Теплофизическая модель установки

Рассмотрим технологический процесс криогенной воздухоразделительной установки, составленный с применением средств теплотехнического моделирования HYSYS, на примере азотной станции, построенной на базе цикла низкого давления с турбодетандером, двумя концентрационными колоннами и переохладителем для получения чистого азота (см. рисунок 1).

Исходный файл теплофизической модели воздухоразделительной установки А-16000 в HYSYS v.10 можно загрузить в блоке ниже. В представленной модели помимо технологического процесса сводятся массовый (потребность в охлаждающей воде) и энергетический (энергопотребление) балансы системы, рассчитывается коэффициент извлечения по продукционному потоку азота и удельные затраты энергии на получение 1 нм3 продукционного азота.

Теплофизическая модель в HYSYS v.10

воздухоразделительной установки А-16000

Теплофизическая модель в HYSYS

воздухоразделительной установки А-16000

Исходные данные и технологический процесс

Технологический процесс азотной станции построен на базе цикла низкого давления с турбодетандером, двумя колоннами и переохладителем. Известно, что включение турбодетандера в состав основного технологического оборудования позволяет повысить термодинамическую эффективность системы за счет генерирования холодопроизводительности и ее использования для:

• компенсации тепловых притоков из окружающей среды;
• компенсации потери холода, обусловленной выдачей жидких продуктов.

В преобладающем большинстве воздухоразделительных установок турбодетандеры работают исключительно в газовой области диаграммы, а снижение температуры воздуха на входе в центростремительную ступень ниже некоторого заведомо определенного значения сопровождается аварийным закрытием отсечного клапана. Это связано с тем, что образующаяся жидкость в проточной части приводит к возрастанию осевых сил в системе роторная сборка - подвес и как следствие повышенной нагрузки на упорный подшипник. В современных турбодетандерных агрегатах допустимая доля жидкости на выходе составляет 8...12 % (об.), но работа машины в парожидкостном режиме не рекомендуется, поскольку снижает эксплуатационный ресурс.

В рассматриваемой установке выдача жидкости не осуществляется, а прямое расширение детандерного потока до давления основной колонны и подача его в нижнюю часть колонны не даст ожидаемого положительного эффекта. Это связано с тем, что для получения чистого азота в колонне принципиально необходимо иметь достаточно азотной флегмы для орошения колонны, детандер не решает эту проблему. Проще говоря - температурный уровень реализации сгенерированной детандером холодопроизводительности не соответствует требованиям технологического процесса. В установке по-прежнему имеется потребность в источнике холода с температурой на 4...4,5 градуса ниже температуры конденсации азота при соответствующем давлении для его конденсации и возврата азотной флегмы в колонну на орошение. Единственным практически оптимальным источником низкотемпературной теплоты для реализации этого процесса является обогащенный кислородом жидкий воздух в кубе основной колонны.

Чтобы повысить эффективность системы, применяется вторая - вспомогательная колонна, которая дореализовывает низкотемпературную теплоту сдросселированного обогащенного кислородом жидкого воздуха из куба основной колонны и в полной мере реализовывает низкотемпературную теплоту детандерного потока. Результатом работы вспомогательной колонны является производство азотной флегмы, давление которой повышается в технологических жидкостных насосах. Флегма подается на орошение в основную колонну, эффективно (насколько это возможно термодинамически) доставляя сгенерированную детандером низкотемпературную теплоту.

На сайте имеется статья с описанием модели азотной станции, построенной на базе цикла среднего давления и одной колонны. Фактически, включение детандера и вспомогательной колонны позволяет существенно снизить давление в системе и повысить термодинамическую эффективность реализации процесса разделения воздуха.

Для представленной установки принимаются следующие исходные данные:

По умолчанию в HYSYS в качестве нормальной (STD_ в определениях HYSYS) используется температура 15 °С.

Чтобы это исправить: File > Options > Вкладка Units of Measure > Раздел Standart Temperature Setting > User Supplied > 20 °С

В качестве варьируемых параметров для достижения работоспособности, а затем оптимизации установки по некоторым критериям принимаются:

• расход азотной флегмы, отводимой после конденсатора вспомогательной колонны на орошение основной колонны;
• доля детандерного потока;
• расход сырьевого воздуха.

В качестве критериев оптимизации могут быть приняты:

• энергопотребление (установленная мощность);
• достижение большей компактности колонн и теплообменных аппаратов.

Особенности технологии криогенного разделения:

• используется трехкомпонентная модель воздуха;
• максимальное давление в пределах холодной части установки 10 бар.А (класс трубопроводов PN16);
• учтена влажность сырьевого воздуха;
• основной теплообменный аппарат - однофазный, способен обеспечить наиболее полную рекуперацию низкотемпературной теплоты;
• автономность установки по инструментальному воздуху;
• компримирование потока продукционного азота осуществляется в бустерном компрессоре.

Какие параметры требуют внимания при расчете установки:

• расход азотной флегмы из конденсатора вспомогательной колонны на орошение в основную колонну;
• температурный напор в конденсаторе основной колонны - не менее 4...4,5 °С (в листинге рассчитывается и выводится явно);
• температурный напор в конденсаторе вспомогательной колонны - не менее 2...3 °С;
• средний логарифмический температурный напор в переохладителе - в диапазоне 5...8 °С;
• средний логарифмический температурный напор в основном теплообменном аппарате - в диапазоне 5...10 °С;
• гладкость профиля температуры по высоте колонн;
• концентрация кислорода в отбросном потоке (WA-004) близка к 40 % (об.) - необходимо обеспечить безопасность транспортировки и утилизации потока в муфлерах на этапе проектирования станции.