CC BY
18УДК 661.971.5
В.А. Иодис, И.П. Сарайкина, Д.А. Шмелёв
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: iodisva@mail.ru
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СУХОГО ЛЬДА
В работе проведен технико-экономический анализ промышленных установок производства твердого диоксида углерода - сухого льда. На основании анализа выбраны углекислотные установки низкого давления (рабочее давление от 1 до 2 МПа) как наиболее экономичные для переработки газообразного диоксида углерода.
Ключевые слова: твердый диоксид углерода, сухой лед, производство, промышленная установка высокого, среднего, низкого давления, анализ.
V.A. Iodis, I.P. Saraykina, D.A. Shmelev
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: iodisva@mail.ru
TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF INDUSTRIAL PLANTS FOR PRODUCTION OF DRY ICE
The work carried out a technical and economic analysis of industrial installations for the production of solid carbon dioxide - dry ice. Based on the analysis, low-pressure carbon dioxide units (operating pressure from 1 to 2 MPa) were selected as the most economical for processing gaseous carbon dioxide.
Key words: solid carbon dioxide, dry ice, production, industrial plant of high, medium, low pressure, analysis.
Сырьем для производства сухого льда (твердого диоксида углерода (СО21)) в основном служат побочные продукты, бросовые отходы, содержащие диоксид углерода (СО21), различных производств (разложение карбонатов, спиртовое брожение, получение азота, кислорода и других соединений, очистка дымовых газов), реже используются природные источники. Наибольшее содержание СО2 и, как следствие, больший процент получения имеют естественные природные источники. Из них выходит чистый диоксид углерода, в котором содержится незначительная доля водяного пара.
Твердый диоксид углерода обладает хорошими теплофизическими характеристиками, такими как высокая теплота сублимации (590 кДж/кг), высокая плотность (1561 кг/м3), низкая температура сублимации при атмосферном давлении (минус 78°С). Эти свойства позволяют использовать СО2т как консервант для сохранения свойств пищевых продуктов - охлаждение и замораживание, для охлаждения промышленных изделий при типовых испытаниях, для струй-но-абразивной обработки различных поверхностей.
Промышленная установка для производства СО2т может производить жидкую углекислоту (СО2ж), хранящуюся в газовых баллонах высокого давления при температуре окружающей среды, жидкую углекислоту, хранящуюся в теплоизолированных баллонах при пониженной температуре, и сухого льда.
Классифицируются промышленные установки для производства СО2т по значению рабочего давления. Если рабочее давление установки лежит в пределах от 6 до 7 МПа, то установку относят к установкам высокого давления, при значении рабочего давления от 2 до 4 МПа - к установкам среднего давления, при 1-2 МПа - к установкам низкого давления [1-3].
Анализ промышленных установок для производства СО2т
Установка по производству при давлении от 6 до 7 МПа
Газообразный диоксид углерода, смешиваясь с парами СО2г от льдогенератора (поз. 9), всасывается I ступенью одноступенчатого углекислотного компрессора (поз. 1) (рис. 1) и сжимается до давления до ~ 6,9 МПа. После сжатия в I ступени СО2г, проходя охладители (поз. 2), поступает в маслоотделители (поз. 3). Далее СО2г очищается и осушается в блоке очистки и осушки (поз. 4) и попадает в конденсатор (поз. 5), где сжижается. Сжиженный СО2, пройдя промежуточную емкость (поз. 6), дросселируется до давления ~ 2,4-2,7 МПа в I промежуточный сосуд (поз. 7) (I ПС). Полученные при этом пары отсасываются II ступенью компрессора, а жидкость I ПС дросселируется до давления 0,8 МПа во II ПС. Пары из сосуда (поз. 5) отсасываются I ступенью компрессора, а СО2ж из сосуда направляется в льдогенератор.
Льдогенератор заполняется СО2ж самотеком при открытом вентиле уравнительной линии и закрытых диафрагмах. После заполнения открывают одну из диафрагм нижнего отсоса, что обеспечивает дросселирование жидкости до давления всасывания. При атмосферном давлении жидкая углекислота превращается в сухой лед.
Рис. 1. Установка по производству сухого льда при давлении от 6 до 7 МПа [4]: 1 - углекислотные компрессоры; 2 - охладители; 3 - маслоотделители; 4 - блок очистки и осушки; 5 - конденсатор; 6 - промежуточная емкость; 7, 8 - промежуточные сосуды; 9 - льдогенератор
Установки по производству при давлении от 2 до 4 МПа
Газообразный СО2г низкого давления проходит водоотделитель - поз. 1 и всасывается в I ступень компрессора (поз. 2), в котором последовательно сжимается до давления ~ 3 000 000 Па (рис. 2). Между ступенями сжатия I и II (поз. 2, 4), а также после компрессора СО2г охлаждается в охладителях-водоотделителях (поз. 3, 5). Охлаждение в охладителе-водоотделителе осуществляется СО2ж, нагнетаемой углекислотным насосом (поз. 13) из нижней части бака углекислоты (поз. 11) через конденсатор (поз. 9), а также жидким аммиаком (минус 33°С) от двухступенчатой холодильной машины насосами (поз. 14, 15). Далее поток СО2г направляется в блок осушения (поз. 6), затем в конденсатор, после которого СО2ж сливается в бак углекислоты. Для регенерации блока осушения в установке предусмотрена подача в блок сдросселированных до давления 110 000 Па, а потом подогретых в электрическом нагревателе (поз. 7) неконденсирующихся газов из верхней части бака (поз. 11). Жидкая углекислота из бака (поз. 11) забирается углекислот-ным насосом и подается на льдогенератор для производства сухого льда.
Рис. 2. Схема производства жидкого диоксида углерода при давлении от 2 до 4 МПа [5]: 1 - водоотделитель; 2, 4 - ступени сжатия углекислотного компрессора; 3, 5 - охладители-водоотделители; 6 - блоки осушки; 7 - электрический нагреватель; 8 - дроссельный вентиль; 9 - конденсатор; 10 - вентиль; 11 - бак углекислоты; 12 - льдогенератор для производства сухого льда; 13 -углекислотный насос; 14, 15 - аммиачные насосы
Установки по производству при давлении от 1 до 2 МПа
В установках низкого давления СО2г сжимается в одно- или двухступенчатом углекислотном компрессоре до давления 1-2 МПа, температуры 100°С и нагнетается в водяной охладитель (поз. 2), фреоновый теплообменник охлаждения (поз. 3), адсорбер осушитель (поз. 4) (рис. 3).
Рис. 3. Схема производства сухого льда при давлении от 1 до 2 МПа [6]: 1 - углекислотный компрессор; 2 - водяной холодильник; 3 - фреоновый теплообменник охладитель; 4 - адсорбер-осушитель; 5 - конденсатор; 6 - теплоизолированный ресивер хранения низкотемпературной жидкой углекислоты; 7 - насос жидкой углекислоты; 8 - льдогенератор сухого льда
Далее СО2г поступает в конденсатор (поз. 5), являющийся испарителем двухступенчатой фреоновой холодильной машины, где охлаждается и конденсируется при давлении от 1 до 2 МПа и достигает температуры минус 25°С. Затем жидкая углекислота сливается в теплоизолированный ресивер хранения низкотемпературной СО2ж (поз. 6), откуда дросселируется в льдогенератор (поз. 8). Образовавшийся в процессе производства сухого льда в льдогенераторе СО2г направляется обратно на всасывание компрессора.
Анализ установок показал, что более экономичными и надежными при эксплуатации являются установки с рабочим давлением от 1 до 2 МПа. Это объясняется меньшим расходом электроэнергии, чем для установок с рабочими давлениями 2-4 и 6-7 МПа. Как показывает тепловой расчет, в среднем установки низкого давления потребляют на 12,3% меньше электроэнергии, чем установки среднего давления, и на 16,4% меньше, чем установки высокого давления. Кроме этого, установки с рабочим давлением от 1 до 2 МПа более безопасны в эксплуатации вследствие меньшего значения давления, имеют меньшие потери СО2г через неплотности, меньший расход смазочных материалов, меньшую металлоемкость аппаратов.
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. Пименова Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 208 с.
3. Производство и применение жидкой углекислоты / С.В. Алтунджи, В.В. Бухарин, В.А. Добкина, Н.М. Кузнецов, К.Г. Попова, А.Д. Тезиков, Л.Р. Фрадин. - М.: Пищепромиздат, 1969. - 340 с.
4. Чумак И.Г., Чепурненко В.П., Чуклин С.Г. Холодильные установки. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 344 с.
5. Линия ожижения диоксида углерода [Электронный ресурс]. - URL: https://findpatent.ru/ patent/237/2378590.html.
6. Установка для производства CO2 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.vmtech.ru/ page_4_20(ch_1).htm.
