит от схемы производства и производительности установки.
Основными регулируемыми параметрами в блоках разделения воздуха являются значения температуры в средней части насадок азотных регенераторов, составы газовых потоков и уровни жидкостей в нижней и верхней ректификационных колоннах и конденсаторах.