CC BY
4УДК 661.971.5
В.А. Иодис, И.П. Сарайкина, А.А. Акжигитов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: iodisva@mail.ru
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
В работе проведен анализ вариантов схем работы углекислотных установок низкого давления для получения твердого диоксида углерода. На основании анализа схем, их преимуществ и недостатков спроектирована схема установки для получения сухого льда.
Ключевые слова: установка, углекислота, твердый диоксид углерода, схема, сухой лед, преимущества и недостатки.
V.A. Iodis, I.P. Saraykina, A.A. Akzhigitov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: iodisva@mail.ru
DESIGNING THE INSTALLATION DIAGRAM TO PRODUCE SOLID CARBON DIOXIDE
The paper analyzes the options for the operation of low-pressure carbon dioxide plants to produce solid carbon dioxide. On the basis of the analysis of the schemes, their advantages and disadvantages, the installation diagram for producing dry ice has been designed.
Key words: installation, carbon dioxide, solid carbon dioxide, scheme, dry ice, advantages and disadvantages.
Промышленные установки для производства твердого диоксида углерода (СО2т - сухого льда) классифицируются в зависимости от рабочего давления (давления конца сжатия, давления конденсации) на установки высокого, среднего и низкого давления. Установки высокого давления работают при давлениях 6-7 МПа, среднего давления - при 2-4 МПа, низкого - при 1-2 МПа. Данные установки могут производить жидкую углекислоту (СО2ж), хранящуюся в газовых баллонах высокого давления при температуре окружающей среды, СО2ж, хранящуюся в теплоизолированных баллонах при пониженной температуре, и сухого льда.
В соответствии с расчетами, выполненными авторами данной работы, расход электроэнергии примерно на 10% меньше у циклов с рабочим давлением 2-4 МПа и на 12,6% меньше у циклов с давлением 1-2 МПа, чем при работе по циклу с рабочим давлением 6-7 МПа. Установки среднего и низкого давления безопаснее. При их эксплуатации имеют место меньшие потери углекислоты из-за негерметичности установки, можно достичь более полной очистки СО2ж, СО2т от компрессионного масла [1-6].
Рассмотрим и выявим преимущества и недостатки схем углекислотных установок низкого давления для получения твердого диоксида углерода. На основании чего спроектируем наиболее оптимальную схему установки для производства сухого льда.
Установка с блоком осушки после двухступенчатого сжатия
Два углекислотных одноступенчатых компрессора всасывают углекислый газ (СО2г) с небольшим содержанием водяного пара (ВП) (рис. 1) при атмосферном давлении и температуре 15°С (поз. 1, 4). Применение безмасляных компрессоров (oil free compressor) позволяет отказаться в схеме от маслоотделителей. Сжимаясь до промежуточного давления, СО2г нагнетается
в фильтр (поз. 2), далее - в теплообменник охлаждения (поз. 3), а затем всасывается вторым уг-лекислотным компрессором (поз. 4). Достигнув давления нагнетания СО2г, снова проходит фильтр (поз. 5), водяной теплообменник охлаждения (поз. 6) и с параметрами температуры -10°С, давления - 1,8 МПа, удельного объема - 0,04 м3/кг подается в колонны очистки (поз. 7) и осушки (поз. 8). Сжатый до 1,8 МПа очищенный и осушенный СО2г нагнетается в конденсатор (поз. 9), где конденсируется, отдавая тепло жидкому фреону, кипящему при температуре минус 30 - минус 33°С. После конденсатора СО2ж с температурой минус 25°С сливается в бак (поз. 10), откуда насосом (поз. 11) нагнетается в льдогенератор (поз. 12) для производства сухого льда.
Рис. 1. Установка с блоком осушки после двухступенчатого сжатия: 1 - компрессор первой ступени сжатия; 2, 5 - фильтры; 3, 6 - водяные теплообменники охлаждения;
7 - колонна очистки; 8 - колонна осушки; 9 - конденсатор; 10 - бак СО2ж; 11 - насос;
12 - льдогенератор для производства сухого льда
В данной схеме предусмотрены две двухступенчатые фреоновые холодильные машины для отдельного охлаждения углекислотного конденсатора и изотермического резервуара хранения СО2ж. Холодильные машины снабжены парожидкостными и регенеративными теплообменниками для увеличения удельной массовой холодопроизводительности и во избежание «влажного хода» компрессоров.
Недостатками данной схемы являются сжатие СО2г в компрессорах с водяными парами, что приведет к внутренней коррозии системы, и отсутствие автоматического регулирования параметров процесса сорбции, регенерации сорбента в колонне осушки.
Установка с низкотемпературным влагоотделителем после двухступенчатого сжатия
Всасывание смеси СО2г и ВП компрессорами (поз. 1, 4), их сжатие, фильтрация и охлаждение в водных теплообменниках происходит аналогично первой схеме (рис. 1), однако вместо блока осушки используется низкотемпературный влагоотделитель (НВ) (рис. 2).
Смесь углекислого газа и водяного пара из блока очистки направляется в НВ (поз. 8), где температура смеси, а также удельный объем падают до значений 0-5°С; 0,034 м3/кг при постоянном давлении 1,8 МПа.
Рис. 2. Установка с низкотемпературным влагоотделителем после двухступенчатого сжатия: 1 - компрессор первой ступени сжатия; 2, 5 - фильтры; 3, 6 - водяные теплообменники охлаждения; 7 - колонна очистки; 8 - низкотемпературный влагоотделитель; 9 - конденсатор; 10 - бак СО2ж; 11 - насос; 12 - льдогенератор для производства сухого льда
Низкотемпературный влагоотделитель (поз. 5) представляет собой цилиндр со спиральным теплообменником внутри для циркуляции фреона. Смесь СО2г и ВП подается в нижнюю часть аппарата, а для лучшего контакта с холодной поверхностью теплообменника отводится с верхней части аппарата. Жидкий и газообразный холодильный агент подводится и отводится через верхнюю часть НВ. В нижней части НВ предусмотрен поплавковый регулятор уровня, сконденсировавшейся из СО2г влаги, и ТЭНы, исключающие замерзание влаги. Для осуществления работы НВ используется двухступенчатая фреоновая холодильная установка (ХУ) с парожидкостным и регенеративным теплообменниками.
Очищенный СО2г без водяных паров далее нагнетается в конденсатор 9, где конденсируется, отдавая тепло жидкому фреону, кипящему при температуре минус 30 - минус 33°С. После конденсатора СО2ж с температурой минус 25°С сливается в бак (поз. 10), откуда насосом (поз. 11) подается в льдогенератор (поз. 12) для производства сухого льда.
Преимуществом второй схемы является отсутствие необходимости осуществлять процесс осушения, регенерации адсорбента в осушительной колонне, контролировать процесс. А к недостаткам, как и в рассмотренной первой схеме, - сжатие в углекислотных компрессорах смеси углекислого газа и водяных паров.
Установка с низкотемпературным влагоотделителем до двухступенчатого сжатия
Смесь СО2г и ВП, перед тем как поступить на всасывание двухступенчатого углекислотного безмасляного компрессора (поз. 2), осушается в НВ (поз. 1), в котором его температура падает с 15°С до минус 5°С (рис. 3). Затем уже осушенный газ сжимается до промежуточного давления ~ 0,5-0,6 МПа и в водяном теплообменнике охлаждается (поз. 3) с 80 до 10°С. После охлаждения между ступенями сжатия СО2г всасывается во вторую ступень сжатия углекислотного компрессора (поз. 2), сжимается и нагнетается опять в водяной теплообменник (поз. 4). Параметры газа в этот момент следующие: давление 1,8 МПа, температура 100-110°С. Из охлаждающего теплообменника СО2г с температурой 10-12°С нагнетается в конденсатор (поз. 5), где он дополнительно охлаждается до минус 25°С и конденсируется. Далее процесс производства сухого льда происходит аналогично двум вариантам, рассмотренным выше.
Рис. 3. Установка с низкотемпературным влагоотделителем до двухступенчатого сжатия: 1 - низкотемпературный влагоотделитель; 2 - двухступенчатый безмасляный углекислотный компрессор; 3, 4 - водяные теплообменники охлаждения; 5 - конденсатор; 6 - бак СО2ж; 7 - насос; 8 - льдогенератор для производства сухого льда
Данная схема установки, по мнению авторов, в сравнении с рассмотренными первыми двумя схемами обладает рядом преимуществ:
1. Автоматизацией процесса осушения углекислого газа, заключающейся в использовании ТЭН, указателя-регулятора уровня жидкости в низкотемпературном влагоотделителе и автоматическом сливе вымороженной влаги (см. рис. 3);
2. Отсутствием необходимости в периодической замене адсорбента, его регенерации, вследствие применения процесса вымораживания влаги, а не адсорбции;
3. Расположением аппаратов установки, исключающих угрозу внутренней ее коррозии, а именно расположением низкотемпературного влагоотделителя в начале установки - до двухступенчатого безмасляного углекислотного компрессора.
На основании анализа схем производства сухого льда, выявления их преимуществ и недостатков разработана схема установки с низкотемпературным влагоотделением до сжатия углекислого газа, которая учитывает преимущества рассмотренных схем и не имеет их недостатков.
Литература
1. Иодис В.А. Анализ существующих установок сжижения диоксида углерода из подземных источников // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2018. - № S59. - С. 87-91.
2. Производство и применение жидкой углекислоты / С.В. Алтунджи, В.В. Бухарин, В.А. Добки-на, Н.М. Кузнецов, К.Г. Попова, А.Д. Тезиков, Л.Р. Фрадин. - М.: Пищепромиздат, 1969. - 340 с.
3. Иодис В.А., Пашкевич Р.И. Схема работы установки сжижения углекислого газа, добываемого на месторождениях углекислых минеральных вод // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2018. - № S59. - С. 97-104.
4. Иодис В.А. Выбор цикла работы установки получения жидкой двуокиси углерода высшего сорта из подземных источников // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2018. - № S59. - С. 92-96.
5. Чумак И.Г., Чепурненко В.П., Чуклин С.Г. Холодильные установки. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 344 с.
6. Пименова Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 208 с.
