Блоки подготовки воздуха для судовых озонаторных станций Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

определить значения г01, »лучим трансцендентное

гтент РФ на изобретение фактеристик материалов. -736 с.

:кздат. 1955 - 519 с. смешивание и теплообмен.

шастичности в прикладной 46-52.

Теория и приложения. Под

Г OF

BRICATION

rund in a positive allow-! msernal cylinder is re-i j-id lubricating liquids

УДК 502:628.3/09

В. В. Ванцев, старший преподаватель. А. С. Курников, д. т. н., профессор, ВГАВТ. 4)3950 Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

БЛОКИ ПОДГОТОВКИ ВОЗДУХА ДЛЯ СУДОВЫХ ОЗОНАТОРНЫХ СТАНЦИЙ

Известно, что работа любого озонаторного агрегата зависит от блоков подготовки воздуха перед синтезом озона. Воздух в данном случае должен быть сухим (абсолютная влажность не выше 0,03 г/м3) и, желательно, обогащенным кислородом. В зависимости от давления воздуха в блоках они разделяются на две большие группы:

- блоки, работающие на избыточном давлении;

- блоки, использующие давление ниже атмосферного. Первая группа хорошо известна и освещена в литературе [1,2].

Установки осушки воздуха, выполненные по вакуумному варианту, являются маю изученными, но весьма перспективными, поскольку не требуют источников повышения давления газа - главных в таких установках осуществляется струйными генераторов шума и потребителей электроэнергии Транспортировка газа аппаратами. В свою очередь, обе группы могут подразделяться в зависимости от способа регенерации адсорбента на короткоцикювые, где время полуцикла составляет 0.5 .10 .чин. и с регенерацией горячим воздухом.

В данной работе приводятся правила выбора адсорбента, расчеты осушителей воздуха и охладителей газа.

1. Правила выбора адсорбента

Для осушки газов при помощи адсорбции в основном применяют искусственные минеральные адсорбенты, обладающие гидрофильными свойствами. К ним принадлежат силикагели, алюмогели и синтетические цеолиты.

При проектировании установок осушки газов в стадии выбора адсорбента обычно исходят из следующих показателей:

1) количество осушаемого газа (производительность установки);

2) исходное влагосодержание газа;

3) начальная температура газа и адсорбента;

4) необходимая степень осушки;

5) средства регенерации адсорбента (источник тепла, продувочный газ и т. д.);

6) стоимость адсорбента;

В табл. 1 приведены свойства адсорбентов по данным [1].

2. Блоки подготовки воздуха, работающие на избыточном давлении 2.1. Блок подготовки воздуха с тепловой регенерацией адсорбента.

Данные блоки подготовки воздуха хорошо изучены и освещены в литературе [1-14]. Поэтому в данной работе будут приведены только основные расчетные формулы по этим установкам. Дня непрерывной обработки газового потока устанавливают два или более одновременно работающих адсорберов, загруженных одним из вышеперечисленных адсорбентов. В одном из них осуществляется осушка потока, в другом - тепловая регенерация адсорбента. Спустя определенный промежуток времени (длительность полуцикла) адсорбер, регенерация адсорбента в котором закончена, начинает выполнять функции осушителя, а адсорбер с насыщенным влагой адсорбентом переключается на регенерацию.

Таблица 1

Свойства промышленных адсорбентов

№ Показатель Силикагель Алюмогель Цеолит

1 Насыпной вес, кг/м3 500...700 350...850 600...650

2 Теплоемкость, кДж/кг 1рад 0,92 0,84 0,8

3 Теплота адсорбции паров воды, кДж/кг 2500 2500 4200

4 Остаточная влажность воздуха (точка росы,°С) -40...-55 -55...-60 -60 и ниже

5 Динамическая активность, кг/100кг 5...8 5...12 8...12

6 Степень осушки глубокая глубокая сверхглубокая

7 Влагоемкость а)при низких парц. давлениях б)при высоких парц. давлениях низкая высокая низкая высокая высокая высокая

8 Устойчивость к капельной влаге не устойчив не усгойчив ограниченно устойчив

9 Механическая прочность прочный прочный ограниченно прочный

10 Стоимость низкая очень высокая высокая

Принципиальная схема адсорбера с тепловой регенерацией представлена на рис. 1. Установка работает следующим образом. Воздух из атмосферы забирается с помощью компрессора 1 и через ресивер 6 и отделитель капельной влаги 2 подается в адсорберы. В первом адсорбере осуществляется процесс адсорбции, после чего осушенный воздух поступает в генератор озона 5. Во втором происходит регенерация адсорбента с помощью его нагрева и выноса влаги потоком воздуха Через определенное время назначения адсорберов меняется переключением пневмораспределителей 4.

При расчете адсорбционных установок осушки газа с термической регенерацией адсорбента определению подлежат:

- на стадии адсорбции - количество адсорбента или длительность стадий и габариты адсорбера;

- на стадии регенерации - количество тепла и расход газа на нагрев адсорбента и его последующее охлаждение.

Основным показателем, используемым в расчетах на стадии адсорбции, является динамическая активность адсорбента, которая определяется по выражению [1]:

V -С ■ т

_ _п-о—пр_ (1)

л в

где ад - динамическая активность адсорбента, кг/кг адсорбента;

УП - расход осушаемого газа, м3/с;

С0 - Абсолютная влажность осушаемого газа, кг/м3;

гпр - Время до проскока (время защитного действия слоя), с;

С - количество адсорбента, кг.

Если динамическая активность известна, то по уравнению (1) можно определить количество адсорбента при заданной продолжительности стадии адсорбции (прини-

Таблица I

Цеолит

600...650

0,8

4200

-60 и ниже

8...12

«рхглубокая

иченно устойчив

нченно прочный

авлена на рис. 1. 1ется с помощью тся в адсорберы, ушенный воздух »рбента с помо-е время назначе-

эй регенерацией

ь стадий и габа-«в адсорбента и

рбнии. является гнию [1]:

(1)

жно определить орбции (прини-

мается равной Гпр) или вычислить возможную продолжительность этой стадии для адсорбера заданных размеров.

Из атмосферы

■> Удаление влаги

Рис 1. Принципиальная схема адсорбера с термической регенерацией адсорбента.

1 - компрессор; 2 - отделитель капельной влаги; 3 - адсорбер: 4 - пневмораспределитель трехпозиционный; 5 - генератор озона; 6 - ресивер

Динамическую активность либо вычисляют по эмпирическим формулам, либо принимают приблизительно на основании некоторых опытных данных [1]. Например, для силикагеля динамическую активность рекомендуют принимать в пределах 5...8, а для цеолита 8... 12, кг/100кг адсорбента.

Затем вычисляют площадь сечения адсорбера по формуле:

5 = ■

IV рг

. м

(2)

где С„ - производительность установки, кг/с;

IV- скорость газа в адсорбере, м/с. Рекомендуется принимать в пределах 0,08...0,5 для адсорберов, работающих при атмосферном давлении. Рг - плотность газа, кг/мэ. Высота слоя адсорбента равна:

V

2 = —, м 5

где V - объем адсорбента, м3.

Расход тепла на нагрев адсорбента и его охлаждение определяется на основании тепловых балансов. Общее количество тепла, которое нужно подвести к адсорбенту в стадии десорбции влаги расходуется на: нагрев адсорбера - 0Ь нагрев адсорбента -02, нагрев адсорбционной влаги - СЬ, десорбцию влаги - 04, нагрев изоляции - 05, тепловые потери - 06.

Теплота нагрева изоляции <35 составляет 20 % от теплоты нагрева адсорбера 0|, а тепловые потери 06 можно принять в размере 4...5 % от общего количества тепла, затраченного на нагрев всей системы и десорбцию влаги.

Затраты тепла по остальным перечисленным статьям рассчитываются по следующим уравнениям [1]:

<2, = Сет(0,785(0,2 - 022)Н)Рст(Тк - Т„), кДж (4)

где Сс1 - удельная теплоемкость стали, кДж / кг °К;

01 - наружный диаметр адсорбера, м;

02 - внутренний диаметр адсорбера, м; Н - высота адсорбера, м;

рст - плотность стали, кг/ м3;

Ти - начальная температура адсорбера и адсорбента, °К; Тк - конечная температура адсорбера и адсорбента, °К.

<32 = Са 0(тк - Тн), кДж (5)

где Са - средняя удельная теплоемкость адсорбента, кДж/кг °К; в - вес адсорбента, кг.

дз = Св 0„(100-Тн),кДж (6)

где С. - теплоемкость воды, кДж/кг °К; Ов - количество поглощенной воды, кг.

04 = О., кДж (7)

где - теплота адсорбции паров воды, кДж/кг.

Ообш = 1,201 + <5г + <3з + 04 , кДж. (8)

Это количество тепла необходимо подвести к адсорбционной системе, чтобы произвести десорбцию паров воды. Полное количество тепла на десорбцию с учетом тепловых потерь составит:

Ополн = 1,040обЩ,кДж (9)

Данное количество тепла подводится к адсорбенту с помощью горячего газа или через теплообменные поверхности. Обычно используют первый способ нагрева, но иногда применяют комбинированный метод. Если десорбция проводится путем продувки горячим газом, то его общее количество определяется по уравнению:

где С„р - теплоемкость продувочного газа,

кДж/кг' К;

дТср - средняя разность температур, способ вычисления которой указан ниже, °К; рг_ плотность продувочного газа, кг/ м3.

При охлаждении общее количество тепла, которое необходимо отвести от установки, состоит из: тепла охлаждения адсорбера 07, которое равно теплу нагрева его в процессе адсорбции (СЬ = 00 и тепла охлаждения адсорбента 08, равного 02. Таким образом:

тределяется на основании ) подвести к адсорбенту в - О,, нагрев адсорбента -2«, нагрев изоляции - 05,

у нагрева адсорбера а ошего количества тепла,

:считываются по следую-

Цж

(4)

Оохл = 07 + 08 , КДЖ (11)

Количество охлаждающего газа можно определить по уравнению, аналогичному > равнению (10)

Соы ' Рг ' АТа

,м

где Сохл. теплоемкость газа, кДж/кг °К; рг - плотность газа, кг/ м3;

дТ*ср - средняя разность температур охлаждающего газа, °К. Расчет средних разностей температур проводят по формулам:

Т+ 7 •

(12)

(13)

лтт =

ср

-т

(14)

(5)

(6)

(7)

(8)

ионной системе, чтобы на десорбцию с учетом

(9)

ощью горячего газа или вьгй способ нагрева, но проводится путем про-о уравнению

(10)

горен указан ниже, °К;

•одимо отвести от уставе: теплу нагрева его в равного 02.

В этих уравнениях:

Т„г - температура газа, поступающего в слой в период нагрева, °К; Т*нг- то же, в период охлаждения, °К;

Тк1г - температура газа, покидающего слой в период нагрева, °К; Тк2Г - то же, в конце этой стадии, °К;

Т*К|Г и Т*ц2Г - температура газа, покидающего слой в начале и в конце стадии охлаждения.

Температура адсорбента во время адсорбции (Тн) и температура газа, подаваемого на регенерацию (Тнг), обычно являются заданными.

Начальные температуры потоков на выходе из слоя адсорбента приблизительно равны температурам слоя к моментам окончания предыдущих стадий, т. е. Тг1г = Тн ,

Т%1Г = ТК.

Для оценки температуры газа в конце охлаждения можно воспользоваться приближенным уравнением:

Т*к2Г = Тн + (Ю...20)°К , (15)

При известных параметрах Тйг и Т„г температура потока в конце периода нафева определяется приблизительным линейным уравнением:

Г / ч (16)

т.. =

~(Ю...15)К ,

Обычно процесс нафева ведут до тех пор, пока температура газа на выходе из адсорбера не достигнет (353...413)°К для силикагелей и (393...473)°К для цеолитов.

2.2. Блок подготовки воздуха с короткоинкловым осушителем

Метод осушки, регенерация при котором происходит путем изменения давления, называется короткоцикловой безнафевний адсорбцией или КБА.

Осушка воздуха методом КБА была предложена американским изобретателем Ч.Скарстромом [15] и ее технология за сорок лет существования не претерпела серьезных изменений.

Принципиальная схема адсорбера КБА представлена на рис 2.

Воздух поступает на осушку под давлением, создаваемым компрессором 14, проходит через ресивер 15 и отделитель капельной влаги 13, обратный клапан 1, треххо-

39

довой кран 3 и поступает в адсорбер 5, заполненный соответствующим адсорбентом. При контакте с адсорбентом воздух осушается и выводится из установки через обратный клапан 7. С помощью вентилей 9 и 10 сухой газ разделяется на два потока. Один из потоков выводится из установки для внешнего использования, другой поток (его количество зависит от давления во время адсорбции) дросселируется с помощью вентиля 10 до атмосферного давления и поступает в адсорбер 6. Так как давление паров воды в этом потоке существенно ниже равновесной упругости пара над адсорбентом, в адсорбере 6 происходит регенерация адсорбента. Эта часть воздуха выводится из установки через трехходовой кран 4. Спустя определенный промежуток времени краны 3 и 4 переключаются, и адсорберы 5 и 6 взаимно меняют назначение.

Рис. 2. Короткоцикловая безнагрсвная установка для осушки сжатого воздуха: 1,2,7,8, II, 12-обратные клапана; 3, 4 - трехходовые краны; 5, 6 - адсорберы; 9 - вентиль; 10 - редуцирующий вентиль; 13 - отделитель капельной влаги; 14 - компрессор; 15 - ресивер.

При расчете короткоцикловых установок безнагревной осушки газа необходимо определить количество потока, подаваемого на регенерацию, количество адсорбента и габариты адсорбера.

Количество потока, направляемого на регенерацию адсорбента (О^) определяется по уравнению:

Соб^и-Сп'Т51. (17)

•"ад

где вп - производительность установки по осушаемому газу, м3/с; Ки - коэффициент избытка, равный 1,05...1,2; Рдес и Рад - давление в полуциклах десорбции и адсорбции, ата. Основным уравнением для расчета установки КБА является:

Ч — = -КГ/т-0,5Ч~р1 . (18)

С„

ующим адсорбентом, тановки через обрат-на два потока. Один я, другой поток (его ется с помощью вен-* как давление паров фа над адсорбентом, оздуха выводится из ежуток времени крашение.

скпауха: epic 9- вентиль; сор. 15 - ресивер

си газа необходимо 1ество адсорбента и

| < Ода) определяется

(17)

-де С, С0 - количество влаги в осушенном газе и начальное содержание влаги, кг/кг .-ухого воздуха;

I - длительность пребывания газа в адсорбере, с;

т - длительность полуцикла, с;

сЦ, - средний диаметр гранул адсорбента, м;

К. коэффициент, зависящий от свойств системы, давления, температуры и коэффициента избытка (Кц).

Для расчета К| при осушке воздуха силикагелями при 303°К может быть использовано уравнение:

Щ= (0,343*. - 0,147) /V0'5 (19)

При заданных значениях С, С0, с1ср, Рад и выбранных значениях г и Ки по уравнению (18) определяют время пребывания (1), на основании которого, в свою очередь, пассчитывают высоту слоя адсорбента (2):

г = г IV, м (20)

Скорость газового потока, рекомендуемая для установок КБА, составляет 0.15...0,35) м'с.

Площадь поперечного сечения адсорбера (Б) рассчитывается по выражению (2). Количество адсорбента, кг определяется по соотношению:

(21)

где р, - плотность адсорбента, кг/м3.

2.3. Охладители воздуха

В блок подготовки воздуха, выполненный по напорному варианту, как правило, входит охладитель воздуха для повышения производительности озонатора. В качестве такого охладителя можно использовать водогазотеплообменники, холодильники и вихревые трубы. Наибольший эффект дает применение вихревых труб.

Вихревое охлаждение впервые было предложено французским инженером Ранком в :933г.[16]. Теоретический анализ, опытное исследование и разработка вихревых охлаждающих устройств, проводились и успешно ведутся в отечественных институтах.

Устройство и принцип работы вихревой трубы представлены на рис. 3.

(18)

Рис. 3. Устройство вихревой трубы;

I - дроссельный клапан; 2 - горячий коней трубы; 3 - сопло; 4 - диафрагма, 5 - холодный коней трубы

Предварительно сжатый воздух в количестве (в, кг) при давлении (р) и температуре (Т) подается в сопло 3, где он расширяется, охлаждается и приобретает большую скорость и кинетическую энергию. Поскольку воздух поступает в трубу тангенциально, то он в поперечном сечении трубы образует свободный вихрь, угловая скорость которого велика у оси и мала у периферии трубы. Избыток кинетической энергии внутренних

41

слоев передается (трением) внешним, повышая их температуру. Этот процесс происходит настолько быстро, что внутренние слои, отдав энергию периферийным и еще больше охладившись, не успевают получать от них эквивалентного возврата теплоты, то есть в поле вихревого разделения воздуха не наступает термического равновесия.

Находясь вблизи центрального отверстия диафрагмы, холодный воздух выходит через него к правому свободному концу трубы, называемому холодным. Нагретые периферийные слои движутся влево к дроссельному клапану и через него выходят из горячего конца трубы. Количества получаемого горячего (йг) и холодного (Ох) воздуха, а следовательно и температуры того и другого (Тг и Тх) регулируются степенью открытия клапана 1.

Охлаждение холодного потока ДТХ = Т-Тх в вихревой трубе меньше, чем при адиабатическом обратимом процессе расширения, и больше, чем при дросселировании. Наибольшему охлаждению ДТХ=45°К соответствует р=0,5МПа, при массовой доле холодного воздуха р=Ох/С =0,3, что при Т=283°К дает ТХ=238°К. Это примерно половина разности температур в изоэнтропическом процессе расширения. Наибольшая удельная хладопронзводительность ч=цсрДТх, кДж/кг достигается при ц=0,6...0,7, однако она сама по себе невысока и составляет (12,5...21) кДж/кг.

Следует отметить высокую эффективность вихревых труб блоков подготовки воздуха в составе станций озонирования воды, поскольку горячий поток воздуха может отводиться на нагрев деструктора. Таким образом, получается безотходная технология производства холодного воздуха [17].

Исходными данными для расчета вихревой трубы являются:

р0 - давление газа перед входом в вихревую трубу, кПа;

ц - доля расхода холодного потока газа;

.1 - массовый расход сжатого воздуха, кг/с;

Т0-температура сжатого воздуха на входе в вихревую трубу,°К;

Площадь поперечного сечения сопла рассчитывается по формуле [16]:

263 •./ • /02 • Г2 , /<■ =- , мм

Р

Диаметр сопла:

а = (Б 1,27)°'5,мм (23)

Диаметр вихревой трубы:

Э = 3,65 Р0'5, мм (24)

Диаметр диафрагмы:

<1д = (0,35 + 0,13р)0 , мм (25)

Коэффициент температурной эффективности:

А = 0,18[1 - (ЮО/ро)0,28], (26)

Температурный перепад:

Д1Х = А Т0,°К (27)

3. Блоки подготовки воздуха, работающие на вакууме

3.1. Блок подготовки воздуха с тепловой регенерацией адсорбента, работающий при давлении ниже атмосферного

Принципиальная технологическая схема, такого осушителя отличается от рис. 1 тем, что прокачку воздуха через адсорберы осуществляет эжектор станции озонирования воды, а источник ком премированного воздуха отсутствует.

Такой осушитель может быть рассчитан по методике, приведенной в п.2.1.

■от процесс происхо-рийным и еше боль-юзврата теплоты, то

0 равновесия.

£ый воздух выходит олодным. Нагретые рез него выходят из йодного (Ох) возду-лируются степенью

ньше, чем при адиа-и дросселировании, при массовой доле >го примерно поло-рения. Наибольшая при и=0,6...0,7, од-

блоков подготовки

1 поток воздуха мо-:я безотходная тех-

[16];

(23)

(24)

(25)

(26) (27)

рбента, работаю-

ичается от рис. 1 станции озониро-

юй в п.2.1.

3.2. Короткоцикловой осушитель с вакуумной регенерацией

Установки осушки воздуха, выполненные по вакуумному варианту', являются ма--.о изученными, но весьма перспективными, поскольку не требуют источников повышения давления газа - главных генераторов шума и потребителей электроэнергии. Транспортировка газа в таких установках осуществляется струйными аппаратами.

Авторами разработан принципиально новый короткоцикловой осушитель воздуха . вакуумной регенерацией адсорбента. Установка функционирует при практически з-мосферном давлении на стадии адсорбции и в условиях глубокого вакуума на стати регенерации.

Новизна предлагаемого осушителя заключается в том, что регенерация адсорбера осуществляется с помощью вакуума, создаваемого дополнительным эжектором, а -ганзит воздуха через озонатор - основным, т. е. в озонаторной станции необходимо ■ станавливать два эжектора (см. рис. 4). Данное изобретение запатентовано [20].

В контактную 7 колонну

Подвод тепла Т=50 С

Рис. 4. Принципиальная схема блока осушки с вакуумной регенерацией: 1 - дополнительный эжектор; 2 - основной эжектор; 3 - клапан трехходовой электромагнитный;

4,5 - адсорберы; 6 - насос, 7 - озонатор.

Работает установка следующим образом. Насос станции озонирования качает воду через эжекторы 1 и 2, являющиеся дополнительным (служит для регенерации адсорбента) и основным (смеситель озона с водой) соответственно. В одном из адсорберов 4 или 5 происходит осушка воздуха, идущего на синтез озона, в другом образуется разряжение (вакуум). Под действием подогрева и разряжения пары воды возгоняются и удаляются из адсорбента эжектором 1. Величина разряжения характеризуется давлением всасывания дополнительного эжектора. Чем болБше давление всасывания по абсолютной величине, тем больше требуется температура подогрева адсорберов, которая принимается равной температуре кипения. Через определенное время (время полуцикла) назначение адсорберов меняется с помощью электромагнитных клапанов 3.

Существующие аналоги обладают одним крупным недостатком - использование вакуум-насоса, который является дорогим устройством, а также крайне ненадежным в эксплуатации, поскольку с течением времени появляются проблемы с герметичностью узлов аппарата.

43

Литературный обзор дал скудную информации по этой теме [1-14]. Информация проф. Ю. И. Шумяцкого подтвердила отсутствие теоретического и экспериментального анализа процесса регенерации таких установок. Нет никаких данных об определении длительности стадий (время полуцикла), о переходных процессах, связанных с временем создания наибольшего вакуума, тем более не существует рекомендаций по выбору дополнительного эжектора. Именно этим проблемам посвящен этот раздел работы.

Для создания математического описания такого осушителя необходимо задаться исходными данными. Поскольку вакуумный осушитель является гибридом короткоцикло-вого и нагревного вариантов, как видно из рис. 4, то этими данными могут служить:

- производительность основного эжектора по газу, 0о, м3/с;

- абсолютная влажность осушаемого газа, с0, кг/м3;

- время полуцикла тц, с;

Имея такой набор величин, определим массу паров влаги ш,кг, которая должна остаться в адсорбере за один полуцикл

т = с0тцд0, (28)

Очевидно, что процесс регенерации будет происходить эффективно толькло в случае, если влага будет успевать выкипать из адсорбера, т. е. должно соблюдаться условие

тц > ^ , (29)

где ^п - время удаления (выкипания) влаги массой ш, с.

Процесс разряжения в адсорбере занимает какой-то период. Поэтому неравенство (29) можно заменить уравнением

Тц = ^п + ^вах , (30)

где Т^ - время достижение максимального вакуума в адсорбере дополнительным эжектором, с.

Количество энергии Е, Дж, необходимое для превращения воды в пар

Е = СршСГо-Т,) + Ьш, (31)

где ср - удельная изобарная теплоемкость воды, Дж/кгК;

Т0 - начальная температура влаги в адсорбере, °К;

Т1 - температура подогрева адсорберов, К, т.е. температура кипения воды в вакууме;

Ь = 2,3 106, Дж/кг - удельная теплота парообразования;

Следует отметить, что чем больше давление регенерации по абсолютной величине Ррс-, тем больше требуется температура подогрева адсорберов, которая принимается равной температуре кипения Т! (см. рис 5) [18].

Мощность дополнительного эжектора, необходимая для регенерации адсорбента Н,ж, вт

N3* = Е/ Тит,, (32)

С другой стороны, эту же мощность можно определить как всасывающую способность эжектора

И» = р^/Т вак > (33)

где Рпср= (Рат - Ррсг) - перепад давления между атмосферным и давлением регенерации (давлением всасывания), кПа;

V - объем адсорбера, м3;

Если предположить, что интенсификация процесса регенерации не зависит от производительности дополнительного эжектора, то есть при одинаковых значениях внешних факторов всасывающая способность любого эжектора по истечение того или иного промежутка времени приближается к какому-то конкретному одинаковому значению, то уравнения (32) и (33) можно приравнять. Это подтверждается источником [19], по-

[1-14]. Информация экспериментального ных об определении связанных с време-иендаций по выбору раздел работы, »холимо задаться ис-'ндом короткопикло-югут служить:

кг, которая должна (28)

но толькло в случае, шъся условие

(29)

»тому неравенство

(30)

е дополнительным

I в пар

(31)

а воды в вакууме;

холютной величи-оторая гтринимает-

н адсорбента Ы1Ж. вт

(32)

сасывающую спо-

(33)

регенерации

не зависит от про-х значениях внеш-вк того или иного новому значению, гочником [19], по-

: гальку давление всасывания эжекторов от времени представляет из себя экспоненту. В ■том случае процесс регенерации будет характеризоваться только мощностью эжектора.

Таким образом, уравнения (30-33) образуют систему. Выразив одно через другое, чожно решить ее относительно Тик

Температура, °С

20 40 60' 80 100 Давление, кПа

Рис. 5. Зависимость температуры кипения воды оглавления регенерации

РперУТЦ/(Е+рперV) ,

(34)

В уравнении (34) два неизвестных: перепад давления, рпер и объем адсорбера V. Это означает, что систему расчета необходимо дополнить еще одним уравнением

тюк = А(Х|, Х2,...х,), (35)

где X), х2,...х; - факторы, влияющие на Тмк. Этими факторами являются : XI - объем адсорбера V, м3;

х2 - давление всасывания дополнительного эжектора на стадии регенерации р^ кПа; х3 - производительность дополнительного эжектора по газу Сд, м3/с. Решив систему уравнений (34, 35) можно получить размеры адсорбера, задаваясь производительностью дополнительного эжектора, или наоборот.

Расчет необходимо проверить по выражению времени защитного действия слоя адсорбента Ц, (1).

^ = адМ/д0с0, (36)

где Тпр - время до проскока влаги, с;

ад - динамическая активность адсорбента, кг/100кг; М - масса адсорбента, кг.

Выбранное в самом начале время полуцикла ти не должно превышать время до проскока 1,,р

тц < Ц , (37)

Итак, в предложенной системе не хватает зависимости (35), которую можно установить только экспериментальным путем.

Учитывая то обстоятельство, что дополнительный эжектор ухудшает параметры работы станции, беря на себя часть энергии, при проектировании необходимо стремиться к минимизации его производительности.

45

Для нашего случая существуют три ограничения по производительности эжектора:

- диаметр сопла не должен быть менее 1,5 мм., так как рабочей средой струйного аппарата является загрязненная вода;

- время достижения минимального давления всасывания должно быть в несколько раз меньше времени полуцикла (т) с целью полного удаления влаги из адсорбера при регенерации. Это время определяется экспериментально, поскольку никаких расчетных данных не существует;

- производительность дополнительного эжектора не должна превышать производительность основного, в противном случае работа станции озонирования будет не эффективна.

Для выполнения поставленной задачи проведен ряд опытов, позволивших установить зависимость (35). По данным эксперимента на ЭВМ было получено 10 уравнений, аппроксимирующих точки эксперимента. Обработка данных производилась с помощью программ регрессионного анализа ЯДЕР и РОЬЯЕС. Наилучшими статистическими характеристиками обладало следующее уравнение:

Твак = ехр(5,601 - 0,0627 ■ Ррег - 5713" в, + 453,2' V), с (38)

где рд- давление десорбции, кПа;

Од - производительность эжектора по воде, м3/с;

V - объем адсорбера, м3.

Уравнение (38) является недостающим звеном в системе (28-38).

3.4. Короткоцикловый вакуумный осушитель - обогатитель

По данным [21], если использовать в качестве адсорбента цеолит №Х, то можно получить на выходе из адсорбера не только сухой, но и обогащенный кислородом воздух. Это объясняется уникальными свойствами цеолита, а именно размерами его мик-ропор, которые задерживают молекулы азота. Применение таких осушителей в судовых озонаторных станциях позволит повысить производительность генераторов озона.

Авторами была поставлена задача - изготовить и испытать вакуумный осушитель -обогатитель. Используя теорию, полученную в п.3.3., были рассчитаны два адсорбера (А1, объемом 4,16 10"4 м3) и (А2, объемом 1,85 10'3 м3), засыпанные цеолитом №Х.

Эксперимент был связан с проверкой работоспособности вакуумного осушителя, целями которого были:

- проверка достаточности температуры нагрева при максимально-возможном вакууме;

- определение влажности воздуха после адсорбера;

- определение процентного содержания кислорода на выходе из адсорбера.

Испытательный стенд был выполнен по технологической схеме рис. 4.

Для эксперимента использовался основной эжектор производительностью по воде 0,=5,56 10"4 м3/с, объемная скорость газа Оп=2,78 10'4 м3/с. В качестве дополнительного эжектора был выбран эжектор с минимальной производительностью по воде 0Д1=0,277 10"4 м3/с, поскольку даже для него, как показал первый эксперимент, время до проскока на порядок больше, чем время создания минимального давления всасывания, а КПД станции озонирования тем больше, чем меньше производительность дополнительного эжектора.

За температуру подогрева адсорбента была принята температура кипения воды при минимальном давлении всасывания. По данным источника [18] при давлении десорбции 5 кПа (см. табл. 2) температура кипения воды равна 306°К.

Результаты второго эксперимента представлены в табл. 2.

Как видно из табл. 2 влажность воздуха после адсорбера в обоих случаях примерно одинаковая и составляет в среднем 252,5 °К по точке росы, что вполне достаточно для осушителя такого назначения. Этот факт также свидетельствует о правильности

эдительности эжектора: бочей средой струйного

олжно быть в несколько влаги из адсорбера при кольку никаких расчет-

ревышатъ производитель-будет не эффективна.

в, позволивших устано-ю получено 10 уравне-цшых производилась с 6. Наилучшими стати-

: V), с (38)

8-38). тель

цеолит ХаХ, то можно енный кислородом воз-шо размерами его мик-: осушителей в судовых гнераторов озона, якуумный осушитель -считаны два адсорбера гные цеолитом ЫаХ. 1акуумного осушителя,

о-возможном вакууме;

г из адсорбера, еме рис. 4.

штгельностью по воде качестве дополнитель-дательностью по воде ¿Р. эксперимент, время ¡»ного давления всасы-е производительность

гратура кипения воды [18] при давлении де-

ооих случаях примерно вполне достаточно твует о правильности

четодики расчета адсорберов и о достаточности времени полуцикла, равному 1500с -.л адсорбера (А1) и 6700с для адсорбера (А2). Принятая температура подогрева ад-;:рбента вполне удовлетворительна, в противном случае регенерация адсорбента не - -блюдалась. К сожалению, не удалось имерить процентное содержание кислорода на зыходе из адсорбера, в виду отсутствия прибора.

Таблица 2

Проверка работоспособности вакуумного осушителя - обогатите-гя

Параметры Gai, А, Gai, А:

Время полуцикла, с 1500 6700

Температура подогрева, °К 306 306

Влажность воздуха после адсор-

бера по точке росы, °К 252 253

5. Заключение

В данной работе кратко освещено большинство существующих блоков подготовки воздуха для производства озона и приведены их методики расчета, а также представлен новый вакуумный вариант осушителя, разработанный авторами, работоспособность и предложенный расчет которого подтверждены экспериментом. Степень осушки воздуха изобретенной установки составляет в среднем 252,5°К по точке росы. К основным достоинствам нового осушителя можно отнести следующие:

- отсутствие источника избыточного давления;

- низкие затраты электроэнергии вследствие небольшой температуры подогрева (в несколько раз меньшей, чем для установок с термической регенерацией);

- небольшая себестоимость и низкие эксплуатационные расходы;

Таким образом, авторам удалось создать простой, недорогой, экономичный осушитель воздуха, не имеющий аналогов, и предложить методику его расчета.

Список литературы

; 1] Сидоров А.И., Шумяцкий Ю.И. Адсорбционная осушка газов // МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1972. 2] Серегин Ю.А., Кельцев Н.В., Шумяцкий Ю.В. Технология и основы проектирования осушки зоздуха методом короткоцикловой безнагревной адсорбции // Деп. ВИНИТИ. - № 2578-71 Д. 1971. : 3] Серегин 10.А., Кельцев Н.В., Шумяцкий Ю.И. К вопросу подбора сорбента для осушки воздуха в условиях короткоцикловой безнагревной адсорбции//Труды МХТИ, вып. 65,1970.-С. 72-75. ¡4] Ермаков В.И. и др. К расчету короткоцикловых безнагревных установок осушки воздуха // Химич. и нефт. машиностр. - № 9. - 1971.

[5] Беккер Б.И., Торочешников Н.С., Шумяцкий Ю.И. Уравнения кинетики циклических адсорбционных процессов.

[6] Беккер Б.И., Торочешников Н.С., Шумяцкий Ю.И. Динамика короткоцикловой противоточ-ной адсорбции // ТОХТ. - № 3. - 1973.

[7] Ермаков В.И и др. Исследование нестационарной стадии работы установок для осушки воздуха методом короткоцикловой безнагревной адсорбции // Химич. и нефт. машиностр., - N° 7. - 1976.

[8] Нагаев В.В., Шумяцкий Ю.И., Торочешников Н.С. Математическое моделирование двухстадий-ных циклических адсорбционных i ipoueccoe // Изотермические процессы. - ТОХТ. - Ss 6. - 1980.

[9] Нагаев В.В.. Шумяцкий Ю.И., Торочешников НС. Неиютермические процессы - ТОХТ.1.-1981.

[10] Серегин Ю.А. Исследование короткоцикловой адсорбции применительно к осушке газов (на примере воздуха). - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1970. - 177 с.

[11] Ермаков В.И. Исследование циклических процессов осушки воздуха с безнагревной регенерацией адсорбента. - М.: МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1972. - 155 с.

[12] Беккер Б.И. Исследование изотермических циклических процессов адсорбции. - M.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1973. - 147с.

47

[13] Нагаев В.В. Исследование нестационарных циклических процессов. - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1975. - 180 с.

[14] Шумяцкий Ю.И. Исследование некоторых циклических адсорбционных процессов. Диссертация на соискание степ. д. т. н. - М., МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1975. - 376 с.

[15] Skarstrom С. Pat. USA № 2944627, cl. 55-33,1960

[16] Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. -Л.: Судостроение, 1979. - 584 с.

[17] Патент № 2072328 (Россия). Установка для озонирования воды. - 1997.

[18] Равдель A.A., Пономарева А.М. Краткий справочник физико-химических величин. - JI.: Химия, 1983.-232 с.

[19] Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970. - 288 с.

[20] Патент № 2190458. Установка адсорбционной осушки газов.

[21] Шумяцкий Ю.И., Афанасьев Ю.М. Адсорбция: процесс с неограниченными возможностями. - М.: Высш. шк., 1998. - 78 с.

BLOCKS OF PREPARATION OF AIR FOR SHIP OZONIZER STATIONS

V. V. Vantsev, A. S. Kurnikov

It is known, thai work of any ozonizer the unit depends on blocks of preparation of air before ozone synthesis. Air in this case should be dry (absolute humidity not above 0,03 g/m3) and, it is desirable, the enriched oxygen.

Depending on pressure of air in blocks they are divided on two big groups:

- The blocks working on superfluous pressure;

- The blocks using pressure below the atmospheric.

The first group well-known also is shined in the literature [I, 2].

Air drier, executed by a vacuum variant, are a little studied, but rather perspective as do not demand sources of increase of pressure ofgas - the main things in such installations is carried out jet generators of noise and electric power consumers. Transportation of gas by devices. In turn, both groups can be subdivided depending on a way of regeneration adsórbate on short cycle where half-cycle time makes 0,5... 10 minutes and with regeneration by hot air. In the given work choice rules adsórbate, calculations of dehumidifiers of air and gas coolers are resulted.

УДК 621.751

Г. И. Коробко, к. т. н., доцент. С. В. Попов, к. т. н., доцент, ВГАВТ. 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА

Рассмотрен вариант построения и использования имитационной модели генераторного агрегата на базе синхронного генератора со встроенной системой возбуждения и асинхронного гонного двигателя с частотным регулированием скорости его вращения. Модель позволяет реализовать как автономный, так и параллельный режим работы генератора с сетью, либо другим агрегатом.

Моделирование - это метод исследования физических процессов на моделях. Оно, с одной стороны, предусматривает способы воспроизведения объектов и процессов в них с соблюдением определенных требований теории подобия, с другой - указывает пути и принципы использования моделей для изучения интересующих нас физических процессов.