Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния

Для полного разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот применяется процесс ректификации, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами.

Ректификацией называется процесс многократного соприкосновения неравновесных пара и жидкости, сопровождающийся обогащением жидкости кислородом, а пара – азотом.

Испарение и конденсация – процессы обратимые. При испарении 1 кг жидкости затрачивается теплота испарения. При конденсации 1 кг полученного пара, в условиях отсутствия потерь теплоты в окружающую среду, выделяется такая же по величине скрытая теплота конденсации.

Проходя через слой жидкой смеси азота и кислорода, последний конденсируется, так как является менее летучим компонентом, чем азот. При этом из жидкости испаряется количество азота, приблизительно равное количеству сконденсировавшегося кислорода.

На явлении конденсации кислорода в азотно-кислородной жидкости с одновременным испарением из нее азота и основан процесс ректификации.

Сущность процесса ректификации состоит в многократном последовательном пропускании парообразной смеси кислорода и азота (образующейся при испарении жидкого воздуха) через отдельные слои жидкости с меньшим содержанием кислорода.

Поскольку жидкость содержит меньше кислорода и больше азота, она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар. Это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости и одновременно испарение из жидкости азота, т.е. обогащение им паров над жидкостью. При каждом контакте жидкости с паром жидкость обогащается кислородом, а пар – азотом до равновесного состояния.

Рассматриваемый процесс происходит при непосредственном соприкосновении пара с жидкостью и повторяется много раз до тех пор, пока не получатся пар, состоящий почти из одного азота, и жидкость, представляющая собой почти чистый жидкий кислород. Такой процесс называется массообменом.

Рассмотрим упрощенную схему многократного испарения и конденсации жидкого воздуха (рис. 1), воспользовавшись графиком на рис. 2 прошлого занятия. Для этого принимаем, что воздух представляет собой бинарную смесь, т.е. состоит только из кислорода и азота. Пусть имеется несколько сосудов (I–V) и в верхнем из них находится жидкий воздух, содержащий 21 % кислорода.

Предположим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30 %, в сосуде III – 40 %, в сосуде IV – 50 % и в сосуде V – 60 % кислорода. Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 0,1 МПа. В этом случае, как легко определить по графику, над жидкостью в сосуде V, содержащей 60 % кислорода и 40 % азота, может находиться равновесный по составу пар, в котором 73,5 % азота или 26,5 % кислорода, имеющий

Пар

6,3 % О2

9 % О2 I

II

21% О2

III

30 % О2

26,5 % О2 IV

40 % О2

V

50 % О2

Пар

Рис. 1. Упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха

температуру, равную температуре жидкости в сосуде. Подводим этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50 % кислорода и 50 % азота и поэтому является более холодной. Пар над этой жидкостью может состоять лишь из 81 % азота и 19 % кислорода, и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде. Следовательно, проводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5 % кислорода, имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею – азотом.

Из сосуда IV пар, в котором 19 % кислорода, отводится в сосуд III, где жидкость содержит 60 % азота и 40 % кислорода и имеет более низкую температуру; пар над нею должен состоять из 86 % азота и 14 % кислорода. Следовательно, пар из сосуда IV будет конденсироваться в жидкости сосуда III, оставляя в ней часть своего кислорода и испаряя из жидкости азот.

Те же рассуждения можно привести для последующих сосудов. При сливе из верхних сосудов в нижние жидкость постепенно обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.

Продолжая процесс вверх, можно получить в конце пар, состоящий почти из чистого азота, а спускаясь вниз, – чистый жидкий кислород.

В действительности этот процесс происходит много сложнее, чем он здесь описан. Тем не менее приведенная схема дает представление о сущности процесса ректификации и способе его осуществления.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах, представляющих собой вертикальную цилиндрическую колонну с расположенными внутри горизонтальными перегородками (тарелками) специального устройства. Жидкая смесь азота и кислорода стекает вниз по тарелкам (или насадке из медных или томпаковых трубочек размером 6×6 или 8×8 с толщиной стенки 0,1– 0,15 мм), а навстречу ей поднимается смесь паров азота и кислорода. Соприкасаясь на тарелках или насадке с жидкостью, пары отдают кислород, а сами обогащаются азотом, испаряемым из жидкости конденсирующимся в ней кислородом. В результате этого на верху колонны получают почти чистый газообразный азот, а внизу – жидкость, состоящую почти из чистого кислорода.

Ректификационная тарелка. Обычно тарелки подразделяют на ситчатые (рис. 2) и колпачковые (рис. 3).

Рис. 2. Схема устройства ситчатой ректификационной тарелки:

1 – тарелка; 2 – переливной стакан

Ситчатая тарелка изготовляется из листовой латуни, аммония или нержавеющей стали толщиной 0,8–1 мм, в которой в шахматном порядке на расстоянии 3,25 мм друг от друга пробиты отверстия диаметром 0,9–1,2 мм. На 1 м2 размещается 110 тысяч таких отверстий. Поднимающийся пар легко проходит через отверстия и находящийся на тарелках слой жидкости, вспенивая его. Жидкость под действием подпора пара не протекает через отверстия. Переливание жидкости с одной тарелки на другую происходит только через сливные стаканы 2. На тарелках имеются перегородки, высота которых определяет условную высоту слоя жидкости на тарелках.

3

Рис. 3. Схема устройства колпачковой ректификационной тарелки:

1 – тарелка; 2 – переливной стакан; 3 – колпачки.

В колпачковых тарелках имеются отверстия, накрытые колпачками 3. Пар через эти отверстия поступает под колпачки, выходит через прорези в нижней части колпачков и проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. Мелкие отверстия в сетках и колпачки разделяют поток пара на небольшие струйки для получения максимальной поверхности контакта между паром и жидкостью.

В верхней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больше азота и, наоборот, в нижней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больше кислорода, но меньше азота. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется процесс непрерывного разделения жидкого воздуха на азот, отводимый из верхней части колонны, и кислород, собирающийся в нижней её части.

Взаимодействие между паром и жидкостью на тарелке протекает следующим образом. Когда пузырек пара поднимается в жидкости, часть содержащегося в нем кислорода конденсируется и остается в жидкости; взамен этого из жидкости испаряется азот и уносится с паром к следующей тарелке. На каждой тарелке поступающая жидкость обогащается кислородом и отдает азот. Состояние равновесия между паром и жидкостью вначале достигается только на поверхности пузырька, а внутри его состав пара почти не изменяется. Лишь постепенно, по мере перемещения пузырька, дальнейшего дробления его и развития поверхности контакта между паром и жидкостью, средний состав пара над тарелкой будет приближаться к составу, равновесному с составом жидкости на тарелке. Поэтому в действительном процессе пар над жидкостью, вследствие неполного тепло- и массообмена между ними, содержит больше кислорода и меньше азота, чем это должно быть по теоретической кривой равновесия для жидкости данного состава.

Отношение действительного увеличения содержания более летучего компонента в паре (азота) при прохождении его через тарелку к теоретическому, определяемому по равновесному состоянию, называется коэффициентом обогащения (коэффициентом эффективности разделительного действия тарелки).

Например, до входа на тарелку пар содержал 50 % азота. По кривой равновесия для абсолютного давления 0,1 МПа содержание азота в паре над жидкостью такого состава должно быть около 81 %. В действительности же вследствие несовершенства массообмена на тарелке пары содержат только 60 % азота. Тогда коэффициент обогащения составит:

или 32 %.

Если состав пара над жидкостью, находящейся на тарелке, соответствует равновесному, то коэффициент обогащения ηТ = 1, и такая тарелка называется «теоретической». Число фактических тарелок всегда больше, чем теоретических.

Отношение числа теоретических тарелок (ηТ) к числу фактических тарелок (ηК) в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелки (ηТср), т.е. .

Коэффициент ηТср зависит от конструкции тарелки и условий ее работы. Чем меньше этот коэффициент, тем больше число фактических тарелок должна иметь колонна для получения продуктов заданных концентраций.

При расчете ректификации воздуха как бинарной смеси, принимаются следующие значения кпд тарелок:

для нижней колонны……………………………………………..….0,3–0,5

для верхней колонны

выше места ввода кубовой жидкости…………………………0,3–0,5

ниже места ввода кубовой жидкости………………………….0,2–0,3

На кпд тарелки влияют два основных фактора: унос капель жидкости поднимающимися парами и характер движения жидкости на тарелке.

Унос жидкости зависит от скорости движения паров в колонне. Для воздухоразделительных аппаратов обычно принимаются следующие скорости паров, отнесенные к нормальным физическим условиям и номинальному внутреннему диаметру обечайки колонны (м/сек):

для нижней колонны……………………………………………….0,1–0,25

для верхней колонны

выше места ввода кубовой жидкости…………………………0,3–0,8

ниже места ввода кубовой жидкости……………………..….0,25–0,5

Проходя через слой жидкости на тарелке, пары уносят капельки жидкости на лежащую выше тарелку и тем ухудшают разделение смеси, так как увеличивают содержание кислорода на верхней тарелке, понижая кпд последней. Чем выше скорость паров, тем больше унос жидкости и тем меньше кпд тарелок. Влияние уноса можно снизить, увеличив расстояние между тарелками, но при этом возрастает высота колонны. Унос тем больше, чем выше уровень жидкости на тарелке. Расстояние между тарелками обычно равно 50–100 мм. Для уменьшения уноса жидкости над тарелками ставят отбойные устройства или увеличивают диаметр отверстий в ситчатых тарелках (до 1,3 мм).

Характер движения жидкости на тарелке влияет на равномерность распределения жидкости и пара по поверхности тарелки. Если движение жидкости на тарелке упорядочено и происходит в одном направлении, то коэффициент обогащения будет наибольший.

Разделение воздуха на составные части обычно осуществляется в колоннах одно- или двукратной ректификации.

Однократная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот без предварительного его обогащения кислородом.

Колонна однократной ректификации проста в исполнении и эксплуатации. Схема такой колонны представлена на рис. 4.

3 4

Рис. 4. Схема аппарата однократной ректификации для получения кислорода

Предварительно охлажденный в теплообменнике выходящими из аппарата по трубе 3 кислородом и по трубе 9 азотом сжатый воздух по трубе 4 направляется в змеевик 6, погруженный в сосуд испарителя (куб) 5 с кипящим жидким кислородом. В змеевике сжатый воздух частично конденсируется и испаряет соответствующее количество кислорода. После змеевика воздух проходит дроссельный вентиль 7, что снижает избыточное давление до 0,02–0,03 МПа и по трубе 8 подается на верх ректификационной колонны. Часть воздуха при этом испаряется, а большая часть стекает вниз по тарелкам 2. Этот воздух обогащается кислородом, контактируя на тарелках с поднимающимися парами. В результате в испарителе собирается жидкий кислород, часть паров которого отводится через трубу 3 в качестве продукта. Образующиеся в испарителе и проходящие вверх по колонне пары обогащаются азотом; на верху колонны пар содержит 88–93 % азота и 7– 12 % кислорода. Эта смесь (отбросный азот) по трубе 9 выбрасывается в атмосферу, предварительно пройдя теплообменник, в котором она охлаждает поступающий сжатый воздух.

Схема азотного аппарата однократной ректификации дана на рис. 5.

Рис. 5. Схема аппарата однократной ректификации для получения азота

Сжатый в компрессоре воздух после теплообменника подается через дроссельный вентиль 7 в куб 5 колонны, откуда через второй дроссельный вентиль поступает в межтрубное пространство конденсатора 12 для охлаждения и конденсации газообразного азота, собирающегося в трубках конденсатора. Чистый газообразный азот отводится из-под крышки конденсатора, а жидкий азот сливается из карманов 11. Обогащенный кислородом воздух из межтрубного пространства конденсатора отводится, как и газообразный азот, в межтрубное пространство теплообменника, охлаждая поступающий в колонну сжатый воздух.

При получении технического кислорода аппарат однократной ректификации работает неэкономично, так как вместе с отбросным газом в атмосферу выбрасывается около 1/13 кислорода, содержавшегося в перерабатываемом воздухе. Обусловлено это тем, что верхняя тарелка орошается жидким воздухом, над которым равновесный по составу пар теоретически должен содержать около 7 % кислорода. Для того, чтобы уменьшить потери кислорода с отходящим азотом, необходимо верхнюю тарелку орошать не жидким воздухом, а жидким азотом, для чего применяют аппараты двукратной ректификации.

Двукратная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот в два этапа: вначале жидкий воздух обогащается кислородом, а затем он разделяется на жидкий кислород и газообразный азот.

Схема кислородного аппарата двукратной ректификации приведена на рис. 6. Этот аппарат состоит из двух ректификационных колонн. В нижней колонне А происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азото-кислородную смесь. Эти жидкости исполь-зуются затем для орошения верхней колонны Б, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот.

При данных составах пара в верхней части нижней колонны и жидкости в конденсаторе количество конденсирующихся паров азота определяется высотой уровня жидкого кислорода между трубками конденсатора (т.е. размером действующей поверхности теплопередачи в конденсаторе) и величиной давления в нижней колонне А. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной Б, избыточное давление в которой не превышает 0,05 МПа; это давление обусловлено сопротивлением линий отвода продуктов разделения (кислорода и азота из колонны).

Жидкий кислород заполняет межтрубное пространство конденсатора. Поскольку избыточное давление паров азота составляет около 0,5 МПа, а паров кислорода – около 0,05 МПа, температура конденсации паров азота на несколько градусов превышает температуру жидкого кислорода. Вследствие этого азот конденсируется в трубках конденсатора и стекает в нижнюю колонну, орошая ее насадку, расположенную выше ввода жидкого воздуха из змеевика испарителя, и обеспечивает процесс ректификации на ней.

Остальная часть жидкого азота (концентрация 94–97 %) собирается в карманах 7 конденсатора и через азотный дроссельный вентиль 11 подается на орошение верхней тарелки колонны Б. В ту же колонну, примерно на уровне 2/3 ее высоты, через кислородный дроссельный вентиль 6 подается жидкая азото-кислородная смесь (кубовая жидкость) из куба 2. В результате ректификации в верхней колонне, в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород концентрации 99,5÷99,8 %. Пары его частично поднимаются вверх по колонне и участвуют в процессе ректификации, в частично отводятся по трубе 10 в теплообменник и затем направляются в газгольдер готового продукта. Азот концентрации 97–98 % собирается в верхней части колонны Б и по трубе 12 через теплообменник удаляется в атмосферу.

Благодаря тому, что в верхнюю часть колонны аппарата двукратной ректификации подается почти чистый жидкий азот, отходящий азот (при достаточном орошении верхней тарелки) содержит не более 2-3 % кислорода. Следовательно, потери кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации, и процесс разделения воздуха при двукратной ректификации более экономичен.

Воздушный дроссельный вентиль ставят после змеевика куба нижней колонны и пропускают через него весь воздух. Конденсируясь в змеевике, воздух одновременно испаряет часть кубовой жидкости, образуя пары для ректификации на тарелках, расположенных ниже уровня ввода воздуха в колонну. Жидкий воздух, стекая вниз, несколько обогащается кислородом (примерно 45 %), что соответственно уменьшает количество азота в кубовой жидкости, а это дает возможность увеличить количество азота, подаваемого в верхнюю колонну, и тем улучшить в ней процесс ректификации. Змеевики в кубе колонны устанавливаются только в воздухоразделительных аппаратах небольшой производительности, работающих с использованием воздуха высокого давления.

Змеевика в кубе колонны может и не быть. В этом случае, воздух после теплообменников по трубе 1 (рис. 7) поступает к дроссельному вентилю 2, в котором давление понижается до давления в нижней колонне 3, а затем непосредственно в куб 4 колонны. При дросселировании воздух частично сжижается и собирается в кубе 4 нижней колонны, образуя жидкость, обогащенную кислородом до 35–39 %. Эта жидкость по трубе 5 подается через кислородный дроссельный вентиль 6 на дальнейшую ректификацию в верхнюю колонну. Туда же подается через дроссельный вентиль 7 жидкий азот из карманов конденсатора 8. Часть воздуха из куба поднимается в виде пара и подвергается ректификации на тарелках 9 нижней колонны при соприкосновении со стекающей жидкостью.

8

Рис. 7. Схема нижней колонны без змеевика

в кубе колонны

Эти изменения могут быть вызваны следующими причинами:

уменьшением высоты воздухоразделительного аппарата;

требованиями получить наряду с кислородом чистый азот и другие компоненты воздуха;

стремлением снизить расход энергии на процесс ректификации.

Уменьшение высоты аппарата достигается установкой колонны высокого давления 1 рядом с колонной низкого давления 3. При этом используются два конденсатора-испарителя: один (2) устанавливают над колонной высокого давления, а другой (4) – под колонной низкого давления. Часть кубовой жидкости подается через дроссельный вентиль в конденсатор колонны высокого давления. Пары кубовой жидкости из конденсатора

R N

К

4

Рис. 8. Схема воздухоразделительного аппарата с распо-

ложением колонны высокого и низкого давления

на одном уровне

Теплообменные процессы играют важную роль в разделении воздуха методом глубокого охлаждения и в ряде случаев определяют эффективность работы блоков разделения. К основным теплообменным процессам технологии разделения воздуха относятся охлаждение и нагревание, а также конденсация и испарение воздуха и продуктов его разделения.

Теплообменные аппараты по принципу действия могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называют теплообменники, в которых тепло передается через стенки, разделяющие теплоносители (греющую и нагреваемую среды). Особую группу рекуперативных теплообменников составляют конденсаторы-испарители, в которых происходит процесс теплообмена с изменением агрегатного состояния теплообменивающихся веществ. Регенеративными теплообменниками принято называть аппараты, в которых тепло передается с помощью аккумулирующей его насадки. Такими аппаратами являются прежде всего регенераторы.

В регенераторах и в рекуперативных пластинчато-ребристых теплообменниках, работающих в режиме реверсивных аппаратов, одновременно с процессом теплообмена происходит очистка воздуха от паров воды и двуокиси углерода.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Примером таких аппа­ратов являются скрубберы, служащие для охлаждения воды за счет ее самоиспарения в сухом отходящем азоте или для охлаждения при противоточном контакте с холодной водой воздуха, поступающего в уста­новку.

При соприкосновении воды и воздуха, помимо конвективного теплообмена, обуславливаемого температурным градиентом, происходит также и влагообмен, обусловленный разностью парциальных давлений водяного пара у поверхности воды и в ядре потока. При этом происходит либо испарение влаги и переход ее в газовую среду, либо конденсация паров из воздуха на поверхности жидкости. В процессе влагообмена вместе с парами перено­сится и тепло, затраченное на их образование.

Рекуперативные теплообменные аппараты воздухоразделительных уста­новок в соответствии с конструктивным оформлением могут быть разделены на три основные группы: прямотрубные, из витых труб и пластинчаторебристые.

Прямотрубные теплообменники наиболее просты по конструкции и чаще всего служат для нагревания и охлаждения газа низкого давления. Такие теплообменники работают, как правило, при сравнительно небольших перепадах температур по длине аппарата и при относительно высоких тем­пературных напорах между потоками.

Теплообменники из витых труб применяют обычно для охлаждения воздуха высокого и среднего давления, а также для переохлаждения сжиженных газов.

Если коэффициент теплоотдачи со стороны потока, протекающего в межтрубном пространстве витого теплообменника, существенно ниже коэффи­циента теплоотдачи от потока в трубках (теплообменники высокого давления, переохладители сжиженных газов и др.), то намотка теплообменника может быть выполнена из оребренных труб. Когда величина коэффициентов тепло­отдачи с обеих сторон теплообменной поверхности сравнительно невелика (теплообмен между потоками газов низкого давления) целесообразнее при­менять двустороннее оребрение. Наиболее рациональной конструкцией с двусторонним оребрением являются пластинчато-ребристые теплообмен­ники, которые по сравнению с аппаратами трубчатого типа имеют следующие преимущества: компактность поверхности, небольшие вес и габариты тепло­обменника; возможность автоматизации изготовления и создания оптимальных конструкций в отношении теплообмена и гидравлического сопротивления и др.

Трубчатые теплообменные аппараты

В виде прямотрубных теплообменников изготовляют подогреватели азота и воздуха, идущих; на отогрев кислородных установок низкого давления, а также детандерные теплообменники. В виде кожухотрубных аппаратов с пря­мыми трубами изготовляют вымораживатели паров воды и вымораживатели двуокиси углерода (установка БР-6). В прямотрубных теплообменниках коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве обычно ниже, чем внутри труб. Поэтому для улучшения теплообмена в аппаратах данного типа каждый ряд трубок, расположенный по окружности,

стягивают проволокой, при этом зазор между трубками в межтрубном пространстве полу­чается равным диаметру проволоки (детандерные теплообменники установок БР-1, БР-5) или устанавливают в межтрубном пространстве поперечные перегородки (вымораживатели двуокиси угле­рода установки БР-6).

Рис. 1. Подогре­ватель азота

На рис. 1 изображен подогреватель азота установки БР-1, предназначенный для подогрева 19000–24000 м3/ч азота от 95 до 120–190˚К. Теплообменник имеет поверхность теплообмена 70 м2. Азот под давлением до 0,13 Мн/м2 проходит по межтрубному пространству, а воздух под давлением до 0,6 Мн/м2 – по трубам d = 8 × 0,5 мм.

Витые теплообменники воздухоразделительных установок могут быть выполнены в виде одно- и многосекционных, а также двух- и многопоточных аппаратов.

Особую группу витых аппаратов представляют собой теплообменники типа «труба в трубе», которые применяют обычно в кислородных установках малой производительности. Навивка такого теплообменника выполняется из труб малого диаметра, вставленных в трубы большего диаметра. Например, в теплообменнике установки АКДС-30 воздух высокого давления охлаждается,

Рис. 2. Типы навивки витых теплообменников

проходя по кольцевому зазору, образованному трубами диаметром 10×1,5 мм и вставленными в них трубами диаметром 5,0×1,0 мм. Воздух охлаждается кислородом, проходящим по внутренним трубам, и отбросным азотом, поступающим в межтрубное пространство.

При изготовлении витых теплообменников трубы навивают по винтовой линии на сердечник. Диаметр сердечника Dс во избежание сплющивания труб при навивке выбирают в зависимости от их наружного диаметра Dс = (10÷20) dн. Чем тоньше стенки труб, тем больше должен быть диаметр сердечника. Для создания наиболее рациональной конструкции и размеров навивки витые теплообменники делают многозаходными. Число заходов в каждом ряду труб выбирают таким, чтобы обеспечить одинаковый нагрев или охлаждение потоков газа, протекающих во всех трубах; длина труб (в соответствии с задаваемыми скоростями движения газа и с допустимым гидравлическим сопротивлением) может быть от 5 до 50 м.

По характеру применяемых труб и способу их навивки витые тепло­обменники разделяют на следующие типы (рис. 2): из гладких труб с плот­ной (тип I а), разряженной (тип I б), шаговой (тип I в) навивкой и навивкой из оребренных труб (тип II).

Теплообменники с плотной навивкой менее эффективны, чем с разря­женной и шаговой навивками, но более компактны и просты в изготовлении. Теплообменники с шаговой навивкой обладают сравнительно высокими коэффициентами теплоотдачи в межтрубном пространстве, но имеют более высокое гидравлическое сопротивление. В теплообменниках с плотной и разряженной навивками между рядами труб при их намотке ставят про­кладки, толщина которых определяется заданным гидравлическим сопротив­лением потоку в межтрубном пространстве. На сердечнике и на наружном ряду труб прокладка делается в 2 раза тоньше. Прокладку толщиной меньше I мм делать не рекомендуется. Шаговую навивку выполняют без дистанционных прокладок с изменением направления навивки труб от ряда к ряду.

Теплообменники из оребренных труб применяют в тех случаях, когда коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве значительно ниже коэффициентов теплоотдачи от потока, протекающего в трубах, например, в теплообменниках высокого давления в 5–8 раз или в переохладителях жидкости в 8–10 раз.

Применяя в этих аппаратах оребренные трубы с соответствующим коэффициентом оребрения от 5 до 10, можно существенно уменьшить массу и габариты аппаратов. Наиболее рациональными в отношении изготовления являются трубы с поперечными винтовыми ребрами, полученными накаткой, т. е. пластической деформацией металла из толстостенных гладких труб. Способ накатки ребер дает возможность получать оребренные трубы из меди и алюминия, практически любых требующихся диаметров и длин и непосредственно из бухты.

Пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники по своим весовым, габаритным и эксплуатационным характеристикам являются наиболее совершенными аппаратами. Для низкотемпературных установок такие теплообменники изготовляют из алюминиевых сплавов. Основной частью пластинчато–ребристого теплообменника является многослойный пакет, в

Рис. 3. Элементы пластинчато-ребристого теплообменника:

а – отдельный канал; б – элементы в собранном виде

котором между проставочными листами толщиной 0,5–1,0 мм расположена ребристая насадка. Проставочные листы плакированы силумином, который является припоем. Отдельный канал и собранный пакет пластинчато-ребристого тепло­обменника показаны на рис. 3. По периметру каждого канала, оставляя свободными лишь места для входа и выхода потока, укладывают проставочные элементы, которые могут быть выполнены в виде различных профилей: швеллеров, брусков различной формы и др.

Ребристая насадка представляет собой гофрированную поверхность. С помощью штамповки на поверхности наносятся прорези, перемычки между которыми отгибаются, и им придается та или иная форма; перемычки являются ребрами. Материалом для насадки служит фольга толщиной 0,1–0,5 мм.

Проставочные элементы, ребристую насадку и листы соединяют пайкой при погружении собранного пакета в ванну с расплавленными солями, которые проникают во все каналы пакета, разогревают и флюсуют поверхность. После пайки пакет отмывают от солей и испытывают на герметичность. Коллекторы к пакету присоединяют с помощью аргоно-дуговой сварки. Изготовленный таким образом пластинчато-ребристый теплообменник представляет собой легкую, но жесткую конструкцию, спо­собную работать при давлении до 3,0 Мн/м2 и выше.

В технике низких температур пластинчато-ребристые теплообменники широко применяют в воздухоразделительных и криогенных установках, в процессах синтеза аммиака, получения этилена, разделения природных газов и др. В воздухоразделительных установках такие теплообменники применяют в качестве реверсивных теплообменников вместо регенераторов, предварительных и основных теплообменников, теплообменников- подогре­вателей, переохладителей, конденсаторов.

В зависимости от назначения и условий работы теплообменника при его изготовлении могут быть использованы различные ребристые насадки, которые можно разделить на шесть типов (с гладкими непрерывными ребрами, волнистыми, прерывистыми, чешуйчатыми, шиповыми и перфорированными ребрами (рис. 4)).

Гладкие ребра обеспечивают безотрывное течение газа в каналах, аналогичное в основном течению в гладких трубах.

Волнистые ребра турбулизируют поток, вследствие чего увеличиваются коэффициент теплоотдачи α и коэффициент сопротивления f. Применение волнистых ребер вместо гладких существенно уменьшает длину теплообмен­ника при некотором увеличении поперечного сечения.

Прерывистые ребра характеризуются сравнительно высокими значе­ниями α и f. Можно предположить, что при набегании потока газа на каждое ребро при определенных режимах течения пограничный слой формируется заново и при малой длине ребра вдоль потока (прорези, нанесены через 1–2 мм) имеет сравнительно небольшую среднюю толщину. Это приводит,

Рис. 4. Схематичное изображение пластинчато-ребристых поверхностей:

а – с гладкими непрерывными ребрами; б – с волнистыми;

в – с преры­вистыми; г – с чешуйчатыми; д – с шиповыми;

е – с перфорированными ребрами.

с одной стороны, к малому термическому сопротивлению пограничного слоя, с другой – к дополнительной потере энергии, связанной с частным разру­шением и формированием пограничного слоя.

Чешуйчатые ребра, характеризуемые также сравнительно высокими значениями α и f, имеют несколько большую длину вдоль потока, чем пре­рывистые, но отогнуты таким образом, что создают условия для перемеши­вания потока в поперечном направлении.

Шиповые ребра обеспечивают поперечное обтекание шипов, аналогич­ное, в некоторой степени, обтеканию пучка труб поперечным потоком. Шипы могут быть круглого поперечного сечения либо иметь профиль, более благоприятный в аэродинамическом отношении. Для шиповых ребер ха­рактерны высокие значения α и f.

Перфорированные, т. е. непрерывные ребра, изготовленные из перфо­рированного листа, характеризуются несколько более высокими значе­ниями α и f, чем гладкие непрерывные ребра.

Внутри каждого типа ребер могут существенно изменяться такие раз­меры, как толщина ребер, шаг, расстояние между прорезями и др.

Размеры теплообменника зависят как от типоразмера выбранного оребрения, так и от тепловой нагрузки, температурного режима и допускаемого падения давления в аппарате, определяемых условиями работы установок. Серийное производство пластинчато-ребристых теплообменников по известной технологии требует разработки и создания определенных типоразмеров секций, соединяя которые с помощью коллекторов последовательно и параллельно, можно скомпоновать теплообменник с необходимым поперечным сечением и поверхностью.

В табл. 1 приведены габаритные размеры секций, которые могут быть использованы для крупных воздухоразделительных и криогенных установок. Высота пакета секции, определяемая числом каналов, выбирается так же, как и число параллельно соединяемых секций, в зависимости от величины требуемого поперечного сечения теплообменника и исходя из условий наивыгоднейшей компоновки параллельно соединяемых секции. Однако высота пакета не может быть больше максимальной, определяемой размерами технологического оборудования. Коллектирование теплообменников из отдельных секций требует тщательного анализа гидравлических сопротивлений самих секций, распределителей и коллекторов.

Распределители служат для равномерного распределения потока по сечению пакета и должны иметь по возможности наименьшее гидравлическое сопротивление и достаточную механическую прочность. Конструкция распре­делителя определяется назначением и условиями работы теплообменника. Применительно к воздухоразделительным и криогенным установкам могут быть рекомендованы два основных типа распределителей: переключающихся и непереключающихся потоков. Распределители первого типа должны обес­печивать одинаковые по форме и размерам каналы на всем протяжении тепло­обменника (рис. 5, б). Распределители второго типа могут быть выполнены различными по конструкции. В секции двухпоточного нереверсивного тепло­обменника в каналах обратного потока распределители можно вообще не ставить (рис. 5, а), что позволяет существенно сократить сопротивле­ние по тракту обратного потока. В секциях многопоточных реверсив­ных теплообменников обычно исполь­зуют распределители обоих типов.

При последовательном соедине­нии нескольких секций гидравли­ческое сопротивление теплообменни­ков увеличивается за счет сопротив­ления коллектора и распределителей, которое зависит от их конструкции и может составлять значительную долю в общем сопротивлении тепло­обменника.

При параллельном соединении секций на работу теплообменника суще­ственно влияет равномерность распределения потока между секциями.

В пластинчато-ребристых теплообменниках в каждой секции и между секциями, соединенными параллельно, распределение газа может быть не­равномерным. Высокая теплопроводность металла в известной степени ком­пенсирует неравномерность распределения газа в каждой секции. Более

Габаритные размеры типовых секций, мм

Таблица 1

серьезной проблемой является обеспечение равномерного распределения газа между параллельными секциями, так как неравномерность распределе­ния потоков здесь может вызывать значительное увеличение недорекупера­ции и привести к возрастанию потерь холода установки. Это особенно отно­сится к теплообменникам, работающим при больших перепадах температур по длине и малых температурных напорах между потоками.

Рис. 5. Схема каналов пластинчато-ребристых теплообменников.

1 – рабочая поверхность – прерывистые ребра; 2 – распределитель – гладкие ребра; 3 – распределитель – перфорированные ребра; 4, 5 – «косые срезы» на входе в рабочую поверхность и выходе из нее.

Во избежание недопустимого увеличения недорекуперации секции перед коллектированием подвергаются гидравлическим испытаниям. К параллельному коллектированию допускаются только секции, имеющие практически одинаковые сопротивления.

Реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники можно использовать в воздухо-разделительных установках в качестве реверсивных для одновременного охлаждения и очистки исходного газа. Особенно целесообразно их применение в установках для производства чистых продуктов, так как в теплообменниках такого типа сравнительно легко осуществляется теплообмен между несколь­кими потоками газа.

В реверсивном теплообменнике сжатый газ охлаждается чистым обрат­ным потоком, идущим противоточно и имеющим давление, близкое к атмо­сферному. При этом одновременно с теплообменом происходит выморажи­вание паров влаги и двуокиси углерода. Через определенное время потоки переключаются, и чистый обратный поток, проходя по каналам, нагревается и возгоняет примеси, отложившиеся из прямого потока. Период между пере­ключениями потоков определяется допустимым повышением сопротивления на обратном потоке и обычно принимается от 15 до 30 мин.

Одной из главных задач, возникающих при проектировании тепло­обменников, является выбор габаритов и режима работы аппарата, обеспе­чивающих необходимую продолжительность рабочей кампании установки. Продолжительность кампании зависит от тщательности очистки рабочего газа в теплообменниках, определяющей забиваемость коммуникаций и ап­паратов, расположенных за теплообменниками, и от скорости накопления примесей в теплообменниках. В условиях установок разделения воздуха воз­можны два варианта работы реверсивных теплообменников: в режиме мак­симально длительной кампании, при котором все примеси, вымерзающие в аппарате, возгоняются обратным потоком, и в режиме сокращенной кам­пании (в небольших и транспортных установках), при котором допустимо накапливание примесей в аппарате.

Конденсаторы-испарители в блоках разделения воздуха служат для конденсации азота за счет испарения кислорода или обогащенного кислородом воздуха, т. е. представляют собой теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена происходит с изменением агрегатного состояния веществ.

От эффективности работы конденсатора-испарителя часто в значитель­ной степени зависит экономичность работы всей установки. В установках низкого давления увеличение на 1°С разности температур между конденси­рующимся азотом и кипящим кислородом ведет к увеличению расхода электроэнергии на сжатие воздуха на 4–5%.

Конструктивно конденсаторы-испарители могут быть следующих типов:

горизонтальные кожухотрубные аппараты:

а) с кипением жидкости внутри труб и с конденсацией снаружи;

б) с кипением снаружи и с конденсацией внутри труб;

вертикальные:

а) бесфланцевые аппараты с кипением в межтрубном пространстве и конденсацией внутри труб;

б) фланцевые ап­параты с кипением кислорода в межтрубном пространстве;

в) бесфланце­вые аппараты с внутритрубным кипением и конденсацией снаружи труб;

так называемые «выносные конденсаторы» делаются часто витыми с ки­пением кислорода внутри труб;

кожухотрубные аппараты оросительного типа с внутритрубным кипением стекающей пленки жидкости и с конден­сацией снаружи труб;

за последнее время появилась тенденция к переходу от кожухотрубных конденсаторов к пластинчато-ребристым.

Горизонтальные конденсаторы-испарители являются мало эффективными аппаратами, так как в них, в связи с затрудненным отводом паров или кон­денсата, блокируется образовавшейся новой фазой поверхность теплообмена, ухудшается теплоотдача с внутренней стороны трубы. Поэтому за редким исключением в установках разделения воздуха применяют вертикальные конденсаторы-испарители указанных выше типов.

На рис. 1 изображен бесфланцевый конденсатор-испаритель с кипе­нием в межтрубном пространстве. Такой тип конденсатора применяют в уста­новках малой производительности, а также в аргонных и криптоновых колон­нах крупных установок. Соединяют конденсатор с колоннами низкого и вы­сокого давления при помощи пайки. Основные размеры аппарата даны при­менительно к конденсатору с поверхностью теплообмена F = 20 мг. Конденсаторы-испарители с кипением кислорода в межтрубном пространстве имеют невысокий коэффициент теплопередачи, равный 500–600 вm/(м2·град). Причиной этого служат прежде всего малая теплоотдача со стороны кипящей жидкости из-за плохой организации парожидкостного потока.

На рис. 2 изображен конденсатор-испаритель F = 760 м2 с кипением кислорода в трубах. Такого типа аппараты в отечественной технике разделения воздуха применяют в крупных установках. В отличие от предыдущих аппараты этого типа не встраиваются в колонны, что позволяет создавать в агрегате требуемую поверхность теплообмена путем изменения не только размеров аппарата, но и их числа. Агрегат БР-1 с номинальной производи­тельностью 12 500 нм3/ч технологического кислорода имеет, например, три основных конденсатора по 760 м2.

В конденсаторах-испарителях с внутритрубным кипением при тепловых нагрузках, обычных для промышленных установок [q > 1200 вт/(м2·град)]г коэффициенты теплоотдачи составляют 700—800 вm/(м2·град).

Основным преимуществом конденсаторов-испарителей данного типа является простота осуществления конструкции с большим отношением (высоты трубы к ее диаметру l/d; при этом можно иметь сравнительно небольшой уровень жидкости, отнесенный к некипящему кислороду, над нижним обрезом труб, чем обеспе­чивается минимальная потеря температурного на­пора в нижней части аппарата, обусловленная гид­ростатическим давлением столба жидкости. Для организации циркуляции жидкости конденсатор имеет в середине циркуляционную трубу. Из цир­куляционной трубы осуществляется также и отбор жидкого кислорода в продукционный – выносной, конденсатор, так как стекающая в циркуляционную трубу жидкость имеет несколько более высокую концентрацию, чем жидкость, поступающая в кон­денсатор из колонны.

Конденсаторы-испарители с внутритрубным кипением могут дополнительно к своей основной функции выполнять также роль парлифта, слу­жащего для подъема кипящей жидкости. Использо­вание конденсаторов в качестве парлифтов дает воз­можность устанавливать колонну низкого давления на одной отметке с колонной высокого давле­ния, обходясь при этом без насоса для подачи флегмы.

Дальнейшее повышение интенсивности тепло­обмена в конденсаторах испарителях может быть достигнуто применением конденсаторов-испарителей оросительного типа (рис. 3). Высокая эффек­тивность конденсаторов-испарителей оросительного типа обусловливается тем, что процесс кипения происходит в жидкости, стекающей по стенке в виде тонкой пленки толщиной δ< 1,5 мм, теплоотдача при которой возрастает вследствие увеличенной час­тоты отрыва пузырьков пара в ней и турбулизации пленки, а также вследствие испарения ее. Кроме того, в оросительных конденсаторах отсутствует депрессия температурного напора и малоэффективная зона подогрева кислорода до температуры кипения. Интенсивность теплообмена особенно возрастает при переходе с парлифтного режима на оросительный при малых тепловых нагрузках. Для тепловой нагрузки, например 1000 вт/м2, коэффициент теплоотдачи возрастает более чем в 2 раза.

При соприкосновении с поверхностью твердого вещества или жидкости, температура которых ниже температуры насыщения, пар конденсируется. Можно различать три вида конденсации на твердой поверхности. На поверх­ностях, хорошо смачиваемых жидкостью, наблюдается пленочная конден­сация, при которой конденсат растекается по поверхности сплошной плен­кой. На несмачиваемой поверхности происходит капельная конденсация, при которой конденсат выпадает в виде отдельных капель. При смешанной конденсации поверхность теплообмена частично покрывается пленкой кон­денсата, а на части ее образуются капли. При капельной конденсации вслед­ствие отсутствия термического сопротивления конденсата теплоотдача более интенсивна, чем при пленочной.

Продукты разделения воздуха (азот, кислород, аргон) принадлежат к числу веществ, хорошо смачивающих металлические поверхности труб конденсаторов и других аппаратов. Поэтому в аппаратах воздухоразделительных установок происходит пленочная конденсация, применительно к которой и рассматриваем процесс теплообмена. Можно считать доказан­ным, что основным термическим сопротивлением, определяющим интенсив­ность процесса, является термическое сопротивление жидкой пленки стекаю­щего конденсата. Такое положение существенно упрощает рассмотрение вопроса и сводит его к исследованию поведения пленки конденсата.

Нуссельт еще в 1916 г. теоретически вывел зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной стенке для чисто ламинарного стекания пленки конденсата при постоянной темпера­туре теплообменной поверхности и при постоянных значениях на всей по­верхности физических параметров жидкости (теплопроводности, вязкости и плотности). Если определяющей является заданная удельная тепловая нагрузка, эту зависимость удобно представить в следующей критериальной форме:

После опубликования работы Нуссельта рядом авторов были проведены экспериментальные исследования теплоотдачи при конденсации паров, а также рассмотрено влияние на теплоотдачу волнового характера стекания пленки. В этих работах в большинстве случаев получались коэффициенты теплоотдачи больше подсчитанных по формуле 1 примерно на 20%. Для длинных труб при достаточно больших тепловых нагрузках получались даже качественные расхождения – коэффициенты теплоотдачи переставали зависеть от тепловых нагрузок вследствие турбулизации стекания пленки. Исследования процесса теплоотдачи при конденсации технического азота, кислорода и аргона, в зависимости от тепловой нагрузки и длины труб позволили установить три различных режима.

При малой интенсивности процесса (Re’ ≤ 8·10-14 q/v2 ) визуально было обнаружено, что на поверхности теплообмена высаживаются мельчайшие кристаллы твердых примесей (Н2О, СО2 и др.), которые обычно в небольшом количестве содержатся в жидких чистых продуктах разделения воздуха. Налет кристаллов на поверхности труб вызывает торможение, а следо­вательно, и утолщение стекающей пленки конденсата, что приводит к ухуд­шению теплоотдачи от конденсирующихся паров к стенке. Для этого слу­чая:

При тепловых нагрузках, для которых Re’ ≥ 8·10-14 q/v2 кристаллы с теплообменной поверхности смываются стекающей жидкостью.

При отсутствии влияния на теплообмен налета кристаллов, высаживаю­щихся на теплообменной поверхности, установленная экспериментально зависимость для теплоотдачи аналогична формуле Нуссельта (93) и отли­чается от последней лишь величиной коэффициента пропорциональности. В формулу (93) входит коэффициент, найденный теоретически и равный 0,925. По данным экспериментов, коэффициент пропорциональности С1 = 1,0÷1,12. При этом, чем выше число Re’, тем больше С1.

Принимая С1 = 1,0 при ламинарном стекании пленки конденсата по чистой теплообменной поверхности, можно рекомендовать следующую расчетную формулу:

При больших тепловых нагрузках, когда число Re’ больше некоторой критической величины, появляется значительный молярный перенос тепла, и теплоотдача практически не зависит от числа Рейнольдса.

В результате проведенных исследований определено, что

Re’кр = 6,22*10-5 Ga0,24 (4)

Исходя из уравнений (3) и (4) и наибольшей величины коэффициента пропорциональности С1 = 1,12 в условиях низких температур, для расчета а при конденсации с большими тепловыми нагрузками, можно рекомендовать следующее выражение:

Nu = 0,013 Ga0,413 (5)

Присутствие неконденсирующихся примесей даже в малых количествах резко снижает коэффициенты теплоотдачи. Это является результатом блокирования поверхности пленки стекающего конденсата неконденсирующи­мися газами. Скорость подвода рабочих паров к стенке, а следовательно, и скорость теплоотдачи начинают ограничиваться интенсивностью диффузии через образовавшийся газовый слой. Опыт эксплуатации кислородных уста­новок показывает, что присутствие, например, неоно-гелиевой смеси в азоте резко снижает производительность конденсаторов азота. Поэтому в верхней части всех конденсаторов воздухоразделительных установок имеются про­дувочные штуцеры для отвода неконденсирующихся компонентов воздуха. Качественное представление о том, какое влияние на теплообмен оказывает присутствие неконденсирующихся примесей может дать график (рис. 4), показывающий изменение коэффициента теплоот­дачи при конденсации водяного пара в зависимо­сти от количества примеси воздуха.

Рис. 4. Опытные значения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной тру­бе в присутствии воздуха

Влияние перегрева паров на теплоотдачу экспериментально и теоретически исследовалось рядом авторов. Было установлено, что если тем­пература охлаждающей поверхности ниже темпе­ратуры насыщения при данном давлении, то, не­смотря на наличие перегрева паров в ядре потока, на стенке происходит конденсация; ядро потока и пленка конденсата обмениваются теплом, вслед­ствие чего ядро охлаждается.

Состояние поверхности стенки также влияет на теплоотдачу при пленочной конденсации. Однако общего метода количественной оценки этого влияния нет, поэтому оно учитывается очень неточно на основе отдельных опытных рекомендаций.

Кипением называется процесс парооб­разования, происходящий в слое жидкости. В зависимости от тепловой нагрузки может быть пузырьковое или пленочное кипение. При пузырьковом кипении на поверх­ности теплообмена в так называемых цент­рах парообразования возникают отдельные пузырьки. При хорошо смачивающейся поверхности нагрева жидкость подтекает под основание пузырьков и способствует их отрыву от поверхности (рис. 5, а). На несмачиваемой поверхности пузырьки пара имеют широкое основание и достигают перед отрывом больших размеров (рис. 5, б); при этом значительная часть теплообменной поверхности покрывается паром и вследствие его плохой теплопроводности величина коэффициента теплоотдачи будет меньше, чем при кипении хорошо смачивающих стенку жидкостей.

Рис. 5. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а) и несмачиваемой (б) поверхности.

При пузырьковом кипении жидкости ее пограничный слой перемешивается (турбулизируется) образующимися и отрывающимися от стенки па­ровыми пузырьками. Чем больше центров парообразования и чем чаще отры­ваются пузырьки от поверхности, тем интенсивнее становится теплообмен. Число же центров образования паровых пузырьков и частота их отрыва и, следовательно, интенсивность теплоотдачи при кипении зависит от раз­ности температур между поверхностью нагрева и кипящей жидкостью.

По мере движения пузырька вверх через слой жидкости объем пузырька увеличивается обычно в несколько десятков раз. Это доказывает, что значительное количество тепла пузырьку передается от самой жидкости, так как она обычно бывает перегрета. Перегрев жидкости бывает тем выше, чем меньше центров парообразования на поверхности нагрева и в самой жидкости. Центрами парообразования служат на твердой поверхности впадины, ко­торые имеются на ней вследствие ее шероховатости, а жидкости – пузырьки газа или взвешенные в ней твердые частички.

Пленочное кипение возникает при больших тепловых нагрузках и характеризуется образованием сплошного слоя пара между поверхностями нагрева и массой жидкости. Вследствие того, что при пленочном кипении жидкость от поверхности нагрева отделена паровым слоем, имеющим большое термическое сопротивление, интенсивность теплоотдачи при переходе от пузырькового кипения к пленочному резко падает.

Визуальное изучение процесса кипения на единичных вертикальных трубах в большом объеме жидкого кислорода и азота позволили установить следующее: по мере увеличения (от нуля) удельной тепловой нагрузки на стенке рабочей трубы начинается хорошо заметная конвекция прилежащих к ней слоев жидкости. Интенсивность ее с ростом тепловой нагрузки все время увеличивается; наконец, при значении q = 2450 вт/мг (∆t = 4 град) на трубе, в отдельных ее местах, начинается кипение. Дальнейшее увеличение q приводит к быстрому возрастанию числа действующих на стенке центров кипения и в конце концов участки поверхности трубы, на которых происходит конвекция некипящей жидкости, совсем исчезают. При достижении нагрузок порядка qкр1 = 110 000 вт/м2 (при темпера­турном напоре для кислорода ∆tкp = 8,8 град, для азота ∆tкр= 7 град) пузырьковый процесс переходит в пленочный (верхний кризис). Постепенно с увеличением нагрузки трубка приобретает вишневый цвет, затем красный и наконец, становится светло-желтой, что указывает на очень высокую температуру трубки, доходящую до 800° С.

При снижении удельной тепловой нагрузки (от значений q >qкр) пленочное кипение сохраняется до более низких ее значений. Нижний кризис наступает для кислорода при qкp2 = 38 000, а для азота при 16000–17500 вт/м2.

При этих нагрузках происходит разрушение паровой пленки и процесс приобретает пузырьковый характер. При последующем уменьшении q интенсивность парообразования постепенно падает. При q = 1500÷1300 вт/м2 (∆t = 1,8÷1,4 град) парообразование прекращается полностью, после этого процесс возвращается к режиму чистой конвекции.

Область перехода от конвекции жидкости к пузырьковому кипению обладает интересной и практически важной особенностью, которая заключается в наличии своеобразного гистерезиса. При одном и том же значении q зависимости от первоначальной нагрузки процесс идет либо как чистая однофазная конвекция, либо как слабо развитое кипение. Соответственно сильно отличаются и коэффициенты теплоотдачи.

Визуальные наблюдения за движением кипящего кислорода в вертикальных трубах на стеклянных моделях показали, что в нижней части трубы, занятой зоной подогрева, движется светлая жидкость. Затем образуются от­дельные центры парообразования. По мере продвижения вверх парожидкостного потока мелкие пузырьки пара сливаются в крупные и течение пара приобретает «поршневой» характер. Каждый паровой «поршень» дви­гает перед собой жидкостную пробку, в то время, как часть жидкости движется в виде тонкой пленки между «поршнем» и стенкой трубы. С увеличением скорости паров жидкостные пробки разрушаются и форма потока переходит в «стержневую». В этом случае пар движется в средней части трубы, увлекая с собой жидкость, которая поднимается по стенке трубы в виде пленки.

Чем выше скорость пара, тем тоньше двигающаяся по стенке пленка жидкости. При повышении скорости движения паров в трубе, например, вследствие увеличения отношения длины трубы к диаметру l/d и при уменьшении кажущегося уровня Н относительная протяженность трубы, заня­тия «поршневой» и «стержневой» формами течения, увеличивается в резуль­тате сокращения участка пузырькового режима движения и зоны подогрева.

При кипении тонкого слоя жидкости в трубе, толщина которого меньше отрывного диаметра пузырька Do, паровой пузырек может соединиться с паро­вым пространством ранее, чем достигнет отрывного диаметра (рис. 6), что увеличивает частоту зарождения и отрыва пузырьков. Увеличение частоты отрыва пузырьков пара и уменьшение ламинарного подслоя в результате снижения толщины кольцевой пленки жидкости при кипении в трубе, а также испарение со свободной поверхности пленки увеличивают интенсивность теплоотдачи.

Уменьшение отношения l/d (при одинаковой тепловой нагрузке) приводит к снижению скорости движения паров, вследствие этого увеличивается толщина пристенного слоя жидкости и уменьшается часть теплообменной поверхности, занятая кипением и испарением тонкой пленки жидкости.

На рис. 6 показано влияние на коэффициент теплоотдачи геометри­ческих размеров труб при Н = 0,9; для заданной тепловой нагрузки с уве­личением отношения l/d в 5 раз коэффициент теплоотдачи может увеличи­ваться почти в 2 раза. При значениях l/d < 80, механизм кипения в трубе начинает приближаться к меха­низму кипения в большом объеме. Таким образом, коэффициент теп­лоотдачи при кипении в трубах зависит от структуры парожидкостного потока и скорости движения жидкости непосредственно у поверхности теплообмена. В условиях естественной циркуляции структура потока и скорость движения жидкости по всей длине трубы определяются интенсивностью парообразования; при этом скорость движения паров ωвых выходе из трубы связана со всеми факторами, влияющими на процесс теплоотдачи как в зоне кипения, так и в зоне подогрева жидкости.

Рис. 6. Зависимость диаметра парового пузырька в момент отрыва от толщины слоя кипящей жидкости.

Основная особенность гидродинамики процесса кипения в трубах, по сравнению с кипением в свободном объеме, заключается в том, что часть теплообменной поверхности, протяженность которой зависит от тепловой нагрузки, отношения геометрических размеров l/d и кажущегося уровня Н, покрыта быстродвижущимся тонким слоем кипящей жидкости. Наибольшая интенсивность тепло­отдачи наблюдается в самом начале циркуляции, когда из трубы выбрасы­вается небольшое количество жидкости, и вся поверхность ею уже омывается.

При отношении l/d > 500, а также при тепловых нагрузках q = 0,1 qкр (где qкp — критическая нагрузка при кипении в свободном объеме) интенсив­ность теплоотдачи при кипении кислорода в трубах не зависит от Н, однако эти случаи практически в воздухоразделительных установках не встречаются. Для каждого размера труб существует определенный диапазон эффек­тивных рабочих параметров, за границами которого происходит ухудше­ние теплоотдачи из-за прекращения циркуляции или из-за возникновения «сухого режима» работы в верхней части трубы. Поэтому для заданных раз­меров труб и гидродинамических условий существуют вполне определенные эффективные тепловые нагрузки и, наоборот, заданной удельной тепловой нагрузке и кажущемуся уровню отвечает определенный, наиболее эффектив­ный (в смысле теплообмена) геометрический размер трубы.

Явление гистерезиса при переходе от режима, соответствующего одно­фазной конвекции, к кипению в трубах связано с тем, что в зависимости от направления изменения тепловой нагрузки распределение поверхности трубы между зонами подогрева жидкости и кипения различно.

В современных крупных воздухоразделительных установках регене­раторы являются основными теплообменными аппаратами, выполняющими одновременно функции аппаратов для очистки воздуха от влаги и двуокиси углерода.

В регенераторах теплообмен между газовыми потоками происходит через теплоемкую массу – насадку регенератора. В течение первой части цикла по каналам, образуемым насадкой, проходит охлаждаемый газ (прямой поток); при этом тепло от газа передается насадке, в результате чего ее температура повышается. Во второй части цикла по тем же каналам насадки, но в обратном направлении, проходит поток нагреваемого газа (обратный поток). Тепло в этот период передается от насадки к газу и темпера­тура насадки понижается. Охлаждаемым газом является воздух, сжатый до давления 0,54–0,64 Мн/м2, содержащий обычно влаги 4-10-4 – 5,4·10-3% и двуокиси углерода 4,6-10-4–5,8-10-4% по весу. Нагреваемыми газами являются азот и кислород. Оба нагреваемых газа поступают в регенераторы под давлением 0,12–0,13 Мн/м2.

Рассмотренная схема позволяет одновременно с процессом теплообмена дочищать воздух от влаги и двуокиси углерода. Примеси воздуха при ох­лаждении прямого потока конденсируются или кристаллизуются на поверх­ности насадки, а при прохождении нагреваемого газа возгоняются или испаряются и уносятся этим потоком из регенератора.

В регенераторах могут быть созданы условия, при которых для выноса всех примесей воздуха, оставшихся на насадке после прохождения прямого потока, достаточно пропустить через насадку часть обратного потока. Условия, обеспечивающие вынос примесей воздуха частью обратного потока, могут быть созданы в регенераторах с каменной насадкой и встроенными змеевиками. В таких регенераторах часть обратного потока (до 40%), про­водящего непрерывно по змеевикам, участвует только в теплообмене. Во­ время первой части цикла тепло охлаждаемого потока передается насадке (большая часть) и потоку в змеевиках. В течение второй части цикла тепло от насадки передается только обратному потоку; часть тепла от обратного потока передается потоку в змеевиках.

Применяются два способа охлаждения насадки регенераторов: холодным обратным потоком и чередованием прямого и обратного потоков.

Способ охлаждения обратным потоком является наиболее эффективным ввиду отсутствия потока, нагревающего насадку. Однако его можно применять, во-первых, когда для получения холода не нужен воздух, прошедший че­рез регенераторы, и, во-вторых, когда имеется возможность пропустить че­рез регенераторы воздух, охлажденный в холодильном цикле.

Необходимое для нормальной работы регенераторов изменение темпера­туры насадки по высоте регенератора устанавливается после подачи теплого потока. Опытным путем найдено, что обычное чередование прямого и обрат­ного потоков следует начинать после того, как температура потока газа в сере­дине регенератора понизится до 170–180° К. Продолжительность охлажде­ния насадки до подачи теплого потока зависит от того, какое количество воздуха из холодильного цикла подается в регенераторы.

Второй способ охлаждения насадки применяют в установках, работающих по циклу низкого давления, в которых холод получается при расшире­нии в турбодетандере воздуха, прошедшего через регенераторы и затем подо­гретого потоком, называемым «петлевым», отобранным из средней части реге­нератора. После турбодетандера весь воздух направляется либо непосред­ственно в регенераторы, либо предварительно подогревается в других ап­паратах блока разделения, а затем подается в регенераторы. По мере охлаж­дения насадки температура прямого и обратного потоков на холодном конце регенератора понижается.

Во время охлаждения регенераторов их тепловая нагрузка значительно меньше расчетной, поэтому второй член в правой части уравнения, представляющий собой потери холода от недорекуперации, мал и его можно не учитывать. Потери холода в окружающую среду также незначительны. При таких условиях количество тепла, отнимаемое от насадки за один цикл, будет прямо пропорционально разности энтальпий обратного и прямого потоков на холодном конце регенератора и количеству воздуха, пропущенному через регенераторы. Разность энтальпий можно увеличить повышением раз­ности температур на холодном конце регенераторов. Однако при этом ухудшаются условия для выноса обратным потоком влаги и двуокиси углерода, оставшихся на насадке после теплого дутья. Поэтому разность температур, а следовательно, и разность энтальпий не должны быть больше определен­ной величины.

Ниже будет показано, что при сокращении продолжительности цикла улучшаются условия возгонки примесей, оставшихся на насадке после теплообмена вследствие увеличения разности температур между газом и насадкой при неизменной разности между средними за полуцикл температурами пря­мого и обратного газовых потоков.

Посредством сокращения во время охлаждения регенераторов продолжительности цикла создаются условия, при которых, во-первых, интенсивно охлаждается меньшая масса насадки и, во-вторых, допускается увеличение разности температур на холодном конце регенераторов. В результате зна­чительно сокращается продолжительность охлаждения части насадки на холодном конце регенераторов до температуры, при которой обычно работает регенератор. Режим охлаждения регенераторов устанавливается опытным путем.

В регенератор обычно подается сжатый воздух, в котором содержится вода в виде насыщенного пара и взвешенных капель и двуокись углерода в виде ненасыщенного пара.

Непременным условием для перехода воды и двуокиси углерода из одной фазы в другую при движении газовых потоков через насадку регенератора является наличие разности между парциальными давлениями примесей в ядре потока р и у поверхности насадки рн. Если р >рн, то на по­верхности насадки происходит конденсация или кристаллизация примесей воздуха. Когда р <рн, идет процесс испарения или возгонки примесей, находящихся на поверхности насадки в виде пленки жидкости или в виде кристаллов. Чем больше разность парциальных давлений, тем интенсивнее протекает процесс изменения агрегатного состояния вещества.

Рис. 1. Зоны кристаллизации возгонки двуокиси углерода

Рассмотрим, как протекают процессы в различных зонах регенератора. Во время теплого дутья температура воздуха выше температуры на­садки, поэтому в любом сечении регенератора парциальное давление водя­ного пара в ядре потока больше, чем у поверхности насадки, т. е. р >рн. При этих условиях в зоне с температурой насадки выше 273°К происходит конденсация воды на поверхности насадки, а в зоне с более низкой температурой насадки – кри­сталлизация. Капельная влага, содержа­щаяся в воздухе во взвешенном состоянии, задерживается на поверхности верхней части насадки. Вследствие повышения темпера­туры насадки во время теплого дутья сечение, в котором начинается кристалли­зация, перемещается к холодному концу регенератора. При этом одновременно с кон­денсацией паров воды происходит таяние льда, образовавшегося в начале дутья. В зависимости от температурного режима регенератора и температуры воздуха на входе зона вымораживания воды составляет 40–60% от высоты регенератора. По характеру изменения агрегатного состояния двуокиси углерода регенератор можно разделить на четыре зоны.

Для первой зоны характерным является то, что в ней хотя и происходят процессы кристаллизации и возгонки, но к концу теплого дутья двуокиси углерода (СО2) на насадке не остается. Кристаллизация СО2 начинается в сечении, где парциальное давление СО2 в ядре потока р немного выше давления насыщенного пара СО2 при температуре насадки. Ниже этого сечения интенсивность кристаллизации на поверхности насадки зависит от разности парциальных давлений в ядре потока и у поверхности насадки.

Вследствие непрерывного повышения температуры газа и насадки в каждом сечении регенератора во время теплого дутья сечение, в котором начинается кристаллизация СО2, непрерывно перемещается к холодному концу регенератора. Выше этого сечения возникают условия, необходимые для возгонки кристаллов, ранее образовавшихся на насадке, так как рн при повышении температуры насадки становится больше парциального давления СО2 в ядре потока.

Следствием процесса возгонки является увеличение парциального давления СО2 в ядре потока и ускорение кристаллизации на нижерасположенной части насадки. По этой же причине в нижерасположенных сечениях кристаллизация СО2 прекращается при более высокой температуре (рис. 1, кривая АВ).

Во второй зоне все процессы протекают так же, как и в нижней части первой зоны. Отличие состоит лишь в том, что кристаллизация занимает большую часть периода теплого дутья, а возгонка происходит не только во время теплого дутья, но и частично в течение холодного дутья. Возгонка кристаллов СО2, образовавшихся в начале теплого дутья привод к тому что концентрация СО2 в воздухе увеличивается (рис. 2). Максимальная концентрация СО2 в воздухе превышает исходную концентрацию на 55– 60%. Вследствие перемещения СО2 из первой зоны во вторую на поверхности насадки в нижней части второй зоны к концу периода теплого дутья оста­нется основная масса СО2, содержащейся в потоке воздуха. Возгонка этих кристаллов во время холодного дутья происходит с различной скоростью. В начале холодного дутья скорость возгонки наибольшая, а в конце, вследствие понижения температуры газа и насадки, – наименьшая.

В третьей зоне кристаллизация СО2 происходит на насадке в течение всего периода теплого дутья, а возгонка – только во время холодного дутья.

Процессы кристаллизации и возгонки в этой зоне протекают значительно медленнее, чем во второй зоне, так как температура газа и насадки здесь ниже и соответственно меньше разность парциальных давлений. Эта зона распространяется от сечения ///—/// до сечения IV—IV (рис. 2). Хaрактер изменения концентрации СО2 в воздухе во время теплого дутья в одном из сечений третьей зоны показан на рис. 2, б.

Рис. 2. Изменение содержания СО2 в воздухе во время теплого дутья в сечении регенератора, отстоящем от холодного конца на 840 мм (а) и на 240 мм (б)

Четвертая зона отличается от остальных тем, что в начале дутья на поверхности насадки конденсируется сжатый воздух. В верхней части зоны сконденсировавшийся воздух немедленно испаряется; окончание испарения последних капель жидкого воздуха на поверхности насадки в нижней части зоны зависит от температурного режима регенераторов. Чем холоднее регенераторы, тем большую часть времени теплого дутья поверхность нижних слоев насадки смочена жидким воздухом. По условиям для возгонки четвертая зона также отличается от других зон. Как показали анализы, проведенные на промышленных и стендовых установках, в газообразном азоте, выходящем из верхней колонны, содержание СО2 настолько мало, что ее не удается определить при помощи имеющихся газоанализаторов. По всей вероятности, СО2 находится в потоке азота только в виде насыщенного пара. В газообразном кислороде СО2 значительно больше (14·10-6÷ 35·10-6 м3 CO2/ м3 О2). При таких количествах СО2 должна быть в виде взвешенных кристаллов и насыщенного пара.

Повышенное содержание СО2 в газообразном кислороде можно объяс­нить тем, что при кипении жидкого кислорода в конденсаторе мелкие кри­сталлы СО2 попадают в газообразную фазу непосредственно или с каплями жидкости и уносятся газовым потоком из кон­денсатора.

Поток азота, подогретый в переохладите­лях и в подогревателе азота, поступает в азот­ные регенераторы ненасыщенным двуокисью углерода. В этом случае возгонка происходит в течение всего периода холодного дутья. В кис­лородных регенераторах условия для возгонки существуют только в начале холодного дутья, пока температура насадки выше температуры обратного потока газа. В обоих случаях мак­симальная скорость возгонки имеет место в на­чале прохождения обратного потока, когда разность температур, а следовательно, и раз­ность, парциальных давлений наибольшая.

Из изложенного выше следует, что в результате переноса СО2 из первой зоны во вторую и частично из второй в третью, про­исходящего во время теплого дутья, основная масса СО2 остается на поверхности насадки в нижней части второй зоны и в верхней части третьей зоны.

Характер изменения по высоте регенератора средней за период теп­лого дутья концентрации СО2 в воздухе показан на рис. 3.

Рис. 3. Изменение средней кон­центрации СО2 в воздухе по высоте регенератора

Во всех кислородных установках незабиваемость регенераторов достигается уменьшением тем или иным способом разности между средними темпе­ратурами прямого и обратного потоков газов в зоне вымораживания СО2. При сближении температур газовых потоков уменьшается петля гистерезиса и разность между температурами газовых потоков и насадки, т.е. изменяются в благоприятную сторону два фактора, оказывающие наибольшее влияние на интенсивность процессов кристаллизации и возгонки в регенераторах.

Из теплового баланса регенераторов следует, что разность между средними температурами газовых потоков на холодном конце регенераторов и в зоне вымораживания СО2 может быть уменьшена либо отбором из средней зоны регенератора части воздуха, неочищенного от СО2, либо увеличением отношения ε объема обратного потока V*o6 к объему прямого потока Vnp. Соотношение потоков может быть изменено либо по всей высоте аппарата, либо только в нижней части. Увеличение ε также благоприятно влияет на вы­нос обратным потоком примесей, оставшихся на насадке после прохождения прямого потока.

Средние температуры прямого и обратного потоков в зоне выморажива­ния СО2 можно сблизить настолько, что для выноса СО2, оставшейся в регене­раторе после теплого дутья, достаточно будет пропустить через насадку только часть обратного потока (азота или кислорода). Такое сближение температур теплообменивающихся газов целесообразно в том случае, если схема узла регенераторов или конструкция регенератора позволяет осуществить тепло­обмен между сжатым воздухом и потоком, не участвующим в выносе примесей из регенераторов.

В работающих кислородных установках применяют следующие способы сближения температур в зоне вымораживания СО2.

а) Отбор части воздуха из середины регенератора

Для обеспечения незабиваемости регенераторов большая часть воздуха выводится из регенератора при температуре, близкой к температуре насыщенного пара, а меньшая – при средней температуре 150–180°К. В регенераторах большая часть воздуха очищается от влаги и СО2, а меньшая – только от влаги. Такой способ сближения температур в зоне вымораживания СО2 применяют в некоторых установках, работающих по циклу низкого давления.

Опытным путем установлено, что длительная работа регенераторов, с насадкой в виде дисков из гофрированной алюминиевой ленты, возможна при разности температур на холодном конце не более 5–6 град. Из теплового баланса следует, что если в верхней части регенератора соотношение потоков ε близко к единице, то указанная разность температур на холодном конце может быть получена при отборе из средней части 8–10% воздуха.

При выборе места отбора воздуха следует учитывать, что следствием приближения места отбора воздуха к холодному концу регенератора является увеличение разности температур между газами и насадкой в средней части, регенератора, что затрудняет создание условий, необходимых для полной возгонки СО2 в зоне начала кристаллизации этой примеси воздуха.

Другим следствием приближения места отбора воздуха к холодному концу регенератора является увеличение доли воздуха, выводимой из регенератора неочищенной от СО2. Эта доля воздуха очищается от СО2 либо в адсорберах, заполненных силикагелем марки КСМ, либо вымораживанием в переключающихся теплообменниках при теплообмене с потоком, направляемым в турбодетандер.

Рис. 4. Схема узла регенераторов с отбором воздуха из средней части и из­менение средних температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах:

1 – адсорберы СО2 и С2Н2; 2 – вымораживатели СО2; 3 – воздух из середины регенератора

Более совершенной является очистка воздуха от СО2 в адсорбере, так как в этом аппарате одновременно с адсорбцией СО2 происходит адсорбция углеводородов, являющихся взрывоопасными примесями воздуха. При очистке воздуха от СО2 в вымораживателях необходима дополнительная очистка этого потока от углеводородов.

Схема узла регенераторов с отбором воздуха из средней части и изменение температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах показаны на рис. 4.

б) Увеличение отношения объема обратного потока к объему прямого потока

Отношение объема обратного потока к объему прямого потока (ε) может быть увеличено либо подачей в блок разделения части воздуха, очищенного от примесей в специальных аппаратах, либо уменьшением этого отношения в другой паре регенераторов, незабиваемость которой обеспечивается каким-либо другим способом.

Первый способ увеличения применяют в установках, работающих по циклу двух давлений (КТ-1000М, КТ-3600), в которых воздух высокого давления, очищенный от влаги и двуокиси углерода в специальных аппаратах, вводится в блок разделения через теплообменники или через теплообмен­ники и поршневой детандер, а выводится в виде газообразных кислорода и азота через теплообменники и регенераторы. Второй способ увеличения отношения ε применяют во всех воздухоразделительных установках низкого давления, за исключением установок БР-6 и БР-9, для обеспечения незабиваемости кислородных регенераторов.

Для регенераторов ε подбирают таким, чтобы с одной стороны регенера­торы не забивались твердой двуокисью углерода, а с другой – недорекуперация была бы наименьшей. Опытами, проведенными в промышленных и полу­промышленных условиях, установлено, что для регенераторов с насадкой в виде дисков из алюминиевой рифленой ленты с характеристикой, приведен­ной в табл. 1, наилучшим соотношением потоков является ε = 1,03÷1,035.

Характеристика насадки опытного регенератора

Таблица 1

Для регенераторов с другим типом насадки или перерабатывающих больше или меньше расчетного количества воздуха, оптимальное соотношение потоков будет иным.

в) Организация петлевого потока по методу тройного дутья

Такой способ сближения температур применяют в установках низкого давления БР-1, БР-5 и БР-1М. Для осуществления тройного дутья необходимо иметь три регенератора. Последовательность прохождения потоков по каждому регенератору следующая:

а) в течение одной трети цикла сверху вниз проходит воздух (теплое дутье), который при теплообмене с насадкой охлаждается и очищается от влаги и СО2;

б) во вторую часть цикла по регенератору пропускается обратный поток (обычно азот), охлаждающий насадку и выносящий примеси, осевшие на насадке во время теплового дутья;

в) после обратного потока через регенератор в том же направлении проходит воздух петли, который дополнительно охлаждает насадку в нижней (холодной) части регенератора, а затем отводится из середины регенератора с температурой 160–180° К через специальные клапаны принудительного действия.

В двух других регенераторах потоки проходят в такой же последовательности, причем в то время как по одному из регенераторов проходит воздух, по другому идет обратный поток, а по третьему – петлевой воздух.

Расположение места отбора петлевого потока относительно холодного конца регенераторов оказывает такое же влияние на теплообмен в регенерато­рах и на их незабиваемость, как и в способе с отбором части воздуха из середины регенераторов.

Для обеспечения незабиваемости регенераторов с тройным дутьем разность температур на холодном конце регенераторов должна быть не более 4–5 град, т. е. меньше чем для обеспечения незабиваемости регенераторов посредством отбора части воздуха из середины регенераторов, так как при тройном дутье ε в нижней части регенераторов значительно меньше.

Петлевой поток при такой разности температур должен составлять 10–12% от прямого потока. Характер изменения средних температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах такой же, как и на рис. 4.

Рис. 5. Схема узла регенераторов с тройным дутьем.

В регенераторах с тройным дутьем иногда организуется так называемая «сквозная петля», при которой часть петлевого потока выводится из регенератора на теплом конце (рис. 5) через специальные петлевые клапаны принудительного действия. Этот поток обычно используется для подогрева чистых продуктов разделения воздуха. Увеличением количества «сквозной петли» по сравнению с количеством чистых продуктов, выводимых через теплообмен­ники, можно повысить количество обратного потока, проходящего через насадку. Сближение температур газовых потоков на холодном конце регене­ратора достигается как увеличением отношения потоков ε, так и отбором пет­левого потока из середины регенератора.

г) Подогрев «петлевого» потока в змеевиках, встроенных в регенераторы

В регенераторах с насыпной насадкой сближение температур в зоне вымораживания СО2 может происходить либо при отборе части воздуха из середины регенератора (способ а), либо при подогреве петлевого потока s змеевиках, встроенных в нижнюю часть регенератора. При наличии встроенных змеевиков в качестве петлевого потока может быть воздух, прошедший через регенератор (прямой поток), или азот из нижней колонны (рис. 6). Петлевой поток проходит по змеевикам обоих регенераторов непре­рывно в течение всего цикла. В регенераторах со встроенными, змеевиками может быть организована так же, как и в регенераторах с тройным дутьем, «сквозная петля».

Рис. 6. Схема узла регенераторов с подогревом «петлевого» потока воздуха или азота в змеевиках, встроенных в регенераторы

Когда количество продуктов разделения воздуха, выводимых по змееви­кам, встроенным в регенераторы, не превышает 20 % от количества воздуха, проходящего по этим аппаратам в качестве прямого потока, незабиваемость регенераторов может быть обеспечена по способу, изложенному в пункте г. Если количество продуктов разделения воздуха, выводимых по змеевикам, более 20 %, для обеспечения незабиваемости регенераторов следует применять способ, описанный в пункте а.

В ректификационных колоннах воздухоразделительных установок воздух или ранее выделенные из него смеси разделяются на целевые продукты (кислород, азот, аргон и др.) или концевые и промежуточные фракции (обога­щенная кислородом кубовая жидкость, аргонная фракция и др.). Концевые и промежуточные фракции, не являющиеся целевыми продуктами, поступают в последующие по технологической линии колонны или выводятся из уста­новки в качестве побочных продуктов.

В состав установок разделения воздуха может входить от одной до пяти-шести ректификационных колонн, назначение, условия работы и габариты которых различны. Основные (верхняя и нижняя) колонны имеют большие размеры и работают при наиболее низкой в установке температуре. Их кон­струкция существенно сказывается на габаритных размерах блока разделе­ния, потерях холода в окружающую среду через изоляцию и на удельном рас­ходе энергии, а также на удельных металлозатратах на единицу продукта (или перерабатываемого в установке воздуха). Гидравлическое сопротивле­ние верхней колонны влияет на удельный расход энергии в установках низ­кого давления.

При форсировании установок пропускная способность и эффективность действия ректификационных колонн зачастую лимитирует производитель­ность всего блока. Поэтому к выбору расчетных параметров и к эксплуата­ционным характеристикам колонн предъявляются высокие требования.

В термодинамическом и технологическом расчетах установок рассматривают статику процесса ректификации и выявляют балансовые соотношения потоков и необходимые характеристики раздели­тельного действия (например, число теоретических тарелок) соответствующих колонн.

Выбор типа, конструирование и расчет колонн, обеспечивающих задан­ные производительность и разделение при оптимальных размерах и гидрав­лических сопротивлениях этих аппаратов, является самостоятельной зада­чей, для разрешения которой необходим учет кинетики процесса ректифика­ции и гидравлики работы колонн.

В процессе ректификации могут быть применены различные по типу конструкции и по определяющим размерам колонны. Конструкцию и основ­ные размеры колонн выбирают в результате сопоставительных расчетов в зависимости от требований (например, ограничение диаметра из условий транспортирования с завода-изготовителя на место монтажа, ограничение высоты для колонн транспортных установок, ограничение сопротивлений и т. п.).

Расчет основных размеров колонн базируется на положениях теории массообмена и гидравлики.

Смеси разделяются в ректификационной колонне в результате контакта и взаимодействия потоков стекающей по колонне жидкости и поднимающегося из испарителя пара, состоящих из одинаковых компонентов. Ректификация является массообменным (диффузионным) процессом. Противоточное движе­ние фаз в ректификационной колонне вызывает нарушение равновесия между жидкостью и паром, встречающимся в каждом сечении по высоте колонны. При контакте неравновесных по составу фаз происходит перераспределение компонентов смеси между фазами. Равновесие характеризуется равенством химических потенциалов распределяемого компонента в обеих сосуществую­щих фазах. Поэтому естественное, распределение каждого компонента системы направлено к выравниванию его химических потенциалов в обеих контакти­рующих фазах. Разность химических потенциалов является движущей силой процесса, диффузионный поток данного компонента через поверхность кон­такта направляется в сторону фазы с меньшим значением его химического потенциала.

В результате в каждом рабочем сечении колонны происходит процесс контрдиффузии легколетучих компонентов из жидкости в пар, а тяжелолетучих из пара в жидкость. Этот процесс сопровождается изменением темпе­ратур в потоках пара и жидкости по высоте колонны.

Многообразные по конструкции ректификационные аппараты могут быть разделены на группы по двум основным признакам: по способу образования поверхности контакта и по схеме организации контакта и движения потоков жидкости и газа на рабочих элементах колонн.

Классификация по этим признакам не является абсолютно строгой. В реальных аппаратах в результате сложной гидродинамической обстановки основному способу образования поверхности контакта всегда сопутствуют в большей или меньшей мере другие — побочные. Больше того, в одном и том же аппарате в зависимости от нагрузок по жидкости и пару может изме­няться основной способ формирования поверхности контакта. Например, в насадочных колоннах возможен пленочный и эмульгационный режимы. В зависимости от интенсивности нагрузок по жидкости и газу в аппаратах данной конструкции может изменяться также и режим движения потоков. Это обстоятельство не умаляет ценности подобной систематизации, а застав­ляет только учитывать, что аппараты с одним и тем же типом конструкции в зависимости от режима их работы могут относиться к той или иной ее группе.

По способу формирования поверхности контакта ректификационные аппараты могут быть разделены на две большие группы:

в которой основной поверхностью контакта является наружная граница пленок жидкости, смачивающей твердые стенки каналов (насадки) и растекающейся по ним;

по­верхность контакта формируется при дроблении потока одной из контакти­рующих фаз в результате его проникновения через поток другой фазы.

Ректификационные колонны второй группы могут быть, в свою очередь, разделены на аппараты, в которых основная поверхность контакта фаз является граничной: либо для пузырей и газовых струй, образующихся при дроблении потока пара, либо для жидкостных струй, брызг и капель, обра­зующихся при дроблении потока жидкости.

Ввиду большого разнообразия типов ректификационных аппаратов нельзя описать здесь все известные их варианты, поэтому остановимся лишь на тех из них, которые применяются для разделения воздуха.

На рис. 1-3 показаны примеры типов ректификационных аппаратов, относящихся к первой группе приведенной выше классификации. Хотя в этих типах аппаратов различна не только конструктивная схема, но и силовое поле, вызывающее движение жидкости, общим для них является то, что поверхностью контакта служит свободная поверхность потока жидкости, сма­чивающей твердые стенки рабочих каналов.

Тарельчатые колонны по способу образования поверхности контакта, как правило, относятся ко второй группе аппаратов.

На рис. 3 показана конструкция ситчатой колонны низкого давления установки СКДС-30, и на рис. 4–7 – конструкции тарелок некоторых дру­гих типов колонн. Колпачковые и провальные решетчатые тарелки в отечественном кислородном машиностроении в колоннах разделения воздуха не используются, так как их изготовление сложней, а эффективность ниже, чем у ситчатых. Колонны, показанные на рис. 4–6, представляют собой раз­новидности барботажных аппаратов. Основная поверхность контакта в них образуется граничной поверхностью газовых включений, проникающих через поток жидкости. В колонне, изображенной на рис. 7, поверхность контакта в основном образуется (при рабочем режиме нагрузок) за счет граничных поверхностей струй, брызг и капель, на которые поток жидкости дробится увлекающим ее газом. Жидкость от газового потока на каждой тарелке отде­ляется при помощи отбойника.

По схеме организации контакта и движения потоков в рабочих элементах ректификационные аппараты можно разделить на две большие группы колонн:

с непрерывным (по их высоте или по длине пути каждой из фаз) контактом между жидкостью и паром (см. рис. 1, 2);

2) со ступенчатой организацией контакта, в которых фазы взаимодействуют на некоторых отде­ленных одна от другой ступенях—тарелках, после каждой из которых потоки пара и жидкости разделяются и поступают первый — на вышележащую, а второй — на нижележащую ступени.

Если аппараты первой группы могут иметь (по принципу действия) только противоточное движение потоков жидкости и пара на всем протяже­нии колонны, то в аппаратах второй группы схему движения потоков можно изменять, сохраняя противоток для колонны в целом. Это приводит при оди­наковом балансовом соотношении потоков (характере рабочей линии) для всей колонны к различным соотношениям контактирующих масс жидкости и пара на тарелках различной конструкции и изменяет движущую силу про­цесса — разность концентраций в пределах тарелки.

По схеме движения потоков в рабочих элементах тарелки можно разли­чать колонны:

1) с противоточным движением потоков, при полном перемешивании потока жидкости по сечению и по высоте зоны контакта; такими аппаратами в первом приближении могут считаться «провальные» дырчатые или решетча­тые колонны (рис. 6);

2) с перекрестным движением потоков жидкости и газа при противопо­ложном (разнонаправленном) направлении течения жидкости на соседних тарелках (например, колонны с диаметральным потоком жидкости, показан­ные на рис. 4 и 5);

3) с перекрестным движением фазовых потоков при однонаправленном движении жидкости на всех тарелках колонны; среди них следует отметить, прежде всего, колонны с кольцевыми тарелками (см. рис. 3, рис. 8-16);

4) с прямоточным движением пара и жидкости в рабочих элементах тарелки (например, эжекторные, рис. 7).

В зависимости от схемы разделительного аппарата (см. главу III) рек­тификационные колонны в нем по-разному сопрягаются с конденсато­рами-испарителями и переохладителями. Только совместная работа всех этих частей разделительного аппарата обеспечивает низкотемпературную ректификацию воздуха. Но каждая из них является самостоятельным аппаратом, отличающимся от других как по назначению и характеру про­текающих в нем процессов, так и по конструкции.

С целью создания необходимого напора для самотека жидкости (под действием силы тяжести) отдельные части разделительного аппарата монти­руют в блоке разделения смещенными по высоте. В аппарате двукратной ректификации, наиболее распространенном в воздухоразделительных уста­новках, ректификационная колонна низкого давления р ≤ 0,167 Мн/м2 располагается над конденсатором-испарителем, а колонна высокого давле­ния р ≤ 0,59 Мн/м2 под конденсатором-испарителем. Из верхней ректифи­кационной колонны жидкий кислород самотеком поступает в испарительную часть конденсатора-испарителя, а сконденсировавшаяся в нем азотная флегма частично самотеком стекает на верхнюю тарелку нижней колонны, а частично собирается в кармане и направляется на орошение верхней колонны.

На их конструкции, как и на конструкции ректификационных колонн, рассматриваемых в настоящей главе, в некоторой мере сказывается способ взаимного сопряжения их в разделительном аппарате. Ректификационные колонны отечественных промышленных установок разделения воздуха представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты с ситчатымита­релками, снабженные штуцерами для присоединения к ним соответствующих технологических коммуникаций и контрольно-предохранительных устройств.

Ректификационные колонны малой и средней производительности для уменьшения потерь холода в окружающую среду и сокращения внутриблочных коммуникаций обычно непосредственно объединяют в единый аппа­рат с соответствующими конденсаторами-испарителями. При этом образуется комбинированный аппарат колонного типа, так как его отдельные рабочие элементы располагаются по высоте один под другим. Для краткости такие комбинированные аппараты часто также называют колоннами с соответ­ствующими названиями. Например, «Колонна двукратной ректификации» представляет собой комбинированный аппарат, в котором две (верхняя и нижняя) колонны непосредственно присоединены с помощью пайки мягким припоем или фланцевого соединения к одному конденсатору-испарителю.

Примеры конструкций колонн–комбинированных аппаратов, в каждом из которых только одна ректификационная колонна непосредственно объеди­нена с обслуживающими ее конденсаторами-испарителями, см. на рис. 2 и 3. Эти колонны устанавливают на одной отметке и связывают с помощью трубопроводов в так называемый «Разрезной аппарат двукратной ректификации». В межтрубное пространство верхнего конденсатора колонны вы­сокого давления (см. рис. 2) поступает не кислород, а кубовая жидкость. Образовавшиеся при ее кипении пары подаются в колонну низкого давле­ния. При такой компоновке снижается количество флегмы в обеих колон­нах разделительного аппарата, но уменьшается высота последнего.

Другой пример комбинированного аппарата представляет собой показанная на рис. 8 первая криптоновая колонна установок БР-1, КТ-12 и др., в которой объединены две части ректификационной колонны и конденсатор-испаритель.

В крупных воздухоразделительных установках (производительностью 5000 м3 О2 и выше) верхнюю и нижнюю колонны и конденсаторы-испарители, входящие в состав основного ректификационного аппарата, выполняют в виде отдельно стоящих аппаратов (рис. 9), связанных один с другим соответ­ствующими трубопроводами. При производительности более 15 000 м3/ч (при н. у.) кислорода, чтобы уменьшить высоту блока разделения иногда становится экономически оправданным использование для передачи жидко­сти из аппарата в аппарат газлифта или специальных центробежных насосов, что позволяет установить основные ректификационные колонны на одной отметке.

Конструкция ректификационных колонн зависит от давления, под ко­торым в них протекает процесс ректификации. При низком рабочем давле­нии р ≤ 0,167 Мн/м2 независимо от их диаметра ректификационные тарелки-, закрепляют непосредственно в обечайках корпуса колонны (см. рис. 9). При рабочем давлении р = 0,51–0,71 Мн/м2 тарелки в корпусе крепят лишь в колоннах малого диаметра, чаще же тарелки размещают в специаль­ной, разгруженной от действия давления, тонкостенной цилиндрической обечайке-вставке, укрепляемой в корпусе колонны, воспринимающем давле­ние (рис. 10, 11).

Рис. 8. Первая криптоновая колонна (для агрегатов БР-1, БР-9 и др.):

1 – конденсатор; 2 – верхняя концентрационная секция ректификационной колонны; 3 – нижняя отгонная секция колонны

Способ крепления тарелок в верхних колоннах или во вставках колонны зависит от материала, из которого изготовляют обечайки. До недавнего времени обечайки верхних колонн и вставок изготовляли либо из листовой меди, либо из латуни. На рис. 12 показан способ крепления тарелок диаметром от 500 до 2200 мм в таких обечайках колонн. После установки в ниж­ние зиги внутренней и наружной обечаек распорных латунных колец и припайки их к обечайке устанавливают и выверяют в горизонтальном поло­жении тарелку.

После этого закладывают и припаивают прерывистым швом верхние кольца. Тарелки устанавливают последовательно, начиная с ниж­ней тарелки нижней царги корпуса (или вставки). В колоннах диаметром менее 500 мм, в которых каждая тарелка снабжена вытеснительным кол­паком и внутренняя обечайка отсутствует, кольца для крепления тарелок в наружной обечайке изготовляли из латунной проволоки диаметром 5 мм, а теперь делают из трубок. Для колонн диаметром 2200 мм кольца для креп­ления тарелок делают полыми (рис. 13). На рис. 13 показан также способ крепления тарелок в обечайках из аустенитовых сталей (Х18Н10Т, Х14Г14Н3Т), которые применяют заводы кислородного машиностроения для изготовления всех колонн и вставок диаметром более 1000–1400 мм. Ниж­нее кольцо после установки прихватывают точечной сваркой, а верхние приваривают к внутренней и наружной обечайкам прерывистым швом.

Рис. 10. Нижняя ректификационная колонна установки разделения воздуха КТ-1000М:

1 – корпус колонны; 2 – вставка с тарелками.

В эксплуатации в отечественных воздухоразделительных установках находится более 100 типоразмеров колонн. Для вновь изготовляемых раз делительных аппаратов предусмот­рено всего 27 типоразмеров колонн с диаметром обечаек 200–3800 мм (для вставок до 3600 мм).

Основные размеры для ректифи­кационных ситчатых колонн второго типа, с тарелками во вставке, рабо­тающих при давлении р=0,6 Мн/м2, приведены ниже.

Число тарелок и высоту колонн определяют в зависимости от требований к чистоте продуктов разделения и флегмового числа в соответствии с технологическим расчетом установки.

Колонны этого типа могут быть трех различных модификаций. До диаметра

Рис. 12. Схема крепления ректификационных тарелок диаметром от 500 до 2200 мм:

1 – наружная обечайка; 2 – кольцо большое; 3 – кольцо малое; 4 – внутренняя обечайка; 5 — тарелка

dн = 1800 мм они обычно выполнялись открытыми фланцевыми (см. рис. 11) для непосредственного присоединения к расположенным над ними конденсаторам-испарителям. Колонны большего диаметра монтируют в блоке разделения, как самостоя­тельные, отдельно стоящие аппараты, связанные с другими частями разде­лительного аппарата с помощью трубопроводов. В этом случае применяются или второй модификации — закрытые фланцевые колонны (см. рис. 10), или чаще третьей – закрытые сварные колонны (см. рис. 12).

Ректификационные колонны третьего типа предназначены для работы при давлении р ≤ 0,167 Мн/м2. Независимо от диаметра (200–3800 мм) они выполняются с тарелками в корпусе. Ректификационные колонны этого типа выпускаются в шести различных модификациях. Первая из них, бесфланцевая колонна с односторонней впайкой или сваркой, предназначена для непосредственного присоединения к конденсатору-испарителю, над которым она располагается. Колонны этой модификации имеют dн ≤ 700 мм и применяются в качестве верхних колонн аппаратов двукрат­ной ректификации. Те же модели колонн, выпускаемые в виде второй бесфланцевой модификации с двусторонней впайкой или сваркой, присоединяются к другим аппаратам обоими торцами корпуса.

Колонны третьей фланцевой модификации выпускаются dн ≥ 1800 мм и присоединяются к расположенным под ними конденсаторам с помощью фланцев, внутренний диаметр которых равен dн.

Колонны четвертой модификации могут выпускаться также в фланцевом исполнении, но для одностороннего присоединения к аппаратам меньшего размера, или с двусторонним переходом к аппаратам меньшего размера.

Наконец колонны dн> 700 мм чаще всего выпускаются в виде закрытых ректификационных колонн, снабженных с обоих торцов нормальными днищами и соединяемых с другими частями разделительного аппарата трубопроводами.

Верхняя часть верхних колонн аппаратов двукратной ректификации, в которой температура рабочих сред ниже температуры конденсации воздуха при давлении 0,1 Мн/мг, чтобы исключить конденсацию воздуха на поверхности колонны, может быть снабжена специальным изоляционным кожухом, заполняемым порошковой изоляцией.

В зависимости от диаметра колонн и их нагрузок по пару и жидкости в них применяют различные конструкции ситчатых ректификационных тарелок. Тип конструкции и основные размеры этих тарелок для всех диа­метров колонн воздухоразделительных установок, выпущенных до 1970 г., определяется отраслевой нормалью НКО-299–64–НКО-309–64.

В колоннах малого диаметра применяют либо тарелки ректификацион­ные S-образные, либо тарелки ректификационные с колпаком, диск которых изготовляется из одного куска перфорированного листа. Приемные площадки переливного устройства закрываются накладками из листа толщиной б = 0,6÷0,8 мм. Расположение S-образных перегородок на соседних тарел­ках изменяется таким образом, что жидкость (поступая последовательно на тарелки то в центре, то на периферии) по тарелке двигается всегда по направ­лению часовой стрелки (рис. 14). Эти тарелки выпускают диаметром 219 и 289 мм при НT = 60 мм. На сливном патрубке нижней тарелки для созда­ния гидравлического затвора устанавливается подвесная чашка. Сливной патрубок при этом может иметь увеличенную длину (~100 мм).

Тарелки кольцевые с колпаком (рис. 15) изготовляют четырех разме­ров для колонн с внутренним диаметром от 200 до 350 мм со сплошным ди­ском. Для колонн с большим диаметром кольцевые тарелки собирают и: отдельных секторов, число которых определяется удобством раскроя штампованной сетки и конструктивными размерами переливного устройства.

При диаметрах колонн 400 и 500 мм тарелки из шести секторов имеют также вытеснительный колпак и накладку из неперфорированного листа на приемной площадке переливного устройства. При больших диаметрах колонн для направления жидкости и придания жесткости крепления тарелок исполь­зуют внутреннюю обечайку или вставку(см. рис 8-14). Сектора, на ко­торых размещается переливное устройство, изготовляют из неперфорированного (сплошного) листа.

Тарелки ректификационные односливные выполняются как с профиль­ными, так и с прямыми секторными переливными устройствами для колонн диаметрами 700, 850, 1000, 1400 и 2200 мм.

Тарелки с прямым профильным карманом (кроме колонн диаметром 700 мм) имеют, как правило, подвесную чашку и используются главным образом как ниж­ние тарелки колонн (или их отдельных секций при наличии между ними повышенного расстояния).

Конструкция ректификационных двухсливных тарелок с профильными карманами показана на рис. 16.

Характеристика их основных размеров приведена ниже.

Большая часть трехсливных тарелок (для колонн диаметром 2800, 3600 и 3800 мм) выпускается также с профильными карманами. Нижние двух- и трехсливные тарелки выпускаются также с прямым карманом и с подвесными чашками для гидравлического затвора.

Профильные карманы соответствуют третьему – безударному типу переливного устройства, а прямые карманы для разных типоразмеров тарелок соответствуют либо первому, либо второму типу устройств.

В колоннах большого диаметра во внутренних обечайках (или вставках) размещаются распределительные бачки для ввода флегмы и кубовой жидкости на двух- или трехсливные тарелки, а также для сепарации жидкости из потока газообразного кислорода, выводимого в регенераторы и т.п.

Ситчатые тарелки изготовляют из меди М3 (в основном тарелки ма­лых размеров), или латуни Л62, а также сплавов алюминия АМцА-М и АМТУ252–57 (для установок, изготовляемых из алюминия). Секто­ры тарелок соединяли друг с другом с помощью пистонов, а отдельные детали с помощью пайки. В послед­нее время эти операции заменяются контактной сваркой, что значительно сокращает трудоемкость изготовле­ния тарелок и приводит к значи­тельной экономии материалов (мед­ной трубки, припоя и т.д.). Для крепления перегородок тарелки и обечайки медных и латунных колонн применяли пайку, которая в колон­нах, изготовляемых из аустенитных сталей, заменена значительно более экономичной точечной электросвар­кой.

Азотная флегма входит в колонну с некоторым содержанием пара после дросселирования. Отделяется пар от жидкости в больших колоннах в спе­циальных сборниках-мерниках азотной флегмы, из которых жидкость через калиброванные отверстия поступает на тарелку. В некоторых случаях для уменьшения брызгообразования мерники азотной флегмы заполняют на­садкой. Количество подаваемой в колонну флегмы контролируется по уровню жидкости (над выходным отверстием) в мернике с помощью гампсометра. В малых колоннах азотная флегма подается с помощью простейших направ­ляющих и успокоительных устройств непосредственно на верхнюю тарелку. Для уменьшения брызгового уноса, образующегося как при барботаже, так и при вводе дросселированной жидкости на тарелку, в малых колоннах применяют простейшие сепараторы отбойного типа. В колоннах, выпускавшихся ранее, устанавливали более сложные насадочные сепараторы, малоэффективные из-за вторичного уноса задерживаемой в них жидкости.

В установках малой и средней производительности флегма на верхнюю тарелку нижней колонны поступает непосредственно из конденсатора. Часть ее стекает из трубок конденсатора, другая часть специальным конусным козырьком направляется в карманы для отвода азотной флегмы в верхнюю колонну. Избыток флегмы из карманов направляется обычно через специальную прорезь на приемную площадку (глухой сектор) верх­ней тарелки.

Вставку нижних колонн в корпусе раньше крепили с помощью фланце­вого соединения (см. рис. 10–13). На промежуточный фланец корпуса нижней колонны укладывали паронитовую прокладку, которую после уста­новки вставки затягивали с помощью шпилек и накидного фланца, располагающегося над опорным кольцом вставки. Плотность соединения внутрен­ней вставки с корпусом проверяли, заполняя карман водой. После этого внутреннюю вставку из корпуса вынимали и транспортировали отдельно от корпуса. Корпусы колонн высокого давления, выполняемые ранее из латуни, теперь изготовляют из аустенитных сталей (Х18Н10Т). В колоннах из аустенитных ста­лей применяют менее трудоемкое и более надежное соединение внутренней вставки с корпусом нижней колонны сваркой (рис. 17).

Как показывает опыт кислородного машино­строения в СССР и в некоторых других странах (ЧССР, США, ФРГ) целесообразно также изготовле­ние колонн и других аппаратов из алюминиевых сплавов (АМц, АМч5В и др.). ВНИИкимашем разработаны конструкции колонн для установки производительностью 1400 м3/ч кислорода, элементы которой соединяются аргонодуговой сваркой.

При вводе в ректификационную колонну извне или выводе из нее (бо­кового) потока в промежуточном по высоте сечении необходимо обеспечить равномерное распределение этого потока по сечению колонны. В аппаратах малого диаметра можно, не изменяя расстояния между тарелками в месте ввода, ограничиться одним или двумя штуцерами. В колоннах среднего размера (dн ≤ 2000 мм) поток небольшой величины (до 20% от основного потока в колонне) можно ввести в межтарелочное пространство через несколько симметрично расположенных по периметру обечайки штуцеров, связанных с общим кольцевым коллектором (см. рис. 9) для ввода паров обогащенного кислородом воздуха из конденсатора криптоновой колонны. Так как высота межтарелочного пространства ограничена, то па­трубок штуцера в местах присоединения к корпусу колонны деформи­руется до овального сечения с высотой меньше чем расстояние между тарелками.

Равномерное распределение (или отбор) относительно больших потоков пара по сечению тарелки требует в колоннах среднего и большого размера увеличения расстояния между тарелками в месте ввода. В отдельных случаях можно подводить – (или отбирать) поток одновре­менно в межтарелочное пространство нескольких тарелок.

Нижняя часть верхних колонн (не связанных непосредственно с испа­рителем) используется как необходимая емкость по жидкости и паровое про­странство, предназначенное для распределения пара по тарелкам.

В колоннах среднего и большого диаметра высокого давления (р = 0,6 Мн/м2) в нижней части – испарителе обычно барботируется посту­пающий на разделение воздух через кубовую жидкость

Современные типы воздушных судов ВС РФ снабжены разветвленными бортовыми газовыми системами, играющими важную роль в обеспечении полетов и боевой деятельности авиации.

Поэтому от качества (кондиционности) газов, применяемых для зарядки (заправки) этих систем, во многом зависит работоспособность бортовых газовых систем воздушных судов и выполнение ими заданных функций в соответствии с их назначением, а значит и безопасность полетов, эффективность применения воздушных судов по назначению, боеготовность авиационных частей и соединений.

Качество газов, применяемых для зарядки (заправки) бортовых газовых систем воздушных судов, должно соответствовать требованиям, изложенным в следующих руководящих документах:

ГОСТ 5583-78(«Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия») – качество газообразного медицинского кислорода;

ГОСТ 6331-78 («Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия») – качество жидкого медицинского кислорода;

ГОСТ 9293-74 («Азот газообразный и жидкий. Технические условия») – качество газообразного и жидкого азота;

ГОСТ 8050-85 («Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия») – качество газообразной и жидкой углекислоты;

технической документации на конкретные типы воздушных судов и авиационное вооружение (инструкциях по эксплуатации, руководствах по техническому обслуживанию, технических условиях на специальное оборудование воздушных судов и т.п.) – качество сжатого воздуха и высококондиционного (сухого) сжатого азота.

Применение в бортовых системах воздушных судов и для других целей в авиации Вооруженных Сил РФ некондиционных газов категорически запрещается, является инцидентом и может привести к авиационным происшествиям, срыву выполнения поставленных боевых задач.

Для предотвращения зарядки (заправки) бортовых газовых систем воздушных судов некондиционными газами в авиации ВС РФ предусмотрена трехступенчатая система контроля качества газов, включающая контроль качества газов при их производстве и хранении, при приеме и сдаче газа, а также контроль качества газов и проверку технического состояния средств зарядки (заправки) бортовых газовых систем воздушных судов непосредственно перед их применением.

Основную роль при проведении работ по контролю качества газов играют лаборатории контроля качества газов (стационарные и полевые), располагаемые собственно на стационарных и полевых аэродромах. Поэтому авиационно-техническая часть (АТЧ) должна постоянно проводить работу по усовершенствованию лаборатории и улучшению контроля качества сжатых и сжиженных газов, применяемых в авиации.

В соответствии с требованиями, определенными соответствующими ГОСТ и другими нормативно-техническими документами, установлены следующие виды и объемы контроля качества газов, применяемых в бортовых системах воздушных судов:

полный;

контрольный.

Полный анализ качества газов предусматривает определение физико-химических показателей в полном объеме и по методике, установленной ГОСТ на данный газ. Полный контроль проводится при наличии соответствующей лаборатории на заводах промышленности, при отсутствии гарантии на получение качественного газа, в арбитражных лабораториях и лабораториях контроля качества газов войсковых частей, имеющих газодобывающие станции с применением высокоэффективных методов очистки и осушки газов.

Контрольный анализ качества газов предусматривает определение физико-химических показателей, наиболее склонных к изменению при производстве, получении, хранении газов, и проводится в авиационно-технических частях.

Для обеспечения постоянного контроля за качеством сжатых и сжиженных газов, упорядочения видов контроля газов и сроков их проведения устанавливаются следующие виды контроля:

производственный и при хранении;

приемо-сдаточный;

аэродромный.

Контроль производственный и при хранении.

Данный вид контроля предусматривает проверку качества газов в процессе их получения на газодобывающих станциях (заводах) типа АКДС, СКДС, ПКДС, ЖКДС, УКС, газификационных установках типа СГУ, ГСГ, а также при длительном хранении запасов газа (в ЦТК, баллонах, ЦЖУ).

При данном виде контроля в процессе получения сжатых и сжиженных газов проверяются:

жидкий медицинский кислород – на объемное содержание кислорода в процентах, на содержание масла, влаги и механических вредных примесей(по ГОСТ 5331-78);

газообразный медицинский кислород – на объемное содержание кислорода в процентах, на содержание вредных примесей, на отсутствие запаха, влагосодержание по температуре точки росы (по ГОСТ 5583-78);

жидкий азот – на объемное содержание азота в процентах, на содержание масла, механических примесей и влагосодержание по температуре точки росы (по ГОСТ 9293-74);

двуокись углерода газообразная;

сжатый воздух – на влагосодержание по температуре точки росы, содержание масла и механических примесей.

По завершении проведения производственного контроля на кислород и азот выдается паспорт.

Результаты контроля качества сжатого воздуха отмечаются в журнале учета работы компрессорной станции.

При хранении проверяют:

жидкий медицинский кислород – при испарении одной трети первоначально залитого в цистерну объема, но не реже одного раза в квартал. Объем контроля тот же, что и при производстве;

газообразный медицинский кислород – через каждые шесть месяцев хранения на запах (выборочно, один баллон из десяти);

жидкий азот – при испарении одной трети первоначально залитого в цистерну объема, но не реже одного раза в квартал. Объем контроля тот же, что и при производстве.

О результатах контроля при хранении жидкого медицинского кислорода и жидкого азота делается отметка в паспорте.

Приемо-сдаточный контроль.

Данный вид контроля предусматривает проверку документов, подтверждающих качество газов, а также проведение отдельных анализов газов при получении их с заводов промышленности, газодобывающих станций (заводов), СГУ, ГСГ, УКС, ЦТК, ЦЖУ.

При данном виде контроля проверяются:

жидкий медицинский кислород – паспорт на жидкий медицинский кислород каждой цистерны;

газообразный медицинский кислород – паспорт на газообразный медицинский кислород каждого баллона; давление и объемное содержание кислорода (выборочно, 2 % от партии баллонов, но не менее двух баллонов от партии на 100 баллонов);

жидкий азот – паспорт на жидкий азот каждой цистерны;

газообразный азот – паспорт на газообразный азот каждого баллона; давление и объемное содержание азота (выборочно, 2 % от партии баллонов, но не менее двух баллонов от партии на 100 баллонов);

двуокись углерода газообразная – паспорт на газообразную двуокись углерода и наличие воды в каждом баллоне;

сжатый воздух – журнал приема и выдачи баллонов, где должна быть сделана запись о давлении и влагосодержании воздуха по температуре точки росы; выборочно давление и температура точки росы.

Аэродромный контроль.

Данный вид контроля предусматривает проверку документов, подтверждающих качество газов, а также состояние средств зарядки (заправки) газами, которые влияют на обеспечение безаварийной эксплуатации воздушных судов.

Аэродромный контроль проводится должностными лицами инженерно-авиационной службы обеспечиваемой авиационной части и дежурным по аэродромно-техническому состоянию полетов, а газообразный медицинский кислород, кроме того, на запах проверяется врачом авиационной части.

При данном виде контроля перед допуском средств зарядки (заправки) газами (АКЗС, УГЗС, АУЗС, ВЗ ЦТК) к применению на воздушном судне проверяются:

жидкий медицинский кислород – паспорт на жидкий медицинский кислород, состояние заправочных шлангов ЦТК, наличие спецодежды, техническое состояние заправочного средства – перед каждым применением цистерны;

газообразный медицинский кислород – паспорт на газообразный медицинский кислород; отсутствие запаха (органолептическим методом), техническое состояние зарядных шлангов и газозарядной станции, наличие спецодежды – перед каждым применением средства;

жидкий азот – паспорт на жидкий азот; техническое состояние заправочных шлангов и заправочного средства – перед каждым применением средства;

газообразный азот – паспорт на газообразный азот, техническое состояние зарядных шлангов и газозарядного средства – перед каждым применением средства;

газообразная двуокись углерода – паспорт на гозообразную двуокись углерода, наличие воды в баллоне (емкости), техническое состояние зарядных шлангов и газозарядного средства – перед каждым применением средства;

сжатый воздух – журнал учет работы газозарядного средства, техническое состояние зарядных шлангов и газозарядного средства – перед каждым применением средства.

Результаты аэродромного контроля отмечаются в журнале учета работы газозарядной станции и журнале учета наполнения и опорожнения цистерны жидким кислородом (азотом).

Контроль качества сжатых и сжиженных газов должен производить специально подготовленный личный состав.

К должностным лицам авиационно-технической части, осуществляющим организацию и контроль качества газов, подаваемых на зарядку (заправку) бортовых систем воздушных судов, относятся:

начальник автомобильной и электрогазовой службы авиационно-технической части;

инженер (старший инженер) по электрогазовой технике авиационно-технической части;

начальник кислородазотдобывающей станции.

Начальник А и ЭГС организует и контролирует работу по проверке качества сжатых и сжиженных газов, применяемых для зарядки (заправки) бортовых систем воздушных судов.

Инженер (старший инженер) по ЭГТ (начальник группы газового обеспечения) отвечает за своевременное и качественное проведение контроля качества сжатых и сжиженных газов и осуществляет непосредственное руководство лабораторией по контролю качества газов, предназначенных для зарядки (заправки) систем воздушных судов.

Начальник кислородазотдобывающей станции отвечает за качество выдаваемых станцией сжатых и сжиженных газов. Он обязан осуществлять контроль качества добываемых на станции и получаемых от предприятий промышленности кислорода и азота.

При отсутствии в части данной станции контроль качества сжатых и сжиженных газов осуществляют лица, назначенные приказом командира авиационно-технической части.

Ответственность за качество газов, заряжаемых (заправляемых) в воздушное судно, несет начальник А и ЭГС части.

Газоанализаторы, применяемые для определения концентрации кислорода в газах, по принципу действия делятся на следующие группы:

термомагнитные;

деполяризационные;

термохимические;

химические.

В кислородной промышленности наибольшее распространение получили автоматические термомагнитные кислородные газоанализаторы. Отечественная промышленность изготавливает следующие типы термомагнитных газоанализаторов: МГК-4, МГК-6, МН-5132 и др.

Принцип действия термомагнитных кислородных газоанализаторов основан на более высокой (в 150 раз), чем у азота и других газов, магнитной восприимчивости кислорода. При внесении кислорода в магнитное поле его молекулы намагничиваются и начинают притягиваться магнитом. Магнитная восприимчивость кислорода сильно зависит от температуры, с повышением температуры она резко снижается.

Принцип действия термомагнитных газоанализаторов следующий: у стенок камеры холодные молекулы кислорода притягиваются магнитом, а около спирали теплые – не притягиваются. Холодные, двигаясь к полюсам магнита, выталкивают теплые из магнитного поля. В результате образующейся конвекции спираль охлаждается, а ее электрическое сопротивление падает, что в конечном итоге фиксируется вторичным прибором. Поскольку магнитными свойствами обладает лишь кислород, то интенсивность движения газа в камере будет зависеть лишь от содержания кислорода в смеси.

Деполяризационные газоанализаторы работают по следующему принципу. Если к двум электродам, погруженным в электролит, приложено некоторое напряжение, то величина тока в цепи быстро снижается почти до нуля в результате поляризации электродов. При наличии в электролите кислорода в результате диффузии он деполяризует электрод, при этом в цепи возникает так называемый диффузионный ток. Величина тока пропорциональна содержанию кислорода в электролите. Промышленность изготавливает два поляризационных газоанализатора ДПГ-5А-52 и ГДРП, которые используются для анализа кислорода.

Термохимический газоанализатор типа ТХГ-6А применяют для определения малых концентраций кислорода в газах. Принцип действия термохимического газоанализатора основан на измерении теплового эффекта реакции соединения кислорода с водородом в слое катализатора. Количество выделившегося при этой реакции тепла пропорционально количеству кислорода, прошедшего через катализатор.

В авиационно-технических частях определение концентрации кислорода и азота в газовых смесях осуществляют с помощью прибора ПАК и АУ2, принцип работы которого основан на химическом методе определения содержания кислорода и азота в кислородно-азотных газовых смесях. Работа прибора основана на методе Гемпеля, который заключается в поглощении кислорода медью в медно-аммиачном растворе с последующим измерением объема оставшегося газа.

Сущность метода определения концентрации азота основана на поглощении кислорода из газовой смеси щелочным раствором пирогаллола «А» с последующим измерением объема оставшегося не поглощенного азота. Определение процентного содержания азота в газе осуществляется методом поглощения кислорода раствором пирогаллола «А» в том случае, когда кислородно-азотная смесь содержит менее 20 % кислорода. При концентрации кислорода в смеси более 20 % применяется метод, при котором медь взаимодействует с кислородом и окись меди смывается медно-амиачным раствором.

Ацетилен попадает в блок разделения воздухоразделительной установки с атмосферным воздухом. Среднее содержание ацетилена в 1 м3 атмосферного воздуха колеблется в пределах 0,001…0,1 см3. Вблизи ацетиленовых станций содержание ацетилена в атмосферном воздухе может возрасти до 30 см3/м3.

Ацетилен растворяется в жидком воздухе или в жидком кислороде до предела растворимости, который равен 5 см3/дм3. При содержании в 1 м3 воздуха менее 0,037 см3 ацетилена последний может находится в жидком кислороде только в растворенном виде, что не опасно.

При температуре равной 74 К (-199˚С) ацетилен переходит в твердое состояние и может накапливаться в аппаратах блока разделения воздуха. Система «твердый ацетилен – жидкий кислород» является взрывоопасной! Наличие в этой системе масла уменьшает энергию инициирования взрыва, то есть увеличивает его вероятность.

Причиной взрыва могут быть удары газовых волн, которые возникают при резком открытии или закрытии вентилей, резком повышении давления, быстром вскипании жидкого кислорода или воздуха. Другие возможные причины взрыва – трение и удары частичек твердого ацетилена о стенки и между собой.

При работе воздухоразделительной установки периодически необходимо брать анализ на содержание ацетилена в аппаратах блока разделения. Допустимое содержание ацетилена в жидком обогащенном воздухе – 0,4 см3/дм3, в жидком кислороде из аппаратов блока разделения – 0,04 см3/дм3. В медицинском кислороде согласно ГОСТ 6331-78 содержание ацетилена недопустимо.

Для осуществления контроля содержания ацетилена в жидком кислороде и в воздухе применяют следующие методы:

Хроматографический. Данный метод позволяет с большой точностью и быстро установить содержание ацетилена. Сущность метода заключается в предварительном обогащении микропримесей ацетилена в специальном концентраторе при низкой температуре и использовании высокочувствительного ионизационного способа детектирования. Чувствительность метода 10-8…10-9 об.%.

Экспрессный. Метод основан на адсорбции ацетилена при испарении пробы жидкости стеклотканью, помещенной в сосуд для испарения пробы, последующим поглощением ацетилена при отогревании сосуда поглотительным раствором и колориметрирования окрашенного раствора. Метод рекомендуется для определения ацетилена в условиях:

кислородных установок небольшой производительности;

в период пуска крупных блоков разделения воздуха при недостаточном количестве жидкости в конденсаторах и кубе колонны;

при необходимости проведения экспрессных анализов в условиях возможного быстрого увеличения концентрации ацетилена в колонне воздухоразделительной установки.

Ошибка определения ацетилена экспрессным методом составляет около 30 %.

Адсорбционно-колориметрический. Метод основан на поглощении ацетилена из анализируемого жидкого кислорода адсорбентом с последующим извлечением его из адсорбента газообразным азотом и пропусканием этой газовой смеси через раствор реактива, который улавливает ацетилен и меняет свою окраску при этом. Степень окраски реактива зависит от количества поглощенного ацетилена. По степени окраски реактива, пользуясь колориметрической шкалой прибора, определяется количество ацетилена в анализируемой жидкости.

Конденсационно-колориметрический. Метод основан на вымораживании ацетилена из газообразных продуктов, образующихся при испарении испытуемых жидкостей, возгонке ацетилена и его поглощении аммиачным раствором одновалентной меди с образованием окрашенного коллоидного раствора ацетиленовой меди. Содержание ацетилена в окрашенном растворе определяется колориметрическим методом. Определение ацетилена в воздухе основано на адсорбции ацетилена активированным углем и его вымораживании при температуре жидкого азота, последующей сублимации ацетилена и колориметрическом его определении.

Масло попадает в жидкий кислород при его производстве из поршневых компрессоров и детандеров через неплотности поршневых уплотнений. Наличие масла в кислороде недопустимо, так как реакция взаимодействия углеводородных масел с газообразным кислородом является экзотермической и может привести к взрыву.

Определение содержания масла в жидком кислороде производят двумя методами анализа: качественным и количественным.

Качественный метод выражается в том, что определенное количество жидкого кислорода (1 л) наливают в стеклянную колбу и дают ей испариться. После полного испарения пробы кислорода на внутренней поверхности колбы не должно оставаться пленки масла, капель влаги и твердых образований.

Количественный метод заключается в определении количества содержащегося в жидком кислороде или жидком воздухе масла нефелометрическим или люминесцентным методами.

Нефелометрический метод основан на образовании эмульсии при добавлении воды к раствору масла в смеси эфира и уксусной кислоты и сравнении мутности раствора с эталонами искусственной нефелометрической шкалы.

Люминесцентный метод основан на свойстве минеральных масел флуоресцировать под действием ультрафиолетовых лучей. При этом используются приборы:

люминесцентный компаратор ЛК-1;

фотоэлектрический флуориметр ФЛЮМ.

Качество люминесцентного метода зависит от природы растворенного масла, растворителя, типа применяемого прибора. Для проведения анализа с помощью прибора ФЛЮМ дозу испытуемого раствора вливают в кювет прибора, измеряют интенсивность люминесценции раствора и по градуированному графику определяют концентрацию масла в растворе.

При использовании компаратора ЛК-1 сравнивают интенсивность люминесценции исследуемого и эталонного растворов.

Нефелометрический и люминесцентный методы могут применяться также при количественном определении содержания масла в растворителях, используемых для обезжиривания кислородной аппаратуры.

Производимый газодобывающими станциями медицинский кислород может содержать не только определенное, но и опасное количество вредных примесей.

Основными вредными примесями газообразного кислорода, которые подлежат определению, являются:

окись углерода (СО);

двуокись углерода (СО2);

озон (О3) и другие окислители;

газообразные кислоты и основания.

Вдыхание медицинского кислорода с концентрациями вредных примесей выше допускаемых ГОСТ приводит к удушью, потере сознания или смерти.

Определение содержания вредных примесей в газообразном кислороде производится при помощи походной лаборатории ПКЛ-1, в комплект которой входит: химическая посуда, приспособления и химические реактивы, позволяющие в короткий срок определить наличие в кислороде указанных вредных примесей.

Для измерения температуры точки росы в АТЧ используются следующие приборы:

— указатель точки росы Г-2;

— автоматический фотоэлектронный индикатор влажности газов 8Ш-31;

— кулонометрический индикатор влажности газов 15Ш-26.

Указатель точки росы Г-2 является индикатором влажности воздуха или кислорода.

Прибор выпускается промышленностью в двух модификациях:

— «Только для кислорода» (обозначается 1Д2.772.009-01);

— «Только для воздуха» (обозначается 1Д2.772.009).

ЗАПРЕЩАЕТСЯ прибор, предназначенный для кислорода, использовать для определения влажности воздуха, а прибор, предназначенный для воздуха, использовать для определения влажности кислорода.

Принцип действия прибора основан на переводе исследуемого газа в газ с насыщенным содержанием водяных паров путем понижения его температуры и определения температуры зеркальной поверхности крышки холодопровода в момент выпадения на ней капель воды.

Момент выпадения росы на зеркальной поверхности крышки фиксируется визуально через объектив. Температура крышки в момент выпадения росы определяется по милливольтметру, отградуированному в градусах Цельсия.

Пневматическая схема прибора представлена на рис.1.

Рис.1. Пневматическая схема прибора Г-2:

1-трубопровод; 2-трубка; 3-фильтр; 4-объектив; 5-головка; 6-манометр; 7-вентиль; 8-ротаметр; 9-холодопровод; 10-бачок; 11-крышка.

Исследуемый газ подается через трубопровод 1, трубку 2, фильтр 3 непосредственно в измерительную головку 5. Газ омывает зеркальную поверхность крышки 11, представляющую собой отполированную пластинку из красной меди, впаянную в вершину холодопровода 9, изготовленного из того же металла. К середине крышки с внутренней стороны подпаян горячий слой термопары Тп. Термопара изготовлена из хромель-копелевого сплава.

Бачок 10, наполненный жидким кислородом, служит для охлаждения холодопровода. Когда температура поверхности крышки холодопровода достигнет температуры точки росы, содержащаяся в исследуемом газе влага конденсируется и оседает на поверхности крышки в виде тумана. В момент выпадения влаги фиксируются показания милливольтметра, к которому подключена термопара.

Наблюдение за зеркальной поверхностью крышки, подсвечиваемой лампой, ведется визуально через объектив 4. Расход газа при замере устанавливается по ротаметру 8 вентилем 7. Давление в головке контролируется по манометру 6.

Прибор Г-2 является переносным, малогабаритным и состоит из двух частей: милливольтметра и измерительной головки.

Холодопровод охлаждается с помощью жидкого кислорода, заливаемого во время работы в бачок. Скорость охлаждения холодопровода изменяется путем перемещения бачка вдоль холодопровода.

Основным узлом прибора является измерительная головка с холодопроводом и термопарой. Измерительная головка состоит из корпуса, входного штуцера, фильтра и выходного трубопровода. Срез трубки подвода газа направлен на зеркальную поверхность крышки холодопровода. Фиксация трубки в заданном положении осуществляется при помощи штуцера с квадратным сечением.

Автоматический фотоэлектронный индикатор влажности 8Ш-31.

Прибор переносного типа предназначен для непрерывного и периодического контроля влагосодержания воздуха, находящегося под избыточным давлением до 150 кгс/см2. Газ, предназначенный для охлаждения зеркала, должен иметь давление 120…200 кгс/см2.

Конструкция прибора допускает эксплуатацию его при температуре окружающего воздуха от –40 до 500С и относительной влажности до 75%, а также в условиях кратковременного пребывания при повышенной влажности до 98% при температуре окружающего воздуха до 250С.

Температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар становится насыщенным, называется температурой точки росы. При дальнейшем понижении температуры водяной пар становится перенасыщенным, и избыток влаги выпадает в виде росы.

Это явление и используется в приборе, который фиксирует первоначальный момент выпадения росы и одновременно замеряет точку росы водяных паров воздуха.

Состояние насыщения водяного пара в приборе достигается путем охлаждения контролируемого воздуха зеркалом, само зеркало охлаждается специальным устройством.

Момент выпадения росы (момент помутнения зеркала) фиксируется фотоэлектронной системой прибора, в результате срабатывания которой на щитке прибора загорается сигнальная красная лампа «Влажный».

Прибор состоит из следующих основных частей:

— измерительной головки с системой охлаждения;

— блока питания

— электронного блока;

— щитка;

— реохорда.

Все основные части прибора, кроме реохорда, закреплены на каркасе. Реохорд укреплен на щитке и измерительной головке.

Измерительная головка с системой охлаждения (рис. 2) состоит из следующих частей: измерительной головки 1, теплообменника 3, тройника 4, коробки 5 и соединительных трубопроводов.

Измерительная головка предназначена для охлаждения и подогрева зеркала, фиксации момента выпадения росы на зеркало и для контроля температуры зеркала.

В состав измерительной головки входят: головка 14, холодопровод 7, камеры фотоэлементов 16, штуцер подвода воздуха 18, штуцер отвода воздуха 15, тубусы 3, 4, камера осветительной лампы 13, фланцы 10, 11, текстолитовые шайбы 6, 9 и шпильки 8.

Холодопровод служит для охлаждения и подогрева зеркала.

Теплообменник служит для предварительного охлаждения потока воздуха, подводимого к дросселю и представляет собой аппарат змеевикового типа. Он имеет 5 рядов спирально навитых трубок, рассчитанных на рабочее давление до 350 кгс/см2.

Блок питания служит для преобразования и распределения электрической энергии, получаемой от сети переменного тока напряжением 220В, между узлами и блоками прибора.

Электронный блок предназначен:

— для автоматического регулирования заданной температуры зеркала (вместе с термистором и нагревательным элементом);

— для усиления сигнала от фотоэлементов при выпадении росы на зеркало;

— для переключения на щитке зеленой (сухой воздух) или красной (влажный воздух) СИГНАЛЬНЫХ ЛАМП.

Реохорд включен в измерительный мост и служит для задания температуры поверхности зеркала.

Работа прибора 8Ш-31 основана на взаимодействии следующих его схем:

— газовой схемы;

— оптической схемы;

— электрической схема.

Газовая схема прибора (рис. 4) состоит из магистрали контролируемого воздуха и магистрали для охлаждения зеркала.

Воздух, идущий на охлаждение зеркала 9, поступает через входной штуцер, фильтр 16, вентиль 15, теплообменник 13 и дроссель 11, через дюзу которого дросселируется в полость холодопровода 10. Охлаждение зеркала получается при дроссельном эффекте.

Холодный воздух по змеевику обтекает холодопровод и возвращается в межтрубное пространство теплообменника, охлаждая воздух, находящийся в спиральных трубках. После теплообменника воздух через патрубок 3 выходит в атмосферу. Давление в межтрубном пространстве определяется по манометру 14. Контролируемый воздух поступает через входной штуцер, вентиль 1, фильтр 2 в измерительную головку 8 и через вентиль 7, ротаметр 5 и фильтр 6 выходит в атмосферу. Давление воздуха в головке контролируется манометром 4. Фильтр препятствует попаданию атмосферной влаги в головку при отключенном приборе.

Оптическая схема прибора изображена на рис. 5. Световые лучи от лампы 5 попадают на линзу 6 и на светорассеивающее стекло 3. Через светорассеивающее стекло лучи попадают на сравнительный фотоэлемент 1. Линза 6 образует параллельный пучок лучей (лампа находится в ее фокусе), который через диафрагмы 7 попадает на зеркало 8. При отсутствии росы на зеркале параллельный пучок фокусируется линзой 9 на экране 10. Рабочий фотоэлемент не засвечивается. При выпадении на зеркало росы параллельный пучок лучей рассеивается и через линзу, минуя экран, попадает на рабочий фотоэлемент. Происходит расбаланс электрической схемы.

Рис. 4. Газовая схема прибора 8Ш-31:

1 ,7, 15-вентили; 2 ,6, 12, 16-фильтры; 3-патрубок; 4-манометр на 250 кгс/см2; 5-ротаметр на 0,6-4 л/мин; 8-измерительная головка; 9-зеркало

10-холодопривод;11-дроссель; 13-теплообменник; 14-манометр на 4 кгс/см2.

Для компенсации возможного начального светового потока рабочего фотоэлемента при отсутствии росы на зеркале при помощи иглы 4 и диафрагмы 2 подбирается световой поток на сравнительный фотоэлемент.

Выпавшую росу можно наблюдать также визуально через линзу 12, установленную в верхнем тубусе измерительной головки.

Электрическая схема прибора состоит из схемы автоматического регулятора температуры зеркала и схемы фиксации момента выпадения росы на зеркало. Схема предусматривает работу прибора в режимах «Контроль» и «Измерение».

Схема автоматического регулирования температуры (термоканал) предназначена для поддержания температуры зеркала на заданном уровне.

Схема термоканала состоит из измерительного моста, двухкаскадного усилителя, фазочувствительного каскада. Чувствительным элементом измерительного моста является термистор, величина сопротивления которого зависит от температуры.

Двухкаскадный усилитель предназначен для усиления напряжения разбаланса измерительного моста. Фазочувствительный каскад предназначен для включения или выключения нагревательного элемента при отклонении температуры зеркала от заданной по шкале реохорда.

Принцип работы термоканала сводится к поддержанию уравнительного состояния измерительного моста. Равновесие измерительного моста зависит от соотношения сопротивления 4 термистора и частей реохорда. Сопротивление термистора определяется температурой зеркала, а реохорда – положением лимба.

Схема фиксации момента выпадения росы (фотоканал) предназначена для фиксации момента выпадения росы на зеркало. Схема фотоканала состоит из фотоэлементов, делителя, резистора, усилительного каскада, ламп.

Рис. 5. Оптическая схема прибора 8Ш-31:

1-сравнительный фотоэлемент; 2, 7-диафрагмы; 3-светорассеивающее стекло; 4-иглы; 5-лампа; 6, 9-линзы; 8-зеркало; 10-экран; 11-рабочий фотоэлемент; 12-линза.

Кулонометрический индикатор влажности 15Ш-26

Прибор 15Ш26 представляет собой автоматический, искробезопасный, пылебрызгозащищенный, переносной, показывающий и записывающий прибор для измерения микроконцентраций влаги в воздухе, азоте, кислороде, аргоне, гелии, водороде.

В состав прибора входят:

— датчик Д-1;

— блок питания БП-1;

— вторичный прибор ВП-1 с комплектом ЗИП;

— побудитель расхода газа ПРГ-1;

— измеритель расхода газа ИРГП-2;

— одиночный комплект ЗИП.

Категорически запрещается работа датчика с другими блоками питания и вторичными приборами, не входящими в комплект прибора 15Ш26.

Принцип действия прибора иллюстрирует рис. 6, на котором изображен в разрезе трубчатый чувствительный элемент анализатора влажности с источником питания и измерителем тока.

Во внутреннем канале цилиндрического стеклянного корпуса 1 размещены три платиновые электроды, выполненные в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей. Между электродами нанесена пленка 5 частично гидратированной пятиокиси фосфора Р2О5, обладающая способностью очень хорошо поглощать влагу. Через канал чувствительного элемента в направлении, указанном стрелкой, непрерывно подается анализируемы газ, причем расход газа поддерживается строго постоянным с помощью специальных регулирующих устройств.

Геометрические размеры элемента и расход газа подобраны таким образом, что влага практически полностью извлекается из газа.

Поглощенная влага, соединяясь с веществом пленки, образует раствор фосфорной кислоты с высокой удельной проводимостью. К выводам электродов подключен источник напряжения постоянного тока 9. Величина напряжения превышает потенциал разложения воды так, что одновременно с поглощением влаги ведется ее электролиз.

В установившемся режиме количество поглощений и разложений в единицу времени воды равны и, следовательно, ток электролиза, измеряемый микроамперметром 6, является точной мерой концентрации влаги в анализируемом газе.

Результаты измерения влажности газов при помощи прибора 15Ш26 абсолютны и не требуют калибровки по эталонным газовым смесям.

Комплект прибора представлен на рис. 7. Он состоит из датчика 1, побудителя расхода газа 2, блока питания 3 и вторичного прибора 4.

При разовых или кратковременных (менее 10 ч) замерах влажности газов, находящихся под давлением до 0,3 кгс/см2, последовательно с датчиком подключается побудитель расхода газа ПРГ-1.

При кратковременных замерах влажности питание датчика осуществляется от блока аккумуляторов, встроенного в датчик. При длительных замерах влажности датчик подключается к блоку питания и прибор работает от сети напряжением 220 или 36В переменного тока или напряжением В постоянного тока.

При необходимости записи измерений к блоку питания подключается вторичный прибор ВП-1.

Датчик Д-1 является основным блоком изделия. Он представляет собой искробезопасный, переносной, автоматический, показывающий прибор с автономным источником питания для измерения микроконцентраций влаги в газах. Побудитель расхода газа ПРГ-1 предназначен для просасывания анализируемого газа через датчик при избыточном давлении газа менее 0,3 кгс/см2. Он представляет собой электромагнитный насос мембранного типа. Питание побудителя от сети переменного осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В±10%, частотой 50Гц через однополупериодный выпрямитель.

Рис.6. Принцип действия прибора 15Ш-26:

1-корпус; 2-электрод контрольной части чувствительного элемента; 3-электрод рабочей части чувствительного элемента; 4-электрод общий; 5-пленка сорбента; 6-микроамперметр; 7-резистор R=100 Ом; 8-шунт микроамперметра; 9-источник питания.

Блок питания БП-1 предназначен для питания измерительной схемы датчика прибора стабилизированным постоянным искробезопасным напряжением при работе прибора от сети переменного тока напряжением 220В и 36В±10%, частотой 50Гц или от сети постоянного тока напряжением В.

Блок питания обеспечивает питание измерительной схемы прибора стабилизированным напряжением в пределах 42,5…51,5В и питание нагревателя прибора стабилизированным напряжением в пределах 19,6…24,2В.

Вторичный прибор ВП-1 предназначен для записи показаний датчика прибора во времени и сигнализации о предельных значениях измеряемой влажности.

В качестве вторичного прибора применяется электронный потенциометр КПС2-004ИТ-4 со шкалой 0…10 мВ.

Для использования в данном изделии шкала потенциометра, выполненная в мВ, заменяется новой шкалой, отградуированной в ррm Н2О и в 0С по точке росы.

Существующие методы контроля качества газов можно условно разбить на несколько групп (рис. 8):

Рис.8. Классификация методов оценки вредных выбросов

Лабораторно-исследовательские методы

Существует большое количество лабораторно-исследовательских методов. Все они основаны на использовании физических и химических свойств отдельных веществ, входящих в состав анализируемых отходящих газов. Наиболее распространенными являются пламенно-ионизационный, импульсный, хемилюминесцентный, кулонометрический, кондуктометрии-ческий, флуоресцентный, фотометрический, калориметрический методы.

Процесс исследования состоит из следующих этапов:

1) отбор анализируемой пробы;

2) транспортировка пробы;

3) анализ пробы;

4) обработка и выводы по результатам анализа.

Метод абсорбционной спектрофотометрии – колориметрия. Данные методы являются оптическими методами, в основе которых лежит использование воздействия электромагнитного излучения на исследуемую пробу. Наиболее распространенными являются методы абсорбционной спектрофотометрии видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. При данных методах используются электромагнитные излучения с длиной волн: видимая область спектра 4·10-5…8·10-5см, ультрафиолетовая область спектра 1·10-7… 4·10-5 см, инфракрасная область спектра 8·10-5…3·10-2 см.

Все методы абсорбционной спектрофотометрии основаны на измерении абсорбции (поглощения) электромагнитного излучения с определенной длиной волны исследуемой средой. Максимальное поглощение, соответствующее некоторой определенной длине волны, и тип кривой абсорбции зависят от структуры данной молекулы. Они являются ее специфической характеристикой и могут служить для идентификации молекулы.

Переходя к описанию аппаратуры, техники проведения анализа и использования методов абсорбционной спектрометрии для определения состава отработавших газов, следует разделить их на три группы, соответствующие измерениям в отдельных областях спектра – ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной.

Спектрофотометрия в видимом спектре – колориметрия. Важной особенностью поглощения излучения в видимой области спектра является возможность визуального наблюдения явления. Чтобы исключить зависимость оценки от индивидуальных свойств человеческого глаза, в приборах для измерения интенсивности излучения использованы фотоэлементы и фотоячейки, с помощью которых производится объективная оценка. Сущность колориметрического метода заключается в избирательном воздействии реагирующего вещества на искомое вещество. В результате такого воздействия получаем окрашенный продукт

Спектрофотометрия в ультрафиолетовой области спектра. Принцип работы спектрофотометра ультрафиолетового излучения в основном тот же, что и у приборов, используемых в диапазоне видимого излучения. Он состоит из источника ультрафиолетового излучения, которым чаще всего является водородная лампа, системы разложения света (кварцевая призма или дифракционная решетка), регулируемого окна, камер с репером — эталонным газом и исследуемым газом, детектора, в качестве которого обычно используют фотоэлементы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, и измерительной электросистемы, действующей по принципу компенсации.

Приборы для анализа состава отработавших газов обычно конструируют как двухлучевые. От источника света идут два идентичных пучка лучей, один из которых проходит через газ — эталон, а другой — через исследуемый газ. При помощи системы фотоэлементов определяют разницу проницаемости или поглощения обоих пучков лучей. Для определения содержания в газовой смеси искомого компонента, характеризующегося максимальным поглощением в ультрафиолетовой области спектра, обычно используют эталонную кривую, как и при анализе газов в видимой области спектра (колориметрия).

Спектрофотометрия в инфракрасной области спектра. Оптическая система спектрофотометра инфракрасного излучения идентична схемам вышеописанных приборов. Различие касается качества и конструктивных особенностей отдельных деталей приборов. В качестве источника инфракрасного излучения обычно используют электрически разряженное волокно из агломерированной смеси оксидов цезия, тория, циркония и иттрия. Для детектирования инфракрасного излучения нельзя использовать фотоэлементы или фотоячейки, так как они не реагируют на данную область излучения. Здесь применяют термопары и чувствительные диафрагменные конденсаторы.

Газоанализаторы, действие которых основано на методе абсорбционной спектрофотометрии, позволяют быстро и с достаточной степенью точности определять концентрацию, эти анализаторы приспособлены к автоматическому непрерывному анализу отработавших газов в соответствии со стандартом.

Инструментальные методы

Принцип действия этих приборов также основан на использовании физических и химических свойств.

Измерительные приборы, используемые для анализа, с точки зрения подачи в них проб газов можно разделить на:

приборы для периодических или непрерывных измерений компонентов газов, поступающих непосредственно в прибор;

приборы для периодических измерений компонентов газов, подаваемых в прибор из емкостей, ранее наполненных.

Более удобными являются приборы для непосредственных измерений. Проба газов непрерывно вводится в анализирующую систему. Время, необходимое для определения процентного содержания измеряемого компонента, составляет от 3 до 30 с. Использование инструментального метода позволяет в отличие от лабораторно-исследовательских методов исключить из процессов анализа ряд стадий и практически сразу получить результат.

Органолептический метод

Метод оценки по запаху. Запах может быть определен как ощущение, возникающее в результате взаимодействия химических веществ, присутствующих в пробе, с обонятельной областью человека, расположенной в верхней части носа и регистрируемое в мозгу. Однако не все химические вещества являются пахучими. Характеристиками запаха являются идентификация запаха (определяемость) и его интенсивность. По запаху можно определить — качество (характер запаха) и восприятие (нравится, не нравится, раздражает и т.п.).

Расчетные методы

Все существующие расчетные методы строятся на принципах:

— расчета материального баланса какого либо технологического процесса;

— расчета с использованием удельных показателей.

Расчетный метод определения выбросов имеет следующие преимущества:

— обеспечивает достаточную точность расчетов при незначительных трудозатратах на их выполнение и небольшом объеме исходных данных;

— позволяет определить фактические и ожидаемые концентрации получаемых газов в зависимости от типа установки.

Наиболее простым является метод расчета материального баланса технологического процесса. Суть его заключается в следующем: для конкретного производственного процесса составляется баланс, количество исходных веществ. В этом случае можно получить хорошую сходимость расчетных данных с данными, полученными в ходе проведения фактических замеров.

Методы расчета по удельным показателям. Исходными данными для установления массы примесей служат экспериментальные и расчетные данные о количестве веществ, поступающих в ходе технологического процесса или его отдельной операции, приведенные к единице массы, получаемой продукции, расходуемого материала или к единице времени работы оборудования.

Выбор того или иного аналитического метода измерения зависит от цели измерения и требуемой точности окончательных результатов.

Цель проведения опыта накладывает существенные ограничения на выбор метода исследования. При экспресс-анализах используются простые и быстрые методы, при точных исследованиях приходится прибегать к более сложным, более прецизионным и более чувствительны методам. Большое влияние на выбор метода оказывает химический состав и биологические свойства, исследуемой пробы. На выбор метода и точность результатов измерения влияют микроклиматические условия и, прежде всего, температура и влажность воздуха.

Для решения поставленных в работе задач целесообразно применить инструментальный метод и использовать современные газоанализаторы — сигнализаторы, которые позволяют в короткий период и с достаточной точностью накапливать статистический материал, согласуются для последующей обработки данных с ПЭВМ (при применении программного обеспечения, поставляемого изготовителем).

Приборы оперативного контроля состава газов:

Мультигазовый переносной газоанализатор сигнализатор (ГАС) «Комета» предназначен для контроля концентраций газов. ГАС «Комета» выпускаются в следующих вариантах: «Комета» — для контроля кислорода О2 и метана CH4; «Комета-3» — для контроля кислорода О2, метана CH4 и угарного газа CO; «Комета-4» — для контроля кислорода О2, метана CH4, угарного газа CO и сероводорода H2S. На передней панели корпуса ГАС «Комета» расположены: цифровой жидкокристаллический индикатор; кнопка включения питания; камера с газочувствительными сенсорами; кнопка автокалибровки по кислороду; светодиоды, сигнализирующие о превышении допустимых порогов концентрации контролируемых газов; сирена и кнопка выключения сирены. На задней стенке корпуса расположены штуцер для подсоединения насоса и разъем для зарядки аккумуляторов.

Рис. 9. Общий вид газоанализатора «Комета»

Основные технические характеристики газоанализатора изложены в табл. 1.

Микропроцессорный газоанализатор «Инфралайт — МК» предназначен для измерения содержания оксида углерода, углеводородов, диоксида углерода, кислорода, оксида азота в отработавших газах и числа оборотов двигателя автомобилей.

Рис.10. Общий вид прибора «Инфралайт — МК»

Область применения прибора обширна, используется в качестве средства контроля токсичности двигателей при проверке технического состояния автотранспортных средств органами контроля и экологическими службами в качестве средства диагностики при регулировке двигателей при их разработке, производстве и техническом обслуживании. Прибор имеет высокую надежность и стабильность показаний, малый вес и энергопотребление, высокая селективность, автоматическая калибровка нулевых показаний, автоматическое отделение влаги, расчёт значения коэффициента избытка воздуха, измерение температуры масла двигателя. Для удобства регулировки двигателя в приборе предусмотрен выносной пульт индикации и управления (табл. 2).

Инфракрасный газовый анализатор «GA — 94» сертифицированный для использования в местах с классом опасности EExibe IIB T3. В настоящее время существуют две модели с диапазонами: 0…5 % или 0… 100 % CH4. Позволяет измерять концентрации таких газов как CH4, СО2 и О2. Используя дополнительные опции измеряется температура окружающего воздуха, атмосферное давление и автоматически вносятся коррективы. При помощи сменных датчиков возможно измерение концентрации H2S, CO, SO2, NO2, Cl2, H2 и HCN с последующей записью результатов в память прибора с автоматической регистрацией времени и даты каждого записываемого измерения. Имеется встроенный насос для забора пробы и встроенная программа калибровки.

Память прибора позволяет сохранить до 800 записей, которые могут быть просмотрены в любое время, данные могут быть перегружены на ПК. Продолжительность непрерывной работы без подзарядки 8…10 часов.

Газодозиметр «Multiwarn — II» предназначен для оперативного контроля концентрации от одного до пяти из 36 газов (горючие газы, алканы, О2, СО, CO2, H2S, NO, NО2, SО2, NН3, HCN, Cl2, COCl2 (фосген), РН3 (фосфин) и др. гидриды, этиленоксид) в промышленных выбросах, технологических процессах, контроле рабочих мест, а также на недостаток и избыток кислорода.

Рис. 12. Панель управления газодозиметра «Multiwarn — II»:

1- жидкокристаллический дисплей; 2 — копки управления;

3 – световой индикатор

Имеет до пяти каналов измерения концентрации взрывоопасных токсичных газов и кислорода в окружающем воздухе. Прибор автоматически «узнает» сенсор и настраивается на измеряемый газ. О наступлении опасности и превышении ПДК контролируемого газа прибор сообщает световым и звуковым сигналами. Встроенная память, вмещающая показания за 50 часов работы с интервалом записи от 1 с до 1 ч, обеспечивает сохранность результатов измерений, а наличие компьютерного интерфейса RS-232 дает возможность их последующей обработки. К особенностям следует отнести многофункциональность прибора для измерений, наличие встроенного насоса. На выбор любые 3 из 14 электрохимических сменных сенсоров для 36 газов; один из 2-х ИК сенсоров на СО или Ех (углеводороды с перекалибровкой на любой из 80 газов); микропроцессорный учет перекрестного влияния газов; дополнительное универсальное программное обеспечение; одновременный контроль по 5 газам и тревожная сигнализация по двум порогам на каждом канале; автоматическое распознавание установленного сенсора; русскоязычный интерфейс.

Характеристики ИК- сенсоров :

— электрохимические сенсоры за счет перекрестной чувствительности позволяют контролировать после перекалибровки до 36 газов.

— имеют срок службы 18…36 месяцев с периодичностью калибровки не чаще, чем 1 раз в 3…6 месяцев.

— IR-Ex сенсор позволяет после перекалибровки контролировать один из 80 углеводородов, в том числе ароматические.

Рис. 13. Общий вид газодозиметра «Multiwarn — II»:

1-гнездо для подключения дополнительного рукава; 2–заборный канал

Основные технические характеристики, программная структура, перечень измеряемых газов представлены в таблице 3, 4.

Технические характеристики газоанализатора-сигнализатора «Комета»

Таблица 1

Рис. 11. Общий вид прибора «GA — 94»

Технические характеристики микропроцессорного

газоанализатора «Инфралайт МК»

Таблица 2

Технические характеристики газодозиметра «Multiwarn — II»

Таблица 3

Перечень газов, определяемых газодозиметром «Multiwarn — II»

Таблица 4