Общая информация
Одним из основных вариантов повышения / восстановления производительности воздухоразделительных установок в части выдачи жидких и газообразных продуктов является повышение компрессии.
Под компрессией в общем случае понимается (1) повышение давления прямого потока, (2) повышение расхода компримированного сырьевого воздуха.
С учетом стремления к удешевлению конструкции центробежных компрессорных машин и их комплектации возможности для изменения давления нагнетания за счет изменения частоты вращения ротора часто не предусматриваются или невозможны. Поэтому наиболее целесообразным вариантом повышения компрессии является установка дополнительных компрессорных мощностей с соответствующим давлением нагнетания.
При реализации такого подхода принципиально необходимо выполнить поверочный гидравлический расчет адсорберов в блоке комплексной очистки для подтверждения работоспособности системы при новых условиях по расходу рабочей среды.
В качестве ограничивающих факторов выступают: (1) скорость потока в аппарате для исключения уноса частиц, (2) время контакта сырьевого воздуха со слоями сорбентов. В случае, если работоспособность блока комплексной очистки при новых рабочих параметрах не обеспечивается, подвод дополнительного сырьевого воздуха с соответствующей степенью сухости и содержанием примесей может осуществляться после основной системы очистки.
Ниже представлен упрощенный алгоритм поверочного гидравлического расчета. Актуальность упрощенного расчета - определение границ повышения производительности установки за счет увеличения компрессии. Детальный расчет адсорбера в режимах прямого и обратного дутья при замене сорбентов на альтернативные должен производиться с использованием соответствующих аналитических методик или программных комплексов, например, Aspen Adsorbtion.
Исходные данные для проведения расчета
Исходные данные для поверочного расчета адсорбера представлены в таблице 1.
| Параметр | Обозн. | Ед. изм. | Значение |
|---|---|---|---|
| Расход рабочей среды через адсорбер | - | нм3/ч (нм3/с) | 61000 (16,94) |
| Расход рабочей среды при условиях на входе в адсорбер | \(Q_{раб}\) | м3/с | 2,92 |
| Давление на входе в адсорбер | - | бар (абс.) | 6,08 |
| Температура газа на входе в адсорбер | - | K (°С) | 289,8 (13,6) |
| Вязкость газа на входе в адсорбер (по свойствам веществ) | \(\mu\) | Па·с | 1,77·10-5 |
| Плотность газа на входе в адсорбер (по свойствам веществ) | \(\rho\) | кг/м3 | 7,38 |
| Диаметр адсорбера | - | мм | 4000 |
| Площадь проходного сечения адсорбера | \(S\) | м2 | 12,56 |
| Первый слой по ходу движения газа | - | Оксид алюминия \(ϕ3-5\) | |
| - диаметр гранул (среднее значение) | \(d_1\) | мм | 4 |
| - высота слоя | \(H_1\) | мм | 330 |
| - масса загрузки (заявленная) | \(m_1\) | кг | 2900 |
| - пористость слоя (по рекомендациям для сферических частиц) | \(\varepsilon_1\) | - | 0,35 |
| - критическая скорость уноса частиц | - | м/с | 0,3…0,5 |
| Второй слой по ходу движения газа | - | Молекулярное сито \(13X-4x8\) | |
| - диаметр гранул (среднее значение) | \(d_2\) | мм | 6 |
| - высота слоя | \(H_2\) | мм | 1740 |
| - масса загрузки (заявленная) | \(m_2\) | кг | 14000 |
| - пористость слоя (по рекомендациям для сферических частиц) | \(\varepsilon_2\) | - | 0,35 |
| - критическая скорость уноса частиц | - | м/с | 0,25…0,4 |
Алгоритм поверочного расчета
Линейная скорость газа в адсорбере через слои сорбентов безопасна для эксплуатации:
$$v=Q_{раб}/S=2.92/12.56=0.233\:м/с$$Гидравлическое сопротивление оксида алюминия по формуле Эргуна для газов:
$$ΔP_1=\frac{150⋅μ⋅(1-ε_1 )^2⋅v⋅H_1}{ε_1^3⋅d_1^2}+\frac{1,75⋅ρ⋅(1-ε_1 )⋅v^2⋅H_1}{ε_1^3⋅d_1}$$ $$ΔP_1=\frac{150⋅1.77⋅10^{-5}⋅(1-0.35)^2⋅0.233⋅0.33}{0.35^3⋅0.004^2}+\frac{1.75⋅7.38⋅(1-0.35)⋅0.233^2⋅0.33}{0.35^3⋅0.004}$$ $$ΔP_1=79.4+328.6=408\:Па≅0.0041\:бар$$Гидравлическое сопротивление молекулярного сита по формуле Эргуна для газов:
$$ΔP_2=\frac{150⋅μ⋅(1-ε_2 )^2⋅v⋅H_2}{ε_2^3⋅d_2^2}+\frac{1,75⋅ρ⋅(1-ε_2 )⋅v^2⋅H_2}{ε_2^3⋅d_2}$$ $$ΔP_2=\frac{150⋅1.77⋅10^{-5}⋅(1-0.35)^2⋅0.233⋅1.74}{0.35^3⋅0.006^2}+\frac{1.75⋅7.38⋅(1-0.35)⋅0.233^2⋅1.74}{0.35^3⋅0.006}$$ $$ΔP_2=139.6+864.3=1003.9\:Па≅0.01\:бар$$Суммарное сопротивление слоев сорбентов незначительно и может не учитываться в расчетах:9
$$ΔP_∑=ΔP_1+ΔP_2=0.0041+0.01=0.0104\:бар$$Плотность насыпная оксида алюминия в пределах нормального значения 700…800 кг/м3:
$$ρ_1=m_1/(S⋅H_1 )=2900/(12.56⋅0.33)≅700\:кг/м^3$$Плотность насыпная молекулярного сита в пределах нормального значения 600…700 кг/м3:
$$ρ_2=m_2/(S⋅H_2 )=14000/(12.56⋅1.74)≅640\:кг/м^3$$Время контакта газа с оксидом алюминия в диапазоне нормальных значений 1…3 секунды:
$$τ_1=H_1/v=0.33/0.223≅1.42\:с$$Время контакта газа с молекулярным ситом в диапазоне нормальных значений 5…10 секунд:
$$τ_2=H_2/v=1.74/0.223≅7.47\:с$$Общее время контакта газа с сорбентами в диапазоне нормальных значений 6…13 секунд:
$$τ_∑=τ_1+τ_2=1.42+7.47≅8.9\:с$$Вывод: адсорбер работоспособен и имеет запас по скорости потока до достижения критической скорости (без риска унос гранул), ограничивающий фактор – время контакта с оксидом алюминия на стадии осушки газа (риск снижения степени осушки за блоком адсорберов). Исходя из анализа насыпной плотности для слоев сорбента, производителем адсорбера уплотнение насыпки не предусмотрено.