Установка разделения воздуха

ОПИСАНИЕ

ИЗОВРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

11 11 654834

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 25.05.76 (21) 2365052/23-26 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.03.79. Бюллетень ¹ 12 (45) Дата опубликования описания 30.03.79 (51) М. Кл.

F 25J 3(04

Гасударственный комитет (53) УДК 621.059 (088.8) по делам наобретеннй н открытий (72) Автор изобретения

1О. И. Гунько

Омский политехнический институт (71) Заявитель (54) УСТАНОВКА РАЗДЕЛEHИЯ ВОЗДУХА

Изобретение относится к технике низкотемпературного ожижения и разделения газовых смесей и может найти применение в областях, где используются криогенные установки малой и средней производительности.

Известны установки для низкотемпературного разделения воздуха, содержащие тсплообмсншые аппараты, ректификационную колонну и холодильно-газовую машину (МАГМ), используемую в качестве внешнего генератора холода.

Недостатком таких установок является то, что все требуемые затраты холода приходятся на различныс температурные уровни, в то время как генерация холода осуществляется практически при самой низкой температуре в системе, а его реализация производится непосредственно на поверхности теплообменника нагрузки холодильногазовой машины. T. е. потери холода, связанные с теплопритоками из окружающей среды, с недорекуперацией на теплом конце теплообменных аппаратов, а также с отводом получаемого продукта в жидком виде, покрываются за счет холода, снимаемого непосредственно на поверхности теплообменника нагрузки ХГМ, практически при самой низкой температуре в системе, где холод наиболее «дорогой». Термодинамически это невыгодно.

Наиболее близкой к изобретению является у.становка, содержащая компрессор, два переключающихся теплообменных аппарата, рсктификационную колонну с конденсатором-нспарнтелсм и две холодильно-газовые машины.

Кроме указанного выше недостатка у

10 прототипа есть дополннтсльныс необрати«ыс потери, возникающие при смешивании теплого петлсвого потока, прошедшего через тсплообменный аппарат с холодным потоком газа, поступающим на разделение. 1ак как величина пстлсвого потока составляет 13 — 15% от количества псрерабатывасмого возду«а, то потери этн значительны.

Целью изобрстс1шя является повышение эффективности установки, что выражается в увеличении производительности н снижении удельных затрат энергии на единицу получаемого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в установке разделения воздуха, включающсй последовательно соединенные компрессор, теплообменные аппараты, ректификационную колонну и холодильно-газовую машину с камерами расширения и сжатия, теплообменные аппараты соединены с ка054834 мерами расширения и сжатия холодильногазовой машины.

При данной схеме часть рабочего тела, отбираемого из камеры расширения ХГМ, проходит через теплообменные аппараты, служащие для охлаждения воздуха. Эту часть рабочего тела можно рассматривать как циркуляционный поток, который выходит из камеры расширения, нагревается, охлаждая прямой поток в установке, и покрывает часть затрат холода на переменном температурном уровне, затем поступает в камеру сжатия, сжимается и охлаждается, проходя через теплообменные аппараты

ХГМ в камеру расширения.

При такой организации потоков создается дополнительный поток холодного рабочего тела, причем холодопроизводительность, снимаемая непосредственно с поверхности теплообменника нагрузки, остается практически на прежнем уровне. Кроме того, исключаются потери от смешивания теплого петлевого потока с холодным воздухом, так как роль петлевого потока выполняет теперь поток рабочего тела, отбираемого из камеры расширения ХГМ.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемой установки разделения воздуха для получения жидкого кислорода; на фиг. 2— схема холодильно-газовой машины.

Установка разделения воздуха (см. фиг. 1) содержит компрессор 1, предназначенный для сжатия воздуха, подаваемого в установку, два переключающихся теплообменных аппарата 2, служащих для охлаждения поступающего воздуха за счет нагревания обратного потока отбросного газа и имеющих каналы 3 для прохода петлевых потоков, роль которых выполняют потоки рабочего тела, проходящие из камер расширения в камеры сжатия и обеспечивающие незабиваемость теплообменных аппаратов, распределительные клапаны 4 на потоке воздуха и клапаны 5 на обратном потоке, переключающие указанные потоки поочередно в каждый из теплообменных аппаратов 2, ректификационную колонну 6 с конденсатором-испарителем 7, предназначенные для разделения жидкого воздуха на составляющие компоненты, две холодильногазовые машины 8 и 9, на поверхностях теплообменников нагрузки которых происходит ожижение газа и имеющих отверстия в камере расширения, соединенные каналами, проходящими через теплообменные аппараты с камерами сжатия, Холодильно-газовая машина (см. фиг. 2) имеет цилиндр 10, внутри которого возвратно-поступательно движется поршень 11 компрессора. Через центр поршня 11 проходит шток 12 вытеснителя 13. Поршни 11 компрессора и вытеснителя 13 приводятся в движение посредством кривошипно-шатунного механизма от электродвигателя 14.

Камеры сжатия и расширения связаны ме5

- . О

65 жду собой гидравлически через водяной холодильник 15, регенератор 16 и теплообменник 17 нагрузки. Низкотемпературная часть машины теплоизолирована от окружающей среды кожухом 18. Камера расширения холодильно-газовой машины соединена с каналами, встроенными в теплообменные аппараты установки разделения воздуха, посредством трубопровода 19 и обратного клапана 20. Каналы соединены с камерой сжатия посредством трубопровода 21, буферной емкости 22 через обратный клапан 23. Обратные клапаны 20 и 23 обеспечивают однонаправленное движение гелия, являющегося хладагентом машины, из камеры расширения в камеру сжатия.

Если поршни 11 компрессора и вытеснителя 13 движутся вверх, происходит повышение давления газа гелия в рабочем объеме холодильно-газовой машины. Когда давление в машине превысит давление в буферной емкости 22, открывается обратный клапан 20 и начинается перепуск гелия по трубопроводу в каналы, встроенные в теплообменные аппараты 2 установки. Там гелий нагревается, охлаждая поступающий на разделение воздух, и по трубопроводу 21 поступает в буферную емкость 22, где поддерживается давление, близкое к минимальному в цикле машины. Изменение объема камеры расширения на некоторый угол опережает меняющийся объем камеры сжатия.

При движении поршней компрессора и вытеснителя 13 вниз давление в машине уменьшается. Когда давление в камере расширения станет равным давлению в буферной емкости 22, закроется клапан 20 и откроется клапан 23, возвращая в камеру компрессора гелий, выпущенный из камеры расширения. Далее процессы повторяются.

Воздух, сжатый в компрессоре 1, подается распределительным клапаном 4 в один из теплообменных аппаратов 2, где охлаждается. Охлажденный до состояния сухого насыщенного пара воздух конденсируется в межтрубном пространстве конденсатораиспарителя 7 за счет кипения жидкого кислорода в трубном пространстве и дросселируется в верхнюю часть ректификационной колонны 6 для осуществления процесса ректификации. Часть паров кислорода из нижней части ректификационной колонны б поднимается вверх по колонне, другая часть конденсируется на поверхности теплообменников 17 нагрузки холодильно-газовых машин 8 и 9, и стекает в трубное пространство конденсатора-испарителя 7, где часть его испаряется, а неиспарившийся кислород сливается потребителю. Отбросной газ из верхней части ректификационной колонны

6 подается распределительным клапаном 5 во второй теплообменный аппарат 2, охлаждает его насадку и выбрасывается в атмосферу. Через определенные промежутки времени потоки воздуха и отбросного газа пе654834 реключаются. Для обеспечения незабиваемости теплообменных аппаратов 2 внутри насадки каждого из них по высоте насадки образован канал 3 для прохода петлевого потока. По этому каналу проходит гелий, отбираемый из камер расширения машин 8 и 9, охлаждая насадку теплообменных аппаратов за счет теплопроводности проволочек, образующих сетку. Теплый гелий из теплообменных аппаратов поступает в буферные емкости, где поддерживается давление, близкое к минимальному в циклах холодильно-газовых машин, и далее перепускается в компрессорную камеру. Эти потоки не переключаются.

По предлагаемому принципу с использованием холода части рабочего тела, отбираемого из камеры расширения внешнего генератора холода, могут быть преобразованы почти все известные схемы воздухоразделительных установок с холодильно-газовыми машинами.

Введение потока части рабочего тела через теплообменные аппараты позволяет значительно повысить эффективность установки, т. е. повысить производительность уста5 новки и снизить удельные затраты энергии, так как создается дополнительный холодный поток, лишь незначительно снижающий холодопроизводительность на поверхности теплообменника нагрузки и пе изменяющий

10 количества потребляемой ХГМ энергии.

Формула изобретения

Установка разделения воздуха, включающая последовательно соединенные компрес15 сор, теплообменные аппараты, ректификационную колонну и холодильно-газовую машину с камерами расширения и сжатия, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности разделения, тепло20 обменные аппараты соединены с камерами расширения и сжатия холодильно-газовой машины.

654834

Pv2 2

Редактор Т. Пилипенко

Заказ 310/18 Изд. № 257 Тираж 620 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3С-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитель В. Ивочкин

Техред А. Камышникова

Корректоры: О. Тюрина и И. Позняковская