Описание принципиальной схемы работы установки
Атмосферный воздух, засасываемый в колонну через воздушный клапан 1 (см. рис. 3.3), поступает в теплообменник испаритель 3, где охлаждается кислородом, при этом из воздуха вымораживается влага и углекислота. Жидкий кислород испаряется за счет тепла, отдаваемого засасываемым воздухом. Часть паров кислорода через клапан 5 поступает вновь в колонну, а остальные пары по змеевику 2 через выпускной клапан 17 отводятся в атмосферу.
Воздух, охлажденный и очищенный от влаги и углекислоты, поступает в колонну и, проходя через насадку 8, разделяется на азот и кислород.
Пары азота из верхней части колонны через трубу 10 пароструйного насоса и патрубок 11, соединяющий колонну с ожижителем криогенной газовой машины, поступают в ожижитель и конденсируются. Жидкий азот по патрубку 11 стекает в колонну, где скапливается в нижней части канала 10 пароструйного насоса. При достижении уровня сливной трубы 7 жидкий азот через гидравлический затвор 6 сливается из колонны. Часть жидкого азота по напорной трубе 9 пароструйного насоса поднимается наверх в качестве флегмы для орошения колонны. Жидкий кислород стекает вниз по колонне и через гидравлический затвор 4 попадает в испаритель 3.
Рис. 3.3. Принципиальная схема установки ЗИФ -1002: 1- воздушный клапан; 2- змеевик; 3- испаритель; 4, 6 – гидравлический затвор; 5- клапан; 7- сливная труба; 8- насадка; 9- напорная труба; 10 – канал пароструйного насоса; 11- патрубок; 12- ожижитель; 13- верхний штуцер; 14- нагревательный элемент; 15- точка крепления штыря; 16- термогидравлический датчик; 17 кислородный клапан
Система автоматического управления колонной
Конструкция колонны предусматривает автоматическое регулирование интенсивности потоков атмосферного воздуха, засасываемого в колонну для последующего разделения на составляющие компоненты, газообразного кислорода, отводимого в атмосферу, и жидкого азота, поступающего из ожижителя и разделяемого на готовый продукт и флегму, служащую для орошения колонны.
а) Система регулирования количества отводимого в атмосферу газообразного кислорода
Часть паров кислорода, образующихся в испарителе 3, направляется в колонну, а остальная часть паров отводится в атмосферу. Для обеспечения автоматического регулирования подачи необходимого количества паров кислорода в колонну в ее конструкции предусмотрены специальные устройства: гидравлический затвор 4, препятствующий прохождению паров кислорода в колонну, помимо клапана 5, клапан 5, позволяющий создать в испарителе давление, которое обеспечивает автоматический выброс излишнего количества паров кислорода в атмосферу.
Количество испаряемого жидкого кислорода находится почти в прямой пропорциональной зависимости от количества атмосферного воздуха, засасываемого в установку.
Вследствие того, что испарение жидкого кислорода в испарителе осуществляется за счет тепла, отдаваемого атмосферным воздухом, любое изменение количества воздуха, поступающего в колонну, автоматически вызывает пропорциональное изменение количества кислорода отводимого в виде паров в атмосферу.
Это означает, что отношение объемов поступающего в колонну атмосферного воздуха и паров кислорода, выбрасываемых в атмосферу, практически остается постоянным.
Как правило, клапан 5 регулируется таким образом, что объем паров кислорода, выбрасываемых в атмосферу, составляет не менее 25% от объема засасываемого в колонну атмосферного воздуха. Так как кислород составляет примерно 22% воздуха по объему, то в отводимых из колонны парах кислорода будет содержаться незначительное количество азота. Такое небольшое превышение объема кислорода, выбрасываемого в атмосферу из колонны, гарантирует чистоту получаемого жидкого азота.
Простота системы регулирования давления паров кислорода в испарителе облегчает эксплуатацию и уход за установкой в условиях значительных колебаний относительной влажности окружающей среды, нарастания слоя снега и углекислоты на трубах теплообменника и изменения условий работы криогенной газовой машины.
б) Система разделения конденсата (жидкого азота) на флегму и готовый продукт
Ввиду того, что ожижитель криогенной газовой машины устанавливается не над колонной, а рядом с ней для подачи части конденсата, подаваемого в качестве флегмы в верхнюю часть колонны, в конструкции колонны предусмотрен специальный пароструйный насос. Насос состоит из трубы 10, частично заполняемой жидким азотом, и U-образной трубки 9, нижний конец которой погружен в жидкий азот. Труба 10 и трубка 9 образуют систему сообщающихся сосудов.
Пузырьки пара, образующихся в нижней части трубки 9, поднимаются по ней и насыщают жидкость. Вследствие этого удельный вес жидкости в трубке уменьшается, а уровень ее повышается. При определенной степени уменьшения удельного веса жидкости в трубке смесь жидкости с паром начинает переливаться по U-образному колену и орошать колонну. Остальная часть жидкого азота будет отводиться из колонны через сливную трубу 7 и гидравлический затвор 6.
Использование пароструйного насоса для орошения колонны позволяет осуществить автоматическое разделение конденсата на флегму и готовый продукт.
Испарение жидкого азота осуществляется за счет нагрева нижней части трубки 9 нагревательным элементом 14 из полосковой меди, один конец которого находится в непосредственном контакте с нижним концом трубки 9. Второй конец медной полосы нагревается проточной водой. На нагревателе 14 в точке 15 закрепляется штырь 16 термогидравлического датчика, острие которого погружено в жидкий кислород, находящийся в испарителе 3. Выбор точки крепления штыря 16 к нагревателю 14 производится в соответствии с условием, что температура в этой точке в момент, когда острие штыря находится выше уровня жидкости в испарителе, должна быть выше температуры жидкого кислорода.
В этом случае, если в колонну подается избыточное количество флегмы, уровень жидкого кислорода в испарителе повышается, в результате чего острие штыря 16, погружаясь в жидкий кислород, вызывает этим охлаждение участка медной полосы в точке 15. Вследствие этого уменьшается количество тепла, подводимого к нижней части трубы 9, уменьшается интенсивность процесса парообразования в пароструйном насосе, а следовательно, уменьшается количество флегмы, подаваемой насосом в верхнюю часть колонны. Описанный выше процесс продолжается до момента, пока количество поступающей в колону флегмы не снизится до нормального уровня.
Конфигурация штыря 16 должна обеспечивать стабильность процесса автоматического регулирования количества флегмы, используемой для орошения колоны.
Кроме отмеченных выше особенностей конструкции пароструйного насоса и системы автоматического регулирования подачи флегмы, значительным преимуществом этих устройств является также полное отсутствие в их конструкции движущихся деталей и узлов.