Студенты и начинающие специалисты зачастую сталкиваются с трудностями при составлении технологических процессов криогенных систем и их реализации с использованием средств теплотехнического моделирования, например, HYSYS. Рассмотрим, каким образом выглядит вновь разработанная технология криогенного разделения воздуха (см. рисунок 1), построенная на базе цикла среднего давления, с концентрационной колонной для получения чистого азота.
Исходный файл теплофизической модели воздухоразделительной установки ААж-450-16 HYSYS v.10 можно загрузить в блоке ниже. В примере имеется все необходимое, чтобы не только прямо рассчитать криогенную систему, но и выполнить ее оптимизацию.
Для представленной установки принимаются следующие исходные данные:
- температура окружающей среды - 34 °С;
- давление атмосферного воздуха - 0,98 бар.А;
- влажность относительная сырьевого воздуха - 76 %;
- бинарная модель воздуха - 0,79/0,21 N2/O2 (об.);
- расход продукционного газообразного азота - 450 нм3/ч (760 торр, 20 °С);
- расход продукционного жидкого азота - 16 кг/ч;
- концентрация продукционного азота - 0,9997 (об.);
- давление газообразного азота - 10 бар.А;
- расход инструментального воздуха - 10 нм3/ч;
- доля отбросного азота на регенерацию - 10 %;
- число ступеней компримирования - 2;
- тип компрессоров - поршневой c водяной рубашкой;
- температура воздуха на входе в адсорбер 12 °С.
В качестве варьируемых параметров для достижения работоспособности, а затем оптимизации установки по некоторым критерия принимается:
- давление компримирования;
- расход сырьевого воздуха;
- температурный уровень предварительного охлаждения в холодильной машине;
- доля пара в питающем колонну потоке.
В качестве критериев оптимизации могут быть приняты:
- энергопотребление (установленная мощность);
- достижение большей компактности колонны и теплообменных аппаратов.
Особенности технологии криогенного разделения:
- учтена влажность сырьевого воздуха;
- реализован принцип внутреннего сжатия для повышения давления газообразного продукционного азота;
- полная рекуперация низкотемпературной теплоты;
- автономность установки по инструментальному воздуху;
- основной теплообменный аппарат обеспечивает температуру на выходе отбрасного потока на уровне, необходимом для относительно эффективной регенерации адсорберов блока комплексной очистки.
Какие параметры требуют внимания при расчете установки:
- температурный напор в основном конденсаторе - не менее 4...4,5 °С (в листинге рассчитывается и выводится явно);
- соответствие расходов продукционных поток требованиям задания (в листинге подбирается автоматически за счет варьирования расхода сырьевого воздуха);
- средний логарифмический температурный напор - в диапазоне 8...15 °С, 12 °С - оптимально;
- температура на входе в основной теплообменный аппарат (ОТОА, AIR-7) - по умолчанию равна температуре выхода из адсорбера, если назначить ниже, будет рассчитан контур парокомпрессионной холодильной машины (требуется адаптация хладона под условия кипения);
- гладкость профиля температуры по высоте колонны;
- концентрация кислорода в отбросном потоке (W-7) - не более 28...30 % (в противном случае требуется подмес части компримированного воздуха для ухода от повышенных требований к кислородопроводам).
Чтобы решить задачу по повышению производительности установки за счет предварительного охлаждения при зафиксированных параметрах установки без предварительного охлаждения, нужно:
- рассчитать исходный режим работы установки;
- отключить определение доли жидкости перед основным дросселем JT-1;
- зафиксировать в спецификации ОТОА снятое с рассчитанной схемы значение UA, это сохранит
конструктив
уже принятого аппарата относительно модернизации; - свести схему при измененной температуре потока на входе в ОТОА.