📃 Теплофизическая модель криогенной ВРУ А-16000 для получения чистого азота под давлением

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

Теплофизическая модель криогенной воздухоразделительной установки А-16000 в HYSYS

Исходный файл модели в описанием на сайте Ionium.

Технологический процесс азотной станции построен на базе цикла низкого давления с ТД. Известно, что включение ТД в состав основного технологического оборудования позволяет повысить термодинамическую эффективность системы за счет генерирования холодопроизводительности (ХП) и ее использования для:

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

В преобладающем большинстве ВРУ ТД работают исключительно в газовой области диаграммы, а снижение температуры воздуха на входе в центростремительную ступень ниже некоторого заведомо определенного значения сопровождается аварийным закрытием отсечного клапана.

Это связано с тем, что образующаяся жидкость в проточной части приводит к возрастанию осевых сил в системе «роторная сборка — подвес» и как следствие повышенной нагрузки на упорный подшипник. В современных ТД агрегатах допустимая доля жидкости на выходе составляет 8…12 % (об.), но работа машины в парожидкостном режиме не рекомендуется, поскольку снижает эксплуатационный ресурс.

В рассматриваемой установке выдача жидкости не осуществляется, а прямое расширение ТД потока до давления основной колонны и подача его в нижнюю часть колонны не даст ожидаемого положительного эффекта. Это связано с тем, что для получения чистого азота в колонне принципиально необходимо иметь достаточно азотной флегмы для орошения колонны, ТД не решает эту проблему.

Проще говоря — температурный уровень реализации сгенерированной детандером ХП не соответствует требованиям технологического процесса. В установке по-прежнему имеется потребность в источнике холода с температурой на 4…4,5 градуса ниже температуры конденсации азота при соответствующем давлении для его конденсации и возврата азотной флегмы в колонну на орошение.

Единственным практически оптимальным источником низкотемпературной теплоты (НТТ) для реализации этого процесса является обогащенный кислородом жидкий воздух в кубе основной колонны.

Чтобы повысить эффективность системы, применяется вторая — вспомогательная колонна, которая дореализовывает НТТ сдросселированного обогащенного кислородом жидкого воздуха из куба основной колонны и в полной мере реализовывает НТТ ТД потока.

Результатом работы вспомогательной колонны является производство азотной флегмы, давление которой повышается в технологических жидкостных насосах. Флегма подается на орошение в основную колонну, эффективно (насколько это возможно термодинамически) доставляя сгенерированную ТД НТТ.

Для представленной установки принимаются следующие исходные данные:

температура ОС — 28 °С;
давление атмосферное — 0,98 бар.А;
влажность относительная воздуха — 76 %;
трехкомпонентная модель — N2/O2/Ar (об.) 0,7809/0,2098/0,0093;
расход продукционного азота — 16000 нм³/ч;
концентрация азота — 0,995 (об.);
давление азота — 21 бар.А;
расход воздуха КИП — 150 нм³/ч;
число ступеней компримирования (осн.) — 4;
число ступеней компримирования (буст.) — 2;
тип компрессоров — центробежный, Oil-free;
температура воздуха на входе в адсорбер — 10 °С.

Особенности технологии криогенного разделения:

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