Воздухоразделительная установка

Page 1

РЕФЕРАТ
Пояснительная записка 113 с., 17 рисунков, 31 таблицу, 17 источников, 4
приложения.
Ключевые слова: теплообменник-ожижитель, система автоматизации, блок
очистки воздуха, время регенерации, лабиринтные уплотнения детандера,
механический
фильтр,
теплообменник-переохладитель,
пластинчатый
теплообменник, проверочный тепловой расчет, подогреватель регенерирующего
газа.
Цель проекта: усовершенствование отдельных узлов установки АК-1,5 с целью
понижения ее энергоемкости и повышения надежности работы.
Область применения: установка разделения воздуха применяется в
химической, нефтехимической, стекольной промышленности, в электронике.
Экономическая эффективность: усовершенствованная установка потребляет
меньшее количество энергии, а так же у нее меньше затраты на ремонт и более
высокая стабильность работы.
3

---

Page 2

Содержание
РЕФЕРАТ
3
Введение
6
1 Методы разделения воздуха
8
1.1 Однократная ректификация
10
1.2 Двукратная ректификация
12
2 Описание установки АК-1,5 и модернизации узлов
18
2.1 Характеристика установки АК-1,5
18
2.2 Описание технологического процесса разделения воздуха
18
2.3 Описание модернизируемых узлов
20
2.3.1 Ожижитель А3
20
2.3.2 Переохладитель А6
22
2.3.3 Фильтр детандерный высокого давления
25
2.3.4 Детандер
26
2.3.5 Блок комплексной очистки воздуха
28
2.3.6 Замена подогревателя регенерирующего газа
31
3 Разработка схемы автоматизации подачи азота в ожижитель А3
33
3.1 Описание схемы автоматизации
33
3.2 Выбор задвижки
34
3.3 Описание электрической схемы
35
4 Расчеты, подтверждающие работоспособность объекта
38
4.1 Расчет турбодетандера
38
4.1.1 Расчет потерь через уплотнения турбодетандера
38
4.2 Расчет блока очистки воздуха
42
4.2.1 Расчет длительности процесса регенерации
42
4.2.2 Гидравлический расчет адсорберов
50
4.2.3 Расчет адсорбера на прочность
53
4.3 Расчет пластинчатого теплообменника
56
4

---

Page 3

4.3.1 Проверочный тепловой расчет
61
4.3.2 Гидравлический расчет теплообменников
71
4.4 Увеличение холодопроизводительности при замене фильтра А10
73
5 Экономическое обоснование затрат на проведение модернизации
оборудования
76
5.1 Расчет эффекта от модернизации ожижителя А3
76
5.1.1 Расчет расходов на ремонт
76
5.1.2 Расчет годовых издержек эксплуатации ожижителя А3
80
5.2 Расчет экономии от модернизации блока очистки
82
5.3 Эффект от замены подогревателя регенерирующего газа
83
5.4 Эффект от модернизации турбодетандера
83
5.5 Экономия от замены фильтра А10
85
5.6 Экономия от замены теплообменника-переохладителя А6
85
5.7 Общая экономия от модернизации установки АК-1,5
86
6 Безопасность и экологичность
87
6.1 Безопасность
87
6.1.1 Анализ условий труда
87
6.1.2 Действие опасных и вредных факторов на человека,
нормирование факторов
89
6.1.3 Технические методы защиты от опасных и вредных факторов
96
6.1.4 Расчет заземления
100
6.1.5 Анализ пожароопасности
104
6.2 Экологичность
105
Заключение
107
Приложение А
110
Приложение Б
111
Приложение В
112
Приложение Г
113
5

---

Page 4

Введение
В современных условиях экономики и производства, чтобы сохранить
конкурентноспособность и прибыльность предприятия необходимо постоянно
совершенствовать процесс производства.
Процесс получения азота и кислорода связан с существенными затратами,
прежде всего энергетическими. Установка разделения воздуха АК-1,5 имеет
потенциал для повышения ее эффективности.
Технологический процесс разделения воздуха является непрерывным. Это
связано с большими временными и материальными потерями на его режима. Особое
значение стабильность работы установки АК-1,5 имеет на предприятии ОАО
«Воронежсинтезкаучук» (цех № 20), так как продукты разделения идут на нужды
КИПа и необходимы для безаварийной остановки всего завода.
Для установки АК-1,5 необходимо провести доработки связанные с
изменением конструкции или заменой отдельных узлов установки. А так же
разработка системы автоматизации для предотвращения преждевременного выхода
из строя дорогостоящего узла.
Узлы, для которых возможна наиболее эффективная модернизация:
1) Ожижитель.
Теплообменник-ожижитель по нескольку раз в год подвергается внеплановому
ремонту и по этой причине выходит из строя раньше времени. Нарушения связаны с
выходом температуры теплоносителя за допустимые технологическими нормами
рамки. Очевидным решением является разработка системы автоматизации, не
допускающей опасные отклонения.
2) Блок комплексной очистки воздуха.
В блоке осуществляется циклический процесс, проводимый с затратами
электроэнергии. Вполне возможно увеличить длительность цикла с тем, чтобы
уменьшить суточные затраты энергии.
3) Подогреватель регенерирующего газа.
6

---

Page 5

В установке АК-1,5 применяется подогреватель устаревшей конструкции, с
существенными потерями электроэнергии. Необходимо заменить подогреватель на
новую модель с большим КПД.
4) Турбодетандер.
Утечки через лабиринтные уплотнения турбодетандера уносят большое
количество воздуха, который идет на разделение. Ставятся дополнительные
уплотнения, уменьшающие утечки.
5) Турбодетандерный фильтр.
Фильтр периодически забивается углекислотой, что сказывается на его
гидравлическом сопротивлении и КПД детандера. Поэтому необходима замена на
фильтр с меньшим сопротивлением.
6) Переохладитель.
Используется классический витой трубчатый теплообменник, который не в
полной мере обеспечивает требуемый режим температур, велики потери
недорекуперации. В этом случае возможен подбор и замена на более эффективный
теплообменник.
7

---

Page 6

1 Методы разделения воздуха
В настоящее время для производства азота и кислорода используется три
основных типа установок:
– Криогенные
(разделение
воздуха
способом
низкотемпературной
ректификации).
– Адсорбционные (разделение воздуха за счет поглощения адсорбентом
различных компонентов воздуха).
– Мембранные (разделение воздуха за счет различия скорости проникновения
различных компонентов воздуха через газоразделительные мембраны).
Два последних типа, несмотря на определенные достоинства, имеют
ограниченное распространение из-за трудности создания разделит. установок
большой производительности, а так же из-за того, что на адсорбционных и
мембранных установках возможно получение только одного продукта, азота или
кислорода, и только в газообразном виде.
На криогенных установках возможно одновременное получение азота,
кислорода, (на крупных установках так же и аргона) как в газообразном, так и
жидком виде.
Технический и медицинский газообразный кислород по ГОСТ 5583-78 и ГОСТ
6331-78 (чистота не ниже 99,2 %) , как и жидкий возможно получить только
криогенным способом. Адсорбционные установки дают чистоту не выше 95 %,
мембранные – до 50 %. (Для газовой сварки и резки металлов применяется кислород
чистотой не ниже 98,5 %, получаемый только на криогенных установках.). Азот
повышенной чистоты (99,999 %) возможно получить как на криогенных, так и на
адсорбционных установках.
Криогенный метод разделения воздуха осуществляется при криогенных
температурах (ниже минус 150 °С) в воздухоразделительных установках путем
ректификации; воздух предварительно подвергают сжижению. Теоретически
минимальная работа, необходимая для разделения воздуха, при обратимом процессе
8

---

Page 7

определяется только начальным состоянием воздуха и конечным состоянием
продуктов разделения[1]:
L
мин
=
T S
,
(1.1)
где
T
– температура окружающей среды;
S
– изменение энтропии системы.
Действительный расход энергии в ВРУ намного больше, что объясняется
потерями холода в окружающую среду, недорекуперацией (необратимостью
теплообмена между воздухом и продуктами разделения), гидравлическими
сопротивлениями и др. Так, расход энергии на получение
1м
3
кислорода чистоты
99,5 % достигает 0,38 ... 0,42 кВт·ч, тогда как
L
мин
=
0,067кВт
⋅
ч
[2].
Разделение осуществляют путем ректификации, проводимой в специальных
аппаратах – ректификационных колоннах. Процесс ректификации основан на
явлении конденсации кислорода в азотно-кислородной жидкости с одновременным
испарением из нее азота. Образующуюся при испарении жидкого воздуха
парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим
содержанием кислорода. Так как жидкость содержит меньше кислорода и больше
азота, она имеет температуру более низкую, чем проходящий через нее пар. При
этом из пара конденсируется кислород и обогащает жидкость, а азот испаряется из
жидкости, обогащая пар. Этот процесс происходит при соприкосновении пара с
жидкостью, многократно повторяется до тех пор, пока не получится пар, состоящий
почти из одного азота, а жидкость из кислорода.
Ректификационная колонна, представляет собой цилиндрическую обечайку с
расположенными внутри нее параллельно друг другу на определенном расстоянии
тарелками. Тарелки могут иметь различную конструкцию (ситчатую, колпачковую и
др.).
9

---

Page 8

1.1 Однократная ректификация
Колонна однократной ректификации для получения кислорода приведена на
рисунке 1.1 (а). Сжатый и предварительно охлажденный воздух проходит через
змеевик, погруженный в сосуд (куб) с кипящим жидким кислородом. В змеевике
охлажденный воздух частично конденсируется, испаряя некоторое количество
кислорода из куба.
Рисунок 1.1 – Схемы колонн однократной ректификации: а) для получения
кислорода; б) для получения азота.
На выходе из змеевика воздух дросселируется, его давление снижается до
0,012 ... 0,013 МПа. Затем воздух поступает на верхнюю тарелку ректификационной
колонны, часть его испаряется, а большая часть стекает по тарелкам в нижнюю часть
колонны. Проходя ряд тарелок, воздух обогащается кислородом, контактируя на
тарелках с поднимающимися парами. В результате в нижней части колонны (куба)
собирается жидкий кислород. Часть паров кислорода отводится потребителю.
Образующиеся в кубе пары кубовой жидкости поднимаются вверх и обогащаются
10

---

Page 9

азотом. В верхней части колонны пар содержит около 90 % азота и 10 % кислорода.
Эта смесь выбрасывается в атмосферу, предварительно отдав свой холод сжатому
воздуху, поступающему в колонну.
Схема колонны однократной ректификации для получения азота приведена на
рисунке 1.1 (б). Сжатый и охлажденный воздух подается через дроссельный вентиль
в куб колонны, откуда для охлаждения и конденсации газообразного азота,
находящегося в трубках конденсатора через второй дроссельный вентиль поступает
в межтрубное пространство конденсатора. Чистый газообразный азот отбирается из-
под крышки конденсатора, а жидкий азот сливается в карманы и выдается в виде
продукта. Обогащенный кислородом холодный воздух из межтрубного пространства
конденсатора отводится для охлаждения сжатого воздуха.
При получении технического кислорода колонна однократной ректификации
работает неэкономично, так как вместе с азотом в атмосферу выбрасывается около
30 % кислорода, содержащегося в перерабатываемом воздухе. Это происходит
потому, что верхняя Тарелка колонны орошается жидким воздухом, пар над которым
теоретически содержит 7 % кислорода. Для уменьшения потерь кислорода
необходимо орошать верхнюю тарелку жидким азотом, что и делают в колонне
двукратной ректификации.
Коэффициент извлечения кислорода из воздуха

, % характеризует
разделительную способность колонны:

=
K
⋅
1
−
y
K

B
⋅
1
−
x
B

⋅
100
(1.2)
где
y
K
– концентрация кислорода в паре, %;
x
B
– концентрация азота в воздухе, %.
При повышении концентрации кислорода, извлекаемого из колонны,
коэффициент уменьшается.
11

---

Page 10

1.2 Двукратная ректификация
Колонну двукратной ректификации применяют для полного извлечения
кислорода из воздуха (рисунок 1.2 (а)). Аппарат состоит из колонны высокого
давления (нижней колонны), работающей под давлением 0,55 ... 0,6 МПа, и колонны
низкого давления (верхней колонны), работающей под давлением 0,13 ... 0,14 МПа.
Рисунок 1.2– Схема колонны двукратной ректификации: а) с подачей
насыщенного воздуха непосредственно в куб колонны; б) с подачей воздуха
высокого давления в змеевик куба.
В нижней колонне происходит предварительное разделение воздуха с
получением флегмы, обогащенной азотом. Если воздух поступает в колонну в
состоянии, близком к сухому насыщенному пару с давлением 0,55 ... 0,7 МПа, то его
подают непосредственно в куб колонны (рисунок 1.2 (а)). Пар с верхней тарелки
нижней колонны, обогащенной азотом, подается в конденсатор-испаритель, где
конденсируется в результате теплообмена с кипящим жидким кислородом. Из
конденсатора-испарителя жидкий азот поступает на орошение тарелок нижней
колонны, а азотная флегма отбирается из карманов нижней колонны, дросселируется
до давления 0,13 МПа и подается на орошение тарелок верхней колонны.
Обогащенная кислородом жидкость из куба нижней колонны дросселируется
12

---

Page 11

до давления 0,13 ... 0,14 МПа и подается в середину верхней колонны.
В результате ректификации в верхней колонне в межтрубном пространстве
конденсатора собирается жидкий кислород с концентрацией 99,5 ... 99,8 %. Его пары
частично поднимаются вверх по колонне, участвуя в процессе ректификации. Часть
паров кислорода отводится потребителю. Азот с концентрацией 97 ... 98 %
собирается в верхней части колонны низкого давления и отводится потребителю или
выбрасывается в атмосферу. Если воздух подается на разделение в нижнюю колонну
при давлении более 0,6 МПа, то его целесообразно не дросселировать
непосредственно в куб нижней колонны, а сначала охладить в змеевике,
погруженном в кубовую жидкость. После прохождения змеевика жидкий воздух
дросселируется до давления 0,55 ... 0,6 МПа и подается в середину нижней колонны.
В установках для получения жидкого кислорода в нижнюю колонну подают
два потока воздуха (рисунок 1.3): газообразный с давлением 0,6 МПа и жидкий
высокого давления. Газообразный воздух подается непосредственно в куб нижней
колонны, а жидкий воздух высокого давления дросселируется до давления 0,55 ... 0,6
МПа и подается в середину нижней колонны. В верхней колонне происходит
окончательное разделение воздуха на кислород, отбираемый из конденсатора-
испарителя, и азот, отбираемый из верхней части колонны. Концентрации продуктов
разделения, получаемых в верхней колонне, могут быть различными в зависимости
от назначения и типа установки. При производстве кислорода в отходящем азоте
содержится не более 2 ... 3 % кислорода.
Таким образом, в колонне двукратной ректификации обеспечивается
практически полное извлечение кислорода или азота из воздуха.
13

---

Page 12

Рисунок 1.3 – Схема колонны двукратной ректификации с подачей в куб двух
потоков воздуха
Изменение температур и давлений по высоте колонны. В колонне однократной
ректификации (рисунок 1.4) повышение давления теоретически возможно вплоть до
критического.
Рисунок 1.4 – Схема колонны однократной ректификации.
Практически даже при небольшом повышении давления значительно
сокращается выход кислорода. При более высоком давлении в колонне, температура
кипения кубовой жидкости TR повышается и, следовательно, температура воздуха,
14

---

Page 13

выходящего из змеевика, увеличивается.
Расчеты показывают (рисунок 1.5), что можно повышать давление в колонне
до 1,5 ... 2 МПа, но экономически это не выгодно, так как при давлении 1 ... 1,5 МПа
количество получаемого кислорода уменьшается более чем в 2 раза. В колонне с
бесконечно большим числом тарелок азот имеет максимальную концентрацию
y
теор
. В реальной колонне разность между максимальной
y
теор
и реальной
концентрацией составляет 0,02 %, т.е. неравновесность
 y
=
y
теор
−
y
=
0.2
.
1, 2 – зависимости для выхода кислорода от давления в колонне для колонны с
бесконечно большим числом тарелок: 1 – при бесконечно большой поверхности
змеевика, когда разность температур между воздухом из змеевика и кубовой
жидкостью Т = 0; 2 – при реальной поверхности змеевика при разности температур
Т = 3 °С; 3, 4 – зависимости для реальной колонны, от неравновесности и разности
температур воздуха, выходящего из змеевика, и кислорода в кубе: 3 – при
бесконечно большой поверхности змеевика для действительной колонны при T = 0;
4 – с реальной поверхностью змеевика для действительной колонны при T =3 °С
Рисунок 1.5 – Выход кислорода из воздуха в зависимости от давления в колонне
В колонне двукратной ректификации для протекания процесса необходимо,
чтобы в конденсаторе колонны происходил процесс конденсации азота. Это
возможно лишь при разности давлений в верхней и нижней колоннах. Повышение
15

---

Page 14

давления в верхней колонне приводит к необходимости повышения давления в
нижней колонне, чтобы разность температур кислорода в межтрубном пространстве
и азота в трубках конденсатора составила около 3 К. Зависимость давления
p
1
в
верхней колонне от давления
p
2
в нижней колонне представлена в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Зависимость давления в верхней колонне от давления в нижней
p
2
, МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,2
p
1
, МПа 0,053 0,122 0,198 0,278 0,36 0,45 0,54 0,04 0,73 0,82
В отличие от колонны однократной ректификации, в колонне двукратной
ректификации повышение давления возможно до определенного предела в
зависимости от получаемого продукта. Процесс ректификации протекает, если
концентрация
x
R
жидкости R в кубе находится между минимальным
x
R min
(линия 1 или 2) и максимальным
x
R max
ее значением (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 – Зависимость предельного давления
x
R min
в нижней колонне от
концентрации жидкости в кубе при получении жидкого 1 и газообразного 2
кислорода.
При некоторых значениях р2 имеем
x
R min
=
x
R max
(точки а, б) при большем
значении давлений
x
R min
x
R max
и ректификация становится невозможной даже
при теоретическом, т. е. бесконечно большом, количестве тарелок. Предельное
16

---

Page 15

давление зависит от концентрации получаемых продуктов: чем они чище, тем ниже
предельное давление.
Температурный напор конденсатора. Между верхней и нижней колоннами
расположен конденсатор-испаритель, представляющий собой аппарат с большим
числом вертикальных трубок, концы которых закреплены в трубных решетках.
Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной, давление в
которой 0,55 ... 0,6 МПа устанавливается самопроизвольно в соответствии с
тепловой нагрузкой конденсатора. Межтрубное пространство конденсатора
сообщается с верхней колонной, давление в которой 0,13 ... 0,14 МПа,
обуславливаемое сопротивлением отводящих трубопроводов. Так как жидкий
кислород в межтрубном пространстве конденсатора находится под давлением 0,13 ...
0,14 МПа, а пары азота в трубках конденсатора под давлением 0,55 ... 0,6 МПа, то
температура конденсации паров азота на 2 ... 3 К превышает температуру жидкого
кислорода. Азот конденсируется в трубках конденсатора в результате теплообмена с
кипящим кислородом и стекает в нижнюю колонну. Разность между температурами
конденсирующегося азота и кипящего кислорода в конденсаторе называют
температурным напором конденсатора. Температура кипящего кислорода при
давлении 0,14 МПа около 93 К, следовательно, с учетом температурного напора (2 ...
3 К) температура конденсирующегося азота должна составлять 95 ... 96 К. Этой
температуре соответствует давление 0,55 МПа.
17

---

Page 16

2 Описание установки АК-1,5 и модернизации узлов
2.1 Характеристика установки АК-1,5
Установка АК-1,5 относится к установкам, функционирующим по принципу
двукратной ректификации и может работать в различных режимах (таблица 2.1).
Основные технические параметры[3]:
– Перерабатываемого воздуха - 2600 м
3
/ч.
– Производительность блока разделения в разных режимах работы:
Таблица 2.1– Характеристика режимов работы
Режим
Наименование продуктов
разделения
Произ-
води-тель-
ность
Объемная
доля,
% О
2
Давление
кгс/см
2
, (МПа)
1
Газообразного азота, м
3
/ч
Газообразного кислорода, м
3
/ч
1625
230
0,0005
99,7
0,35 (0,035)
200 (20)
2
Газообразного азота, м
3
/ч
Жидкого кислорода, кг/ч
1625
215
0,0005
99,7
0,35 (0,035)
0,4 (0,04)
3
Газообразного азота, м
3
/ч
Жидкого азота, кг/ч
1300
160
0,0005
0,0005
0,35 (0,035)
4 (0,4)
4
Газообразного азота, м
3
/ч
1750
0,0005
0,35 (0,035)
Блок расположен вне здания. Лицевая панель примыкает к проему здания. Все
аппараты блока можно разделить на 3 группы: теплообменная аппаратура, узел
ректификации, фильтры.
2.2 Описание технологического процесса разделения воздуха
Технологическая схема процесса представлена в приложении А.
Атмосферный воздух турбокомпрессором подается в теплообменники-
ожижители, где
N
2
или
O
2
до Т = 8 ... 10 °С [3] и поступает в блоки очистки,
18

---

Page 17

заполненные цеолитом NaX происходит очистка воздуха от влаги, окиси углерода ,
ацетилена и других примесей.
После блока очистки воздуха делится на два потока и идет в теплообменники
блока разделения.
Большая часть воздуха (0,45 ... 0,6
м
3
/
м
3
п.в.) из середины теплообменника
отводится при Т = –85 ... 105 °С в турбодетандер, где расширяется и охлаждается до
Т = –135 ... 165 °С и поступает в куб нижней колонны.
Для смазки и охлаждения турбодетандера используется маслостанция,
состоящая из маслобака и теплообменника.
Часть воздуха (0,34
м
3
/
м
3
п.в.) охлаждается в кислородно-фракционном
теплообменнике жидким
O
2
и фракцией
до Т= –135 ... 145 °С затем на
доохлаждение в нижнюю часть азотного теплообменника до Т= –135 ... 150 °С затем
дросселируется в куб нижней колонны.
В нижней колонне воздух разделяется на обогащенную кислородом жидкость
(32,5 %
O
2
) и азотную флегму высокой чистоты (0,0005 ... 0,001 %
O
2
).
В верхней колонне окончательное разделение воздуха на
O
2
(99,7 %
O
2
) и
N
2
(99,95 %
N
2
).
Для получения азота и кислорода высокой чистоты с пятнадцатой тарелки
верхней колонны отбирается аргонная фракция в количестве 0,2
м
3
/
м
3
п.в.
Фракция нагревается в кислородно-фракционном теплообменнике до Т=-5+20 °С и
поступает в блок очистки для регенерации и охлаждения адсорбентов. И затем
выбрасывается в атмосферу.
На блоке разделения воздуха (БРВ) предусмотрен сброс азота с превышением
содержания кислорода более 0,05 % через трех–ходовой клапан в атмосферу. Выходя
из БРВ азот с давлением
0,5..0,65кгс/см
2
идет на линию всасывания
турбокомпрессоров низкого и высокого давления и идет на цеха.
Для защиты от повышения давления в трубопроводе установлен ППК.
Для предотвращения вакуума в линии всаса
N
2
компрессора предусмотрена
19

---

Page 18

система перепуска
N
2
из линии нагнетания в линию всасывания.
Для предотвращения завышения давления в линии всасывания предусмотрен
сброс
N
2
в атмосферу.
Кислород из конденсатора БРВ насосом прокачивается через кислородно-
фракционный теплообменник и теплообменник ожижителя, охлаждая поступающий
в блок воздух, переходит газообразное состояние, по трубопроводу поступает на
участок где закачивается в баллоны емкостью 40 литров. Здесь же производится
наполнение баллонов азотом.
2.3 Описание модернизируемых узлов
2.3.1 Ожижитель А3
Ожижитель (рисунок 2.1) служит для предварительного охлаждения воздуха
перед блоком очистки. Ожижитель располагается вне блока разделения. Ожижитель
– витой трубчатый аппарат. Воздух проходит по медным трубкам
диаметром
10 мм
(36 трубок, намотанных в 10 слоев).
Кислородная секция состоит из 10 медных трубок
∅
10x2, намотанных между
воздушными трубками. Поверхность теплообмена кислородных трубок 4,1 м
2
.
Поверхность теплообмена воздушных трубок 38,З м
2
.
20

---

Page 19

Рисунок 2.1 – Ожижитель А3
Рабочее давление:
– в кислородной части – 20,0 МПа (200 кгс/см
2
);
– в воздушной части – 6,4 МПа (64 кгс/см
2
);
– в межтрубном пространстве – 70 кПа (0,7 кгс/см
2
).
Габаритные характеристики ожижителя:
– длина ожижителя – 3115 мм;
– диаметр – 526 мм;
– масса – 690 кг.
21

---

Page 20

2.3.2 Переохладитель А6
2.3.2.1 Описание заменяемого аппарата
Кислородная секция переохладителя предназначена для переохлаждения
жидкого кислорода на 6 .. 8 °С перед насосом жидкого кислорода, отходящим из
верхней колонны азотом.
Состоит из 13 медных трубок
∅
10х0,8 намотанных в 5 слоев. Длина навивки
190 мм. Азотная секция предназначена для переохлаждения азотной флегмы перед
дросселированием в верхнюю колону. Рабочее давление:
– в азотных трубках – 0,6 МПа (6 кгс/см
2
);
– в кислородных трубках и межтрубном пространстве – 70 кПа (0,7 кгс/см
2
).
Длина навивки 1030 мм. Масса аппарата 172 кг. Диаметр 300 мм.
2.3.2.2 Анализ вариантов замены
Целью замены переохладителя является уменьшение потерь недорекуперации
тепла. Необходимо выбрать эффективный поверхностный теплообменник. Наиболее
подходящими в этом отношении являются пластинчатые теплообменники.
Пластинчатые теплообменники - это аппараты, поверхность теплообмена
которых образована из тонких штампованных пластин с гофрированной
поверхностью. Материал пластин теплообменников может быть от дешевых
нержавеющих сталей до дорогих сплавов для агрессивных химических жидкостей.
Выбор материала для пластин, устойчивого к определенной среде, зависит от
многих факторов, например от химического состава продукта, уровня pH,
температуры стенок, рабочего давления и пр.
В настоящее время распространение получили следующие виды
теплообменников: разборные, паяные, сварные, полусварные (полуразборные) и
гибридные.
22

---

Page 21

1) В разборных теплообменниках (рисунок 2.2) пакет пластин сжат по
направляющим между подвижной (опорной) и неподвижной (прижимной)
плитами. Герметичность конструкции обеспечивают прокладки из термостойких
материалов, подбираемых в соответствии с требованием среды и температуры (от
минус 35 до 250°С).
Достоинства разборных теплообменников:
– для увеличения единичной мощности теплообменника в разборный
пластинчатый аппарат можно добавить дополнительное количество пластин (как
правило, при расчете ПТО закладывается запас по мощности и количеству пластин
на раму);
– ремонтопригодность, так как при необходимости можно заменить отдельные
элементы конструкции: пластины, прокладки и т.д.
Рисунок 2.2 – Конструкция разборного пластинчатого теплообменника
Недостатки разборных пластинчатых теплообменников:
– недостаточная герметичность;
– невысокие перепады давлений между теплоносителями (до 1,6 МПа);
– узкий температурный интервал работы (от минус 35 до 250 °С).
23

---

Page 22

2) Паяные пластинчатые теплообменники (рисунок 2.3) предназначены для
высокоэффективной передачи энергии между жидкими, парообразными и
газообразными средами. Паяные теплообменники состоят из пакета стальных
рифленых пластин, спаянных по краям. Пакет пластин сложен таким образом, что
образует две изолированные полости, по которым протекают нагреваемая и
охлаждаемая среды.
Достоинтсва паяных теплообменников:
– из-за отсутствия уплотнений (прокладок) в конструкции выдерживают более
высокие температуры (от минус 160 до 200°С)
– выдерживают более высокие давления (до 30
кгс/см
3
).
Рисунок 2.3 – Паяный пластинчатый теплообменник
Недостатки:
– невозможно осуществление его механической очистки;
– невозможность частичного ремонта с заменой деталей.
3) В сварных теплообменных (рисунок 2.4) аппаратах пластины сварены
между собой и помещены в полностью сварной герметичный) кожух. Для
механической очистки кожуха возможна только химическая промывка.
24

---

Page 23

Рисунок 2.4 – Вид сварных пластинчатых теплообменников
Преимущества:
– могут работать при температурах от минус 195 до 300°C;
– высокая надежность для опасных сред;
– рабочее давление до 70
кгс/см
3
;
– компактный способ сооружения;
– высокоэффективная теплопередача;
– незначительный объем;
– высокая стойкость к статической и динамической нагрузке (давление,
температура);
– высокая надежность, например, пары, термические масла, пищевые масла.
Так как теплообменник должен работать при температурах до минус 188 °C, то
единственным возможным выбором является сварной теплообменик.
2.3.3 Фильтр детандерный высокого давления
Предназначен для удержания твердых частиц перед турбодетандером. Сосуд из
нержавеющей стали, в котором находится сверленая трубка, обтянутая
фильтрующей тканью. Рабочее давление - 7 МПа (70 кгс/см
2
). Вместимость - 16,5 л.
25

---

Page 24

Габаритные размеры: высота 750 мм, диаметр - 219 мм.
Замена будет производится на фильтр с меньшим гидравлическим
сопротивлением, его характеристики:
– рабочее давление, МПа – 7;
– вместимость, л – 8,5 л;
– высота, мм – 380;
– диаметр, мм – 120.
Фильтр представляет собой латунный сварной сосуд с цилиндрической
обечайкой, выпуклым днищем и крышкой .В сосуд вставлены три латунных
цилиндрических стакана 4 с отверстиями: на стаканы надеты чулки 6 из шинельного
сукна.
Детандерный воздух входит в фильтр снизу, проходит через сукно и выходит из
фильтра сверху. Перед стаканами расположен слой насадки из колец Рашига,
улавливающей более крупные частицы.
2.3.4 Детандер
Агрегат турбодетандерный применяется в составе воздухоразделительной
установки АК-1,5 и предназначен для охлаждения сжатого воздуха в
низкотемпературных циклах.
Характеристика применяемого сырья [4].
1) Воздух, поступающий в турбодетандер, должен быть предварительно
очищен от механических примесей, влаги и углекислоты в соответствии с
требованиями по эксплуатации воздухоразделительных установок.
2) Масло турбинное Т-22, ГОСТ 32-74;
– вязкость кинематическая, при 50 °С 20 ... 23 мм
2
/с;
– кислотное число, КОН/г. не более 0,03 мг;
– зольность не более 0,005 %;
26

---

Page 25

– отсутствие содержания водо-растворимых кислот и щелочей;
– температура вспышки в открытом тигле не ниже 180 °С;
– температура застывания не выше минус 15 °С.
3) Масло компрессорное КП-8 (ТУ38-101543-78):
– вязкость кинематическая при 100 °С 7 ... 9 мм
2
/с ;
– при 50 °С 31 – 47 мм
2
/с;
– индекс вязкости не менее 95;
– кислотное число КОН/г. не более 0,03 мг;
– стабильность против окисления:
осадок не более 0,02 %,
зольность не более 0,005 %;
– температура вспышки в открытом тигле не ниже 200 °С;
– температура застывания не выше минус 15 °С;
– отсутствие механических примесей;
– отсутствие воды.
Срок службы масла от 6 до 12 месяцев и зависит от температуры на сливе из
турбины. Отбор проб масла для анализов производить не реже одного раза в
кампанию.
Таблица 2.2 – Техническая характеристика аппаратов
Наименование
параметров
Нормы для типов
ДТ−1,3/4
ДТ−1,5/4
1 Холодопроизводительность, Вт, не менее
14500
16000
2 Давление воздуха на входе, МПа (кгс/см
2
):
– в рабочем режиме;
– максимальное(пусковое)
4 ± 5( 40)
6,4 (64)
4 ± 5 (40)
6,4 (64)
27

---

Page 26

Продолжение таблицы 2.2
Наименование
параметров
Нормы для типов
ДТ−1,3/4
ДТ−1,5/4
3 Количество расширяемого воздуха, кг/ч
1300
+120
-60
1500
+120
-60
4 Давление воздуха на выходе, МПа, (кгс/см
2
): не
более
0,6 (60)
0,6 (60)
5 Температура воздуха перед агрегатами, минус
°С
100±5
100±5
6 Температура воздуха после агрегата, минус °С
157
157
7 Частоты вращений роторов, тыс. об/мин
150
+25
-15
150
+25
-15
8 Расход охлаждающей воды, кг/ч, не менее
6
6
9 Давление охлаждающей воды, МПа, (кгс/см
2
):
не менее
0,2 (2,0)
0,2 (2,0)
2.3.5 Блок комплексной очистки воздуха
1) Назначение блока.
Блок очистки входит в состав установок разделения воздуха и предназначен
для очистки воздуха от влаги, двуокиси углерода, ацетилена и других примесей.
2) Характеристика применяемого сырья [5].
Цеолит - МРТУ-6-01-906-66, синтетический марки NаХ.
– внешний вид гранулы – цилиндрические с круглыми торцами;
– гранулометрический состав: размер гранул по среднему диаметру 5 ... 8 мм,
не менее 94 %;
– насыпная плотность не менее 0,7
г/см
3
;
– прочность на раздавливание не менее 0,945 МПа (
9,45кгс/см
2
);
– водостойкость не менее 96 %;
– массовая доля воды, удаляемая при прокаливании (ПМПП) не более 20 %;
28

---

Page 27

3) Техническая характеристика оборудования.
В состав блока очистки входят четыре адсорбера КК-4821 и два фильтра
воздуха КК-5519, заключенные в общий кожух.
Адсорбер
представляет
собой
двухгорловой
баллон,
заполненный
адсорбентом. Адсорбер имеет два штуцера для входа и выхода потоков, снабженные
сетчатыми фильтрами.
Фильтры ввернуты в горловины, через которые производится засыпка и
высыпка адсорбента. В адсорбере происходит поглощение цеолитом влаги, двуокиси
углерода и углеводородов.
Фильтр служит для очистки воздуха от пыли адсорбента. Выполнен из
стального баллона, оканчивающегося на верху съемной крышкой. Внутри
расположен фильтрующий эле-мент в виде перфорированного цилиндра, обернутого
пористой металлической лентой. Его характеристики:
– количество очищаемого воздуха,
м
3
/ч
– 2600;
– рабочее давление, МПа (
кгс/см
2
):
максимальное – 7 (70),
минимальное – 3 (30);
– содержание двуокиси углерода в очищенном газе,
см
3
/
м
3
, не более – 20;
– степень осушки от влаги, точка росы, °С – минус 70;
– время работы адсорбера в режиме очистки с учетом параллельной работы,
часов, не более – 8;
– время десорбции, ориентировочно, ч – 2;
– время охлаждения адсорбента, ч – 4;
– время работы адсорбента до его замены, ориентировочно, год – 2
(уточняется длительной эксплуатацией);
– регенерирующий газ – фракция с содержанием кислорода не более 93 %,
азот;
– давление на электроподогреватель в период отогрева блока
29

---

Page 28

разделения, МПа (кгс/см2) – 0,6 (6);
– мощность электроподогревателя, кВт – 90;
– адсорбент марки NаХ грануляции, мм – 4;
– емкость одного адсорбера, л – 400;
– количество адсорберов, шт. – 4;
– основные габариты блока, м;
высота – 4,3,
ширина – 2,1,
глубина – 2,4;
– Общий вес блока, кг: – 9700, в том числе:
цеолит: – 1120;
минеральная вата марки – 100: 1200;
супертонкое волокно: – 3.
Воздух с температурой 5 ... 10 °С при давлении 3..7 МПа (30 ... 70
кгс/см
2
)
поступает в нижнюю часть одного из адсорберов и проходит его снизу вверх.
Насыщение цеолитов влагой и двуокисью углерода происходит
до
определенного
предела.
После
насыщения
адсорбционная
способность
восстанавливается регенерацией, заключающейся в прогреве адсорбента сухим
азотом или фракцией от температуры +380 °С на входе до температуры +200 °С на
выходе.
Ввиду того, что цеолиты поглощают двуокись углерода хуже, чем влагу,
период переключения адсорберов определяется из условия насыщения адсорбента
двуокисью углерода.
После адсорберов воздух проходит через фильтр и направляется в блок
разделения воздуха.
При работе одной пары адсорберов в режиме очистки воздуха во второй паре
последовательно производится операции десорбции и охлаждения адсорбента.
Регенерирующий газ в количестве 300 ... 600 м
3
/ч, нагретый в подогревателе до
30

---

Page 29

температуры +380 °С, поступает в верхнюю часть адсорберов, а выходит снизу.
При температуре регенерирующего газа на выходе из адсорберов +200 °С
электроподогреватель выключается автоматически и адсорберы охлаждаются тем же
газом.
Для плавного изменения давления в адсорберах служит перепускной вентиль
З-109, а для медленного сброса давления из выключенных адсорберов служат
продувочные вентили П-101 и П-102.
Требуемая температура регенерирующего газа поддерживается автоматически
манометрическим электроконтактным термометром весь период.
2.3.6 Замена подогревателя регенерирующего газа
Заменяемый электроподогреватель оснащен тремя ТЭНами и предназначен
для нагрева регенерирующего газа, имеет мощность 90 кВт.
Существуют подогреватели с более эффективными нагревательными
элементами, что способствует уменьшению тепловых потерь. Так как новый
подогреватель имеет больший КПД, чем заменяемый, целесообразно поставить
подогреватель с меньшей мощностью.
Характеристики подогревателя азота:
– рабочая среда – азот;
– производительность до 600 кг/час;
– температура газа на выходе +10 ... +30 °С;
– потребляемая мощность, не более 84 кВт;
– питание – промышленная электрическая сеть 380 В, 50 Гц;
– рабочее давление, 0,7
кгс/см
2
;
– температура окружающей среды +5 ... +40 °С;
– масса 500 кг;
– габаритные размеры, мм: 485 х 465 х 1610 (h).
31

---

Page 30

Замена электроподогревателя позволит сэкономить значительное количество
электроэнергии.
32

---

Page 31

3 Разработка схемы автоматизации подачи азота в ожижитель А3
3.1 Описание схемы автоматизации
При функционировании ожижителя, в нем не всегда выдерживается требуемый
температурный режим и при понижении температуры воздуха на трубках
ожижителя замерзает углекислота, что приводит к повреждению трубок и
преждевременному выходу теплообменника из строя.
Схема автоматизации приведена в приложении Б.
При температуре воздуха ниже 5 °С необходимо направлять азот мимо
ожижителя. Это достигается открытием задвижки 322 (см. приложение А).
Повышение температуры выше 8 °С на выходе является нарушением
технологического режима, поэтому необходимо предусмотреть срабатывание
системы автоматизации в этом случае, которое вернет задвижку 321 в нормальное
(закрытое) состояние.
Система автоматизации собирается согласно схеме на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Общая схема автоматизации
Роль
датчика
с
регулирующим
устройством
будет
выполнять
термосигнализатор. Регулирующий орган и исполнительный механизм – задвижка с
электрическим приводом.
Сущность установки системы автоматизации заключается в:
– замене задвижки 321 на автоматическую с электрическим приводом;
– разработке электрической схемы пуска/останова двигателя;
– замене индикатора температуры на термосигнализатор.
33
Объект
Датчик
Регулирующий
орган
Исполнительный
механизм
Регулирующее
устройство

---

Page 32

3.2 Выбор задвижки
Диаметр трубопровода азота, к которому подключена задвижка
D
у
=
150мм
.
Давление в трубопроводе 0,07 МПа. Выбирается задвижка клиновая 31ч906нж с
электрическим приводом на давление
p
у
=
1,0МПа
(рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Задвижка 31ч906нж клиновая с выдвижным шпинделем с
электроприводом
Основные размеры задвижки приведены в таблице 3.2 [6].
Таблица 3.1 – Основные размеры задвижки
В миллиметрах
Dу
L
H
D
D
1
D
2
b
d
150
280
950
260
225
202
17
18
Параметры электропривода задвижки представлены в таблице 3.2.
34

---

Page 33

Таблица 3.2 – Параметры электропривода задвижки
Маркировка
Электродвигатель Мощность электро-
двигателя, кВт
Время открытия
или закрытия, мин
87А008
АОЛ-11-2Ф2
0,18
1,3
3.3 Описание электрической схемы
Электрическая схема подключения двигателя привода задвижки приведена в
приложении В.
В качестве датчика температуры и преобразователя сигнала будет
использоваться термосигнализатор ТКП-100-М1. Термосигнализатор – прибор,
работающий по принципу манометрического термометра. Его отличительной
особенностью является наличие двух стрелок (желтой, красной), с помощью
которых регулируются минимальный и максимальный пределы температуры.
Стрелки имеют секторы с закрепленными неподвижными электрическими
контактами, по которым скользят подвижные контактные щетки. При совпадении
указывающей стрелки с красной стрелкой замыкается электроконтакт максимума (на
электрической схеме контакт RKmax), при совпадении с минимумом – минимума (на
электрической схеме контакт RKmin). Характеристики прибора представлены в
таблице 3.3 [7].
Таблица 3.3 – Характеристики термосигнализатора ТКП-100-М1
Диапазон тем-
ператур, °С
Класс точности Длина соедини-
тельного капил-
ляра, м
Длина погруже-
ния термобал-
лона, мм
Диаметр корпу-
са
-25..+35
1,5
1,6
125
100
Красная стрелка терморегулятора выставляется на 8 °С, желтая – на 5 °С.
Обозначение других элементов электрической схемы и их техническая
характеристика сведены в таблицу
35

---

Page 34

Таблица 3.4 – Обозначения на принципиальной электрической схеме включения
электродвигателя привода задвижки
Обозначение
элемента схе-
мы
Наименование
Тип электриче-
ских аппаратов
Техническая характеристика
QF
Выключатель автома-
тический
АП-50-3МТ Трехполюсный с электро-
магнитным и тепловым
расширителем
I
ном
=
10А
KM1, KM2
Магнитный пускатель ПМЛ-066 IP54
IP54
Пылевлагозащищенный ре-
версивный сдвоенный с теп-
ловыми реле
U
КлT
=
380В
KK1, KK2
Тепловые реле
ТPH-8
Однополюсное
SBT
Кнопка управления
команды
«Отключить»
KE
U
ном
=
500В
SBC1, SBC2 Кнопка управления
команды «Включить»
KE
U
ном
=
500В
SQ1, SQ2
Выключатель конце-
вой
RKmin,
RKmax
Контакты термосигна-
лизатора
ТКП-100-М1
Схема работает следующим образом. При подаче напряжения автоматическим
выключателем QF цепь магнитных пускателей KM1, KM2 находится в разомкнутом
состоянии до тех пор, пока не замкнется один из контактов термосигнализатора
ТКП-100-М1 либо не будет нажата одна из кнопок управления SBT(«Включить»).
Если произошло понижение температуры ниже 5 °C, то произойдет замыкание
контакта RКmin, сработает магнитный пускатель, зашунтировав его цепь. На
двигатель будут поданы 3 фазы в прямом порядке и он будет работать на открытие
задвижки. Двигатель будет работать до тех пор, пока не завершится открытие и не
36

---

Page 35

сработает концевой выключатель SQ1, либо его не отключат принудительно кнопкой
SBT или не запустят в обратном направлении кнопкой SBC2. Вентиль будет
находится в открытом состоянии до тех пор, пока температура воздуха на выходе не
повысится до 8 °C, либо не подадут команду вручную.
При повышении температуры до 8 °C, если задвижка не находится в закрытом
положении (концевой выключатель SQ2 замкнут), происходит замыкание цепи на
магнитный пускатель KM1, на двигатель подаются фазы в обратной
последовательности и он закрывает задвижку.
Для предотвращения одновременного срабатывания пускателей КМ1 и КМ2, в
их цепи включены размыкающие контакты (срабатывание KM1 размыкает цепь KM2
и наоборот). Для защиты двигателя устанавливаются тепловые реле KK1, KK2,
размыкающие цепь пускателей.
37

---

Page 36

4 Расчеты, подтверждающие работоспособность объекта
4.1 Расчет турбодетандера
В данном проекте модернизируется турбодетандер ДТ-1,3/4 установки АК-1,5.
Модернизация осуществляется путем введения дополнительных лабиринтных
уплотнений на ротор детандера. Основные характеристики турбодетандера
приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Основные характеристики турбодетандера ДТ-1,3/4
Наименование параметра
Значение
Холодопроизводительность, Вт.
14500
Давление воздуха на входе, МПа
(
кгс/см
2
)
- в рабочем режиме
4
±
0.5
(
40
±
5
)
- максимальное пусковое
6.4 (64)
Количество расширяемого воздуха, кг/ч
1300

120
−
60
Расход газа кг/ч (кг/с)
1300 (0,361)
Давление на входе/выходе,
кгс/см
2
6
Температура воздуха перед агрегатами, минус °С
100
±
5
Температура воздуха после агрегата, минус °С
157
Частота вращения ротора, тыс. об./мин
150

25
−
15
Расход охлаждающей воды, кг/ч, не менее
6
Давление охлаждающей воды,
кгс/см
2
, не менее
2
Размеры
0,8 x 0,7 x 1,8
Масса агрегата электрогенератором
410 кг
4.1.1 Расчет потерь через уплотнения турбодетандера
На рис. 4.1 представлена схема и конструкция типичного лабиринтного уплотнения,
применяемого в турбодетандерах.
38

---

Page 37

Рисунок 4.1 – Схема лабиринтного уплотнения
Необходимые сведения по разрабатываемым уплотнениям представлены в
таблице 4.2. Увеличение числа лабиринтных уплотнений с 12 до 18 связано со
сравнением характеристик аналогов (турбодетандеров фирмы «Линде АГ»).
Таблица 4.2 – Параметры лабиринтного уплотнения
Параметр
До модернизации
После модернизации
Диаметр уплотнения
d
у
, мм
56
Радиальный зазор

у
, мм
0,1
Число лабиринтных уплотнений на
колесе со стороны сальников:
6
Число лабиринтных уплотнений на
роторе
12
18
Наиболее точная формула для расчета утечек через уплотнения
G
у
, кг/с [1]:
G
у
=
л
⋅f
л
⋅

1−

p
1
p
0

6
z
⋅

p
0
v
0
,
(4.1)
где:

л
– эмпирический коэффициент расхода, зависящий от профиля края
усика, его толщины и радиального зазора;
f
л
– площадь поперечного сечения щели, м
2
;
39

---

Page 38

v
0
– удельный объем рабочей среды перед первым гребнем, м
3
/кг;
p
0
– давление рабочей среды перед первым гребнем, Па;
p
1
– давление рабочей среды за последним гребнем, Па;
z
– количество уплотнительных гребней.
Далее находятся приведенные составляющие формулы.
Площадь поперечного сечения щели:
f
л
=

⋅
d
л
⋅

л
(4.2)
где
d
у
– диаметр уплотнения;

у
– радиальный зазор;
При учете данных таблицы 4.1 получается следующее числовое значение:
f
л
=3,14⋅0,056⋅0,1⋅10
−3
=1,759⋅10
−5
м
3
.
Согласно техническим характеристикам турбодетандера (таблицы 4.1)
давление на входе в компрессор
40 кгс/см
2
. Так как в направляющем аппарате
воздух претерпевает расширение, то давление на уплотнение со стороны колеса
принимается
p
0
=
30кгс/cм
2
. Давление со стороны последнего гребня считается
атмосферным, поэтому
p
1
=1кгс/см
3
.
Удельный объем рабочей среды перед первым гребнем можно найти используя
уравнение Менделеева-Клапейрона:
pV =
m
M
⋅RT
.
(4.3)
Отсюда удельный объем определяется как:
v
=
V
m
=
R
⋅
T
p
⋅
M
,
(4.4)
40

---

Page 39

где
М =28.96⋅10
−3
кг/моль
[8]– молярная масса воздуха.
Температура воздуха перед первым уплотнением считается равной
температуре на входе в турбодетандер
T
0
=173К
.
Получается числовое значение:
v
0
=
8,314⋅173
30⋅10
5
⋅28,96⋅10
−3
=0,017кг/м
3
.
Величина коэффициент расхода при истечении через щель при
2
<
л
л
s
δ
(рисунок 4.1) принимается
7,
0
=
л
µ
.
Результаты расчета для разных чисел лабиринтных уплотнений на роторе
представлены графиком (рисунок 4.2). Из него видно что при увеличении числа
уплотнений свыше 12 дает эффект добавления гребней существенно не снижается.
10
15
20
0.03
0.035
0.04
0.045
G
л
,
кг/с
z
л
Рисунок 4.2 – Зависимость утечек от числа уплотнений на роторе
Вычисляется значение утечек для модернизированного турбодетандера:
G
у
=0,7⋅3,14⋅

1−

30
1

2
186
⋅

1⋅10
5
0,017
=0,032кг/с
.
Или в процентном отношении к расходу турбодетандера:
0,032
0,361
⋅100%=8,9%
,
то есть потери существенно снизились по сравнению с 12 % до модернизации.
41

---

Page 40

4.2 Расчет блока очистки воздуха
Нормы технологического режима [5].
Параметры режима очистки воздуха:
– количество воздуха, поступающего на очистку до 2600
м
3
/ч
;
– температура воздуха, поступающего на очистку 5 ... 12 °С;
– давление воздуха, поступающего на очистку, 3 ... 7 МПа (30 ... 70
кгс/см
2
);
Режим регенерации:
– количество регенерирующего газа, 300 ... 600
м
3
/ч
;
– давление регенерирующего газа 0,02 ... 0,03 МПа (0,2 ... 0,3
кгс/см
2
);
– температура газа на входе в адсорберы, °С: 360 ... 380;
– температура газа на выходе из адсорберов в конце регенерации 200 °С;
– охлаждение адсорбента до температуры не выше 30 °С.
4.2.1 Расчет длительности процесса регенерации
В адсорберах блока очистки воздуха применяется цеолит цеолит МРТУ-6-01-
906-66 марки NaX. Характеристики адсорбента [9] представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Характеристики адсорбента МРТУ-6-01-906-66
Параметр
Значение
Плотность, кг/м
3
700
Динамическая адсорбционная емкость
– по влаге
16
– по двуокиси углерода
0,015
Диаметр зерна, мм
5..8
Пористость слоя
0,4
Далее рассчитываются параметры одного адсорбера. Исходные данные для
42

---

Page 41

расчета представлены в таблице 4.4.
Таблица 4.4 – Исходные данные базового блока очистки воздуха
Параметр
Значение
Расход воздуха через адсорбер
M
г
,
м
3
/
ч
(кг/ч)
2600 (3348)
Давление воздуха на входе в блок очистки
p
р
,
кгс/см
2
30..70
Температура воздуха на входе в блок очистки, К
278
Среднее содержание двуокиси углерода в воздухе [9]

CO
2
,
%
0,03
Влагосодержание воздуха на входе в блок при рабочих усло-
виях

H
2
O
, %
0,02
Период работы адсорберов до переключения

пр
, ч
8
Давление регенерирующего газа
p
p рег
,
кгс/см
3
0,2
Температура азота на входе в адсорбер
Т
вх
, К
633
Температура азота на входе в адсорбер
Т
вых
, К
473
Время десорбции

дес
, ч.
6,5
Внутренний (внешний) диаметр адсорбера без изоляции, мм
435 (465)
Внешний диаметр изоляции, мм
740
Необходимо выполнить расчет адсорберов для времени адсорбции

ад
=12ч
.
1) Масса двуокиси углерода, попадающая в адсорбер:
М
СО
2
=
M
г
⋅

CO
2
,
(4.5)
где

СО
2
– среднее содержание углерода в воздухе.
M
CO
2
=
3348
⋅
0,0003
=
1.004
кг.
2) Адсорберы работают попарно, значит необходимо найти массу цеолита в
двух адсорберах. Масса адсорбента в паре адсорберов определяется по
динамической адсорбционной емкости по двуокиси углерода, так как он хуже
всего поглощается цеолитом.
43

---

Page 42

m
ад
=
M
CO
2
⋅

адс

н
⋅
1

д
,
(4.6)
где

д
– динамическая адсорбционная емкость по двуокиси углерода;

адс
– длительность цикла адсорбции;

н
– давление воздуха при нормальных условиях.
m
ад
=
1,004⋅12
1,288
⋅
1
0,015
=798,72кг
.
3) Определяются геометрические характеристики адсорбера.
Площадь поперечного сечения одного адсорбера определяется как:
F
СА
=D
вн
2
⋅

4
,
(4.7)
где
D
вн
– внутренний диаметр адсорбера.
F
СА
=0,435⋅
3,14
4
=0,149м
2
.
Высота слоя адсорбента(коэффициент 2 в знаменателе учитывает, что
m
ад
–
масса адсорбента в двух адсорберах):
H
ад
=
m
ад
2⋅F
СА
⋅
ад
.
(4.8)
H
ад
=
798,72
2⋅0,149⋅700
=3,839
м.
Принимаем высоту цилиндрической части
H
м
=3,840
м.
4) Скорость потока воздуха в адсорбере:
44

---

Page 43


гп
=
M
г
3600
⋅

р
⋅
2
⋅
F
СА
,
(4.9)
где

р
плотность воздуха при рабочем давлении.
Величина

р
может быть оценена по формуле:

р
=
н
p
р
⋅T
н.у.
p
н.у.
⋅Тр
,
(4.10)
где

н
– плотность воздуха при нормальных условиях;
T
н.у.
, p
н.у.
– температура и давление, соответствующие нормальным
условиям;
p
р
– рабочее давление.
Численное значение плотности воздуха при давлении
p
р
=30кгс/см
2
и
средней температуре адсорбции
Tр
=
278К
:

р
=1,2878⋅
3⋅10
6
⋅293
100330⋅278
=40,585кг/м
3
.
Подставляя найденные значения получают скорость воздуха в цилиндрической
части адсорбера:

ад
=
3348
3600⋅2⋅40,585
=0,077м/с
.
5) Средняя температура регенерирующего газа на выходе:
T
вых
'=
T
вых
T
а
2
.
(4.11)
T
вых
'=
473278
2
=375,5К
.
6) Теплота, затрачиваемая на нагревание металла при десорбции:
45

---

Page 44

Q
1
=m
м
⋅cm⋅T
м
.
(4.12)
Определение массы металла.
Масса цилиндрической части:
m
м
'=D
вн
⋅H
м
⋅
ст
⋅
м
.
(4.13)
m
м
'=0,435⋅3,840⋅0,015⋅7800=613,98
кг.
Масса сферической части:
m
м
' '
=
4
6
⋅

⋅

D
н
2
2
−
D
вн
2
2

⋅

м
(4.14)
m
м
=
4
6
⋅⋅

0,465
2
2
−
0,435
2
2

⋅7800=220,54
Общая масса металла двух адсорберов:
 m
м
=
2
⋅
m
м
'

m
м
' '

.
(4.15)
m=2⋅613,98220,6=1669,05кг
.
T
м
=
T
вх
T
вых
2
−T
а
.
(4.16)
T
м
=
653473
2
−278=285К
.
При подстановке полученных значений в формулу (4.12) получается значение:
Q
1
=1669,05⋅0,5⋅285=237838кДж
.
7) Определение теплоты на нагревание адсорбента
Q
2
. Теплота
рассчитывается по формуле:
46

---

Page 45

Q
2
=m
ад
⋅с
ад
⋅T
ад
.
(4.17)
Полагается, что
T
ад
=T
м
=285К
, тогда численное значение теплоты на
нагрев адсорбента:
Q
2
=798,72⋅1,0467⋅285=238265кДж
.
8) Определение теплоты
Q
3
, затрачиваемой на десорбцию влаги.
Q
3
=
M
H
2
O
⋅
q
дес H
2
0
⋅

адс
.
(4.18)
Количество влаги, поступающей в адсорбер в период адсорбции:
M
H
2
O
=
M
г
⋅

H
2
O
.
(4.19)
M
H
2
O
=
3348
⋅
0,0002
=
0,67кг
/
ч
.
При подстановке численных значении в формулу (4.18) получено значение:
Q
3
=0,67⋅2788,4⋅12=22407 кДж
.
9) Определение теплоты
Q
4
, затрачиваемой на десорбцию двуокиси
углерода.
Q
4
=
M
CO
2
⋅
q
десCO
2
⋅

адс
(4.20)
Q
4
=1,004⋅695⋅12=8377кДж
.
10) Определение количества теплоты, расходуемой на нагрев изоляции
Q
5
.
Q
5
=
0,2
⋅
M
из
⋅
c
из
⋅
T
из
,
(4.21)
где
M
из
– масса нагреваемой изоляции;
47

---

Page 46

c
из
– удельная теплоемкость изоляции, кДж/(кг·К);
T
из
– средняя температура подогрева, К.
Средняя температура определяется как
T
из
=
T
м

T
О.С.
2
,
(4.22)
где
T
О.С.
– температура окружающей среды, принимается
T
О.С.
=
293К
;
T
из
=
285

293
2
=
289К
.
Далее определяется масса изоляции. Ее диаметр
d
из
=
0,740
. Высота
изоляции принимается:
H
из
=
H
м

D
н
=
3,840

0,465
=
4,305м
.
Объем изоляции для двух адсорберов определяется как разность объемов
кожухов и адсорберов:
V
из
=
2
⋅
V
кож
−
V
адс

(4.23)
Объем кожуха:
V
кож
=
Н
из
⋅

⋅
D
из
2
4
.
(4.24)
V
кож
=
4,305
⋅
3,14
⋅
0,740
2
4
=
1,852м
3
.
Обьем адсорбера:
V
адс
=
H
м
⋅

⋅
D
н
2
4

4
3
⋅

⋅
D
н
3
8
.
(4.25)
48

---

Page 47

Vадс
=
3,840
⋅
3,14
⋅
0,465
2
4

4
3
⋅
3,14
⋅
0,465
3
8
=
0,705м
3
.
При подстановке найденных значений в (4.23) получено:
V
из
=
2

1,852
−
0,705
=
2,293м
3
.
Тогда масса изоляции
m
из
=
V
из
⋅

из
=
2,293
⋅
200
=
458,69кг
.
Найденные значения подставляются в формулу (4.21):
Q
5
=
0,2
⋅
458,69
⋅
289
=
26513кДж
.
11) Потери в окружающую среду определяются по формуле:
Q
6
=
0,2
⋅
Q
1

Q
2

Q
3

.
(4.26)
Q
6
=
0,2
⋅
237838

238266

22407
=
99702кДж
.
12)Время включения подогревателя для десорбции можно вычислить исходя из
расхода регенерирующего газа по уравнению теплового баланса:
Q
=
M
рег
⋅
c
pрег
⋅
T
вх
−
T '
вых
⋅

дес
,
(4.27)
откуда:

дес
=
Q
M
рег
⋅
c
pрег
⋅
T
вх
−
T '
вых

.
(4.28)
Массу регенерирующего газа
M
рег
можно определить по мощности
подогревателя и требуемой температуре на входе:
М
рег
=

подогр
⋅N
c
pрег
⋅
3600
T
вх
−T
н
,
(4.29)
где

подогр
– КПД подогревателя тех №7;
N
– мощность подогревателя;
49

---

Page 48

c
pрег
– теплоемкость регенерирующего газа;
T
н
– температура регенерирующего газа до подогревателя.
M
рег
=
0,9
⋅
90
1,407
⋅
3600
653
−
268
=
538кг/ч
.
Суммарные затраты теплоты:
Q
=
Q
1

Q
2

Q
3

Q
4

Q
5

Q
6
.
(4.30)
Q
=
237838

238265

22407

8377

265

99702
=
606856кДж
.
Тогда численное значение времени десорбции по формуле (4.28):

дес
=
606856
538⋅1.407⋅653−375,5
=3,754
ч.
Рассчитанные значения сведены в таблицу 4.5.
Таблица 4.5 – Рассчитанные величины блока очистки воздуха
Название параметра
До модерни-
зации
После модер-
низации
Время десорбции,

дес
, ч
3
3,75
Высота слоя адсорбента
Н
м
, м
2,560
3,840
4.2.2 Гидравлический расчет адсорберов
Так как длина адсорбера увеличилась, то необходимо пересчитать
гидравлическое сопротивление рабочей области.
1) Находится число Рейнольдса:
Re=

рег
⋅d
экв
⋅
рег
E
сл
⋅
рег
⋅0,102⋅g
,
(4.31)
где

рег
– скорость регенерирующего газа, м/с;
50

---

Page 49

g
– ускорение свободного падения (
g
=
9,81м/с
2
);

рег
– плотность регенерирующего газа, кг/м
3
;

рег
– скорость регенерирующего газа, м/с;

рег
– динамическая вязкость, Па·с;
E
сл
– плотность слоя адсорбента, кг/м
3
;
d
э
– эквивалентный диаметр каналов, м
3
.
Эквивалентный диаметр каналов между зернами адсорбента вычисляем по
формуле:
d
экв
=
4
⋅
E
сл

1
−
E
сл
⋅
6
d
з
,
(4.32)
где
d
3
– диаметр зерна адсорбента.
Принимается
d
з
=
6,5мм
, тогда:
d
экв
=
4
⋅
0,4

1
−
0,4
⋅
6
6,5
⋅
10
−
3
=
2,889
⋅
10
−
3
м
.
Динамическая вязкость регенерирующего газа:

рег
=
4,45
⋅
10
−
6
⋅

4,58
⋅
T '
вых
T
крN
2
−
1,67

0,625
.
(4.33)
Критическая температура азота
T
крN
2
=
126,25К
. Тогда динамическая
вязкость имеет значение:

рег
=
4,45
⋅
10
−
6
⋅

4,58
⋅
375,5
126,25
−
1,67

0,625
=
2,098
⋅
10
−
5
Па·с
.
Скорость регенерирующего газа определяется исходя из его расхода и площади
сечения адсорбера:
51

---

Page 50


рег
=
М
рег
3600⋅
рег
⋅2⋅F
С.А.
.
(4.34)
Плотность регенерирующего газа (азота) при средней температуре на выходе:

рег
=

N
2
⋅
p
рег
⋅
T
н
p
ну
⋅
T
вх

T
вых
2
.
(4.35)

рег
=
1,25
⋅
2,5
⋅
10
4
⋅
268
100330
⋅
653

473
2
=
0,148кг/м
3
.
Найденное значение плотности подставляется в (4.34):

рег
=
538,31
3600
⋅
0,148
⋅
2
⋅
0,149
=
0,28кг/м
3
.
По найденным значения вычисляется число Рейнольдса (формула (4.31)):
Re
=
0,28
⋅
2,889
⋅
10
−
3
⋅
0,148
0,4
⋅
2,098
⋅
10
−
5
⋅
0,102
⋅
9,81
=
14,303
.
2) Потеря давления при прохождении регенерирующего газа через адсорбент
рассчитывается по формуле:
 p
адс
=
2⋅
адс
⋅
рег
⋅H
ад
⋅
рег
2
g⋅d
экв
⋅E
сл
2
⋅10
5
,
(4.36)
где

адс
– коэффициент сопротивления(принимается коэффициент
сопротивления

адс
=
2,1
).
 p
адс
=
2
⋅
2,1
⋅
0,148
⋅
3,840
⋅
0,28
9,81
⋅
2,889
⋅
10
−
3
⋅
0,4
⋅
10
5
=
0,00041МПа
.
3) Так как адсорбер снабжен решетками на входном и выходном патрубках в
целях предотвращения уноса цеолита, рассчитывается потеря давления в решетках
52

---

Page 51

адсорбера:
 p
реш
=
0,1
⋅
 p
адс
(4.37)
 p
реш
=
0,1
⋅
0,00041
=
0,000041МПа
.
4) Суммарные потери в трубопроводах:
 p
мс
= p
1
 p
2
=

м.с.
⋅
рег
2
⋅
рег
2⋅g⋅10
5
,
(4.38)
где
 p
1
и
 p
2
– потери давления в трубопроводах и арматуре, МПа;

м.с.
=

1


2
– сумма коэффициентов сопротивления трубопроводов и
арматуры.
Коэффициенты сопротивления принимаются

1
=
0,02
,

2
=
0,02
.
 p
мс
=

0,02

0,02
⋅
0,28
2
⋅
0,148
2
⋅
9,81
⋅
10
5
=
2,376
⋅
10
−
10
МПа
.
5) Суммарные потери давления в адсорбере:
 p
=
 p
адс

 p
реш

 p
мс
(4.39)
 p
=
0,00041

0,000041

2,376
⋅
10
−
10
=
0,0004558МПа
.
4.2.3 Расчет адсорбера на прочность
Наибольшая рабочая температура адсорбера 360 °С. При рабочей температуре
больше 250 °С расчетная температура принимается на 50 °С большая рабочей[10]:
t
R
=
360

50
=
410
°C.
Для аппаратов с рабочими давлениями
p

0.07
МПа, снабженных
предохранительными клапанами принимается расчетное давление
53

---

Page 52

p
R
=
1,1 p
.
(4.40)
p
R
=
1,1
⋅
6
=
6,6
МПа.
Выбирается материал обечайки – сталь 12Х18Н10Т. Допускаемое напряжение
при расчетной температуре
t
R
=
410
°C
[

]=
120
МПа (ГОСТ 14249-80).
1) Расчет обечайки.
Расчет цилиндрических обечаек проводится по ГОСТ 14249-80, СТ СЭВ 597-
77. Нижеследующая формула применима при условии

s
−
c
/
D
≤
0,1
при
D
≥
200
мм;

s
−
c
/
D
≤
0.3
для труб при
D

200
мм. Расчетная толщина обечаек,
работающих под избыточным внутренним давлением проводится по формуле:
s
R
=
p
R
⋅
D
2
⋅[

]⋅

р
−
p
R
,
(4.41)
где
D
– диаметр обечайки, м;

р
– коэффициент прочности сварного продольного шва (принимается

р
=
1,0
).
s
R
=
6,6
⋅
10
6
⋅
0,435
2
⋅
120
⋅
10
6
⋅
1
−
6,6
⋅
10
6
=
0,012м
.
Толщина стенки выбирается исходя из соотношения:
s
≥
s
R

c
,
(4.42)
где
c
– прибавка к расчетной толщине стенки.
Прибавка к расчетной толщине стенки сосуда состоит из составляющих:
c
=
c
1

c
2
,
(4.43)
54

---

Page 53

где
c
1
– прибавка, компенсирующая коррозию (принимается
c
1
=
0
);
c
2
– прибавка для компенсации минусового допуска на лист.
При учете максимальной глубины залегания дефектов для листа М36 (ГОСТ
7350-77) принимается
c
2
=
1,3
мм. Таким образом прибавка:
с
=
0

1,3
=
1,3
мм.
Таким образом, толщина стенки
s
≥
13,3
мм. Выбирается толщина стенки
s
=
14
мм.
2) Расчет днища и крышки.
Расчет днищ и крышек выполняется по ГОСТ 14249-80. Для конструкции
адсорбера выбираются эллиптические крышки отбортованные. Основные размеры
крышки показаны на рисунке. Высота отбортованной части
h
Ц
=
25
мм.
Рисунок 4.3– Основные размеры эллиптической крышки
При выполнении условий
0,002
≤
s
Д
−
c
/
D
≤
0,1
;
0,2
≤
H
Д
/
D
≤
0,5
толщина
стенки определяется по следующей формуле:
s
R
=
p
R
R
2
[

]−
0,5 p
R
,
(4.44)
где
R
– радиус кривизны в вершине крышки, м.
Радиус кривизны
R
=
D
для эллиптических крышек с
Н
Д
=
0,25 D
. Таким
образом,
R
=
0,435
м,
H
Д
=
0,25
⋅
0,435
=
0,109
м. Тогда расчетная толщина стенки
(формула (4.44)):
55

---

Page 54

s
R
=
6,6
⋅
10
6
⋅
0,435
2
⋅
1
⋅
120
⋅
10
6
−
0,5
⋅
6,6
⋅
10
6
=
0,012м
.
Выполняется проверка соотношения для длины отбортованной части
эллиптической крышки:
h
ц

0,8

D

s
Д
−
c

(4.45)
При подстановке численных значений получено:
0,025

0,8

0,435
⋅
0,012
,
0,0250,058
– не выполняется, следовательно толщина не должна быть не
меньше толщины стенки сопрягаемой обечайки.
С учетом прибавки толщина стенки крышки:
s
Д
=
s
R

c
(4.46)
s
Д
=
0,012

1,3
=
13,3
.
Принимается толщина крышки
s
Д
=
14
мм.
Расчет днища адсорбера эквивалентен, таким образом толщина стенки днища
адсорбера равняется так же равняется 14 мм.
4.3 Расчет пластинчатого теплообменника
Целью замены витого трубчатого теплообменника-переохладителя А6 на
пластинчатый теплообменник является уменьшение потерь недорекуперации. В
таблице 4.7 приведены параметры теплообменного процесса до модернизации.
Для дальнейшего определения скорости потока необходимо найти объемные
расходы теплоносителей при рабочем давлении.
56

---

Page 55

V
=

р
⋅
G
,
(4.47)
где

р
– плотность теплоносителя при рабочем давлении и температуре,
кг/м
3
;
G
– массовый расход теплоносителя, кг/ч.
Теплофизические параметры веществ, в том числе и плотность определяются
для средних температур теплоносителя:
T
ср
=
T '

T ''
2
,
(4.48)
где
T '
,
T ''
– температуры теплоносителя на входе и выходе
соответственно.
Численные значения средних температур:
– для кислорода (жидкого)
T
ср1
=
93

88
2
=
90,5К
;
– для азота (газообразного) в кислородной секции
T
ср2 к.с.
=
85

88
2
=
86.5К
;
– для азота (жидкого)
T
ср3
=
96

90
2
=
93К
;
– для азота (газообразного) в азотной секции
T
ср2 а.с.
=
88

97
2
=
92,5К
.
Теплофизические данные теплоносителей при данных температурах
приведены в таблице 4.6[8].
57

---

Page 56

Таблица 4.6 – Теплофизические свойства теплоносителей при средних температурах
и рабочих давлениях
Теплоноси-
тель
T
,
К
p
,
МПа

,
кг/м
3
c
p
,
кДж/
(кг·К)
c
v
,
кДж/
(кг·К)
h
,
кДж/
кг
s
,
кДж/
(кг·К)

,
Па·с·
10
7

,
мВт/
(м·К)
Pr
кислород
(жидкий)
90 0,07 1140,5 1,686 0,972 142,08 2,941 1910,85 148,84 2,164
азот (газо-
образный)
кислород-
ной секции
87 0,07 3,991 1,062 0,733 335,62 5,544 60,80
8,57 0,754
азот (жид-
кий)
92
0,6 733,8 2,128 1,009 156,98 3,196 949,98 110,29 1,833
азот (газо-
образный)
азотной
секции
92 0,07 3,757 1,070 0,744 340,95 5,603 63,46
9,07 0,748
Находятся объемные расходы теплоносителей по формуле (4.47):
– для кислорода (жидкого):
V
1
=
200
⋅
1140,5
=
0,175м
3
/ч
;
– для азота (газообразного):
V
2
=
1625
⋅
3,991
=
402м
3
/ч
;
– для азота (жидкого):
V3
=
42,6
⋅
0,012
=
0,06м
3
/ч
.
58

---

Page 57

Таблица 4.7 – Параметры режима работы переохладителя до модернизации
Теплоноситель
Азот (газооб-
разный)
Кислород (жидкий)
Азот (жидкий)
Расход, кг/ч (
м
3
/ч
)
1625 (1300)
200
42,6
Температура на вхо-
де
T '
, К (°С)
85 (-188)
93 (-180)
96 (-177)
Температура на вы-
ходе
T ''
, К (°С)
88 (-185)
88 (-185)
90 (-183)
Давление, МПа
(
кгс/см
2
)
0,07
(0,7)
0,07
(0,7)
0,6
(6)
Объемный расход
при рабочем давле-
нии
V
,
м
3
/ч
402
0,175
0,06
Так как серийное производство двухсекционных сварных пластинчатых
теплообменников недостаточно освоено, витой трубчатый двухсекционный
теплообменник будет заменен на два пластинчатых теплообменника. Один заменит
кислородную секцию, другой – азотную. Однако в силу компактности пластинчатых
теплообменников дополнительных производственных площадей не потребуется.
Выбирается сварной пластинчатый теплообменник серии ST 40. Его
характеристики:
– количество пластин 24 шт.;
– максимальное рабочее избыточное давление 1 МПа (10
кгс/см
2
);
– минимальное рабочее избыточное давление минус 0,1 МПа (1
кгс/см
2
);
– максимальная рабочая температура 250 °C;
– минимальная рабочая температура минус 195 °C;
– максимальный расход 450
м
3
/ч
;
– присоединительный диаметр 150 мм;
59

---

Page 58

– масса 500 кг.
1170
572
Рисунок 4.4 – Размеры пластины
Геометрические характеристики пластины (рисунок 4.3), мм:
– ширина пластины – 572;
– длина пластины – 1170;
– толщина пластины – 1;
– эквивалентный диаметр канала – 8;
– ширина канала – 548;
– зазор для прохода теплоносителя в канале – 4.
Схема потоков теплообменника обозначается следующим образом:
Сх
m'
1

m' '
1

...

m
1
i
m'
2

m' '
2

...

m
2
i
, где
m'
1

m''
1

...

m
1
i
– число параллельно включенных
ходов в секции аппарата для охлаждаемой среды;
m'
2
m' '
2
...m
2
i
– для
нагреваемой. Общее число пластин в аппарате определяется суммой:
n=
∑
1
i
m
1

∑
1
i
m
2
1
.
(4.49)
Так как
n=24
, аппарат односекционный, то схема потоков будет
Сх
11
12
.
60

---

Page 59

4.3.1 Проверочный тепловой расчет
Проверочный тепловой расчет будет проводится по методу Кейза с
использование функциональных зависимостей
= f N 
Хаузена [11], так как он
более
эффективен
по
сравнению
с
методом
среднелогарифмического
температурного напора.
4.3.1.1 Расчет теплообменника, заменяющего кислородную секцию
Определяются водные эквиваленты теплоносителей, кВт/К:
W =
G⋅c
p
3600
,
(4.50)
где
с
p
– изобарная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг·К).
Используя данные таблиц 4.6 и 4.7 находятся численные значения водных
эквивалентов кислорода (жидкого):
W
1
=
200
⋅
1,686
3600
=
0,094кВт/К
;
азота (газообразного):
W
2
=
1,625
⋅
1,062
3600
=
0,479кВт/К
.
Уравнение теплового баланса с учетом холодопотерь из-за несовершенства
тепловой изоляции:
Q=W
1
T
1
=
из
⋅W
2
T
2
,
(4.51)
где
W
1
– водный эквивалент «горячего» теплоносителя;
W
2
– водный эквивалент «холодного» теплоносителя;

из
– коэффициент холодопотерь, оценивающий эффективность
61

---

Page 60

изоляции.
Принимается коэффициент холодопотерь

из
=
0,80
, так как разность
температур с окружающей средой велика.
Из уравнения (4.51) следует, что температуры теплоносителей на выходе
можно определить по формулам:
T ''
1
=T '
1
−
Q
W
1
;
(4.52)
T ''
2
=T '
2

Q
W
2
⋅
из
.
(4.53)
Согласно методу Кейза количество теплоты, передаваемой через стенку
определятся как:
Q=⋅W
min
T '
1
−T '
2

,
(4.54)
где

– энергетический КПД теплообмена;
W
min
– меньший водный эквивалент, кВт/К.
Энергетический КПД

находится как функция схемы теплообмена и
безразмерной величины, характеризующей поверхность теплообмена
N
:
N =
k F
W
min
,
(4.55)
где
k
– коэффициент теплопередачи,
кВт/(м
2
К)
;
F
– площадь теплообмена,
м
2
.
Коэффициент теплопередачи находится по формуле [12]:
62

---

Page 61

k=
1
1

1
⋅
1


пл

пл

1

2
⋅
2
,
(4.56)
где

1
,

2
– коэффициенты, учитывающие живое сечение пластины;

ст
– толщина стенки, м;

пл
– коэффициент теплопроводности пластины, Вт/(м·К);

1
,

2
– коэффициенты теплоотдачи для стороны «горячего» и
«холодного» теплоносителей.
Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:
=
Nu
d
э
,
(4.57)
где
Nu
– критерий Нуссельта;

– коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·К);
Выражение для критерия Нуссельта выбирается в зависимости от числа
Рейнольдса:
Re=
⋅d
э

,
(4.58)
где

– скорость теплоносителя в зазоре между пластинами, м/с;
d
э
– эквивалентный диаметр зазора, м;

– кинематическая вязкость теплоносителя
м
2
/с
.
Кинематическая вязкость связана с динамической вязкостью соотношением:
=


,
(4.59)
63

---

Page 62

где

– динамическая вязкость теплоносителя, Па·с.
Численное значение кинематической кинематической вязкости для
теплоносителей:
– кинематическая вязкость кислорода

1
=
1910,85
⋅
10
−
7
1140,5
=
1,675
⋅
10
−
7
Па
⋅
с
;
– кинематическая вязкость азота (газообразного)

2
=
60,80
⋅
10
−
7
3,991
=
1,523
⋅
10
−
6
Па
⋅
с
.
Скорости теплоносителей вычисляются исходя из объемных расходов:
=
V
3600⋅⋅m
,
(4.60)
где
V
– объемный расход теплоносителя,
м
3
/ч
;

– площадь поперечного сечения зазора,
м
3
;
m
– количество параллельно включенных ходов в секции.
Площадь поперечного сечения находится исходя из параметров пластины и
величины зазора:
=0,001⋅0,548=2,19⋅10
−3
м
2
. Число параллельно включенных
ходов в секции (в рассматриваемом теплообменнике одна секция) для кислорода
m
1
=11
, для азота (газообразного)
m
2
=12
.
Далее по формуле (4.60) находятся численные значения скоростей
теплоносителей:
– скорость кислорода в зазоре

1
=
0,175
3600⋅2,19⋅10
−3
⋅11
=2,22⋅10
−3
м/с
;
– скорость азота (газообразного) в зазоре
64

---

Page 63


2
=
402
3600⋅2,19⋅10
−3
⋅12
=5,16м/с
По формуле (4.58) находится число Рейнольдса:
– для кислорода
Re=
2,22⋅10
−3
⋅0,008
1,675⋅10
−7
=106,11
;
– для азота
Re
=
5,16
⋅
0,008
1,523
⋅
10
−
6
=
2,71
⋅
10
4
.
Так как для кислорода критерий Рейнольдса
Re

200
, то для пластин,
гофрированных в «елку» справедливо следующее выражение для числа Нуссельта
[11]:
Nu=0,15Re
0,7
,
(4.61)
Nu
1
=
0,15
⋅
106,11
0,7
=
3,928
.
Для азота критерий Рейнольдса
Re

200
, тогда режим течения турбулентный
и для необходимо применить следующее выражение:
Nu=C⋅Re
0,73
⋅Pr
0,43
⋅

Pr
Pr
ст

0,25
,
(4.62)
где
С
– безразмерный коэффициент (
С
=
0,135
для пластин елочного типа);
Pr
– критерий Прандтля теплоносителя при рабочих условиях;
Pr
ст
– критерий Прандтля теплоносителя при температуре, равной
температуре пластины.
Температуру стенки принимаем как среднюю между средней температурой
двух теплоносителей:
65

---

Page 64

T
ст
=
T
1ср
T
2ср
2
.
(4.63)
T
ст
=
90,5

86,5
2
=
88,5К
.
Критерий Прандтля для азота при этой температуре
Pr
ст
=0,809
.
Тогда численное значение критерия Нуссельта:
Nu=0,135⋅2,71⋅10
4

0,73
⋅0,754
0,43
⋅

0,754
0,809

0,25
=202,29
.
Далее находятся коэффициенты теплоотдачи теплоносителей по формуле
(4.57):
– для кислорода

1
=
3,928
⋅
148,84
⋅
10
−
3
0,008
=
73,071Дж/м
2
⋅
К
;
– для азота

2
=
202,29
⋅
8,57
⋅
10
−
3
0,008
=
216,703Дж/м
2
⋅
К
.
Пластины выполнены из нержавеющей стали. Коэффициент теплопроводности
пластины

пл
=
39,0Вт/(м
⋅
К)
[13]. Коэффициенты, характеризующие тепловой КПД
пластины принимаются

1
=

2
=
0,90
. Тогда, подставляя найденные значения в
(4.56) вычисляется коэффициент теплопередачи:
k=
1
1
0,90⋅73,071

0,001
39,0

1
0,90⋅216,703
=4376 Дж/(м
2
К)
.
Площадь теплообмена вычисляется исходя из геометрических размеров
пластины и их числа
n
=
24
:
F=24−2⋅1,170⋅0,548=14,106м
2
.
Определяется число условных единиц площади (формула (4.55)):
N
=
4376
⋅
14,106
0,094
=
6,577
⋅
10
5
.
66

---

Page 65

Теперь возможно определение энергетического КПД теплообмена. Для
противотока он рассчитывается по формуле[11]:
=
1−e
−N⋅

1−
W
min
W
max

1−
W
min
W
max
⋅e
−N

1−
W
min
W
max

.
(4.64)
Отношение
W
min
W
max
=
0,094
0,479
=
0,195
, тогда:
=
1−2.71
−6,577⋅10
5
⋅1−0,195
1−0,1952,71
−6,577⋅10
5
1−0,195
=1
.
Таким образом получен очень эффективный теплообмен. Количество теплоты,
передаваемой через пластины (формула (4.54)):
Q=1⋅0,094⋅93−85=0,749
Вт.
Тогда согласно формулам (4.52) и (4.53) температуры теплоносителей
принимают следующие значения:
– температура кислорода на выходе
T ''
1
=93−
0,749
0,094
=85
К;
– температура азота на выходе из первого теплообменника
T ''
2
=85
0,749
0,479⋅0,80
=87
К.
Сравнение температур на выходе дано в таблице 4.8.
67

---

Page 66

Таблица 4.8 – Сравнение температур теплоносителей
Теплоноситель
Температура на входе, К (°С) Температура на выходе, К (°С)
до модерниза-
ции
после модерни-
зации
кислород (жид-
кий
93
(-180)
88
(-185)
85
(-188)
азот (газооб-
разный)
85
(-188)
-
87
(-186)
Таким образом, за счет снижения потерь недорекуперации удалось понизить
температуры на выходе на 1-3 °С.
4.3.1.2 Расчет теплообменника, заменяющего азотную секцию.
Используя данные таблиц 4.6 и 4.7 находится численное значение водного
эквивалента жидкого азота (формула (4.50)):
W
1
=
42,6⋅2,128
3600
=0,025кВт/К
;
так как средняя температура газообразного азота во втором теплообменнике
отличается, то находится водный эквивалент газообразного азота для
теплообменника, заменяющего азотную секцию:
W
2
=
1625⋅1,070
3600
=0,483кВт/К
По формуле (4.59) вычисляется кинематическая вязкость:
– жидкого азота

1
=
949,98⋅10
−7
733,8
=1.295⋅10
−7
Па⋅с
;
– газообразного азота

2
=
63,46⋅10
−7
3,757
=1,689⋅10
−6
Па⋅с
.
68

---

Page 67

Далее по формуле (4.60) находятся скорости теплоносителей в зазоре между
пластинами:
– жидкого азота

1
=
0,060
3600⋅2,19⋅10
−3
⋅11
=6,68⋅10
−4
м/с
;
– газообразного азота

2
=
432,5
3600⋅2,19⋅10
−3
⋅12
=5,481м/с
По формуле (4.58) находится число Рейнольдса:
– для кислорода
Re=
6,68⋅10
−4
⋅0,008
1,295⋅10
−7
=41,328
;
– для азота
Re=
5,48⋅0,008
1,689⋅10
−6
=2,59⋅10
4
.
Для жидкого азота критерий Рейнольдса
Re

200
значит режим течения
ламинарный и для определения числа Нуссельта необходимо использовать формулу
(4.61):
Nu
1
=0,15⋅41.32
0,7
=2,03
.
Для газообразного азота критерий Рейнольдса
Re

200
, тогда режим течения
турбулентный и для необходимо применить формулу (4.62):
Nu=C⋅Re
0,73
⋅Pr
0,43
⋅

Pr
Pr
ст

0,25
.
Используя (4.63) принимается средняя температура теплоносителя вблизи
пластины:
T
ст
=
9392,5
2
=92,75К
.
Критерий Прандтля для азота при этой температуре
Pr
ст
=0,747
.
Тогда численное значение критерия Нуссельта:
69

---

Page 68

Nu
2
=0,135⋅2,59⋅10
4

0,73
⋅0,748
0,43
⋅

0,748
0,747

0,25
=198,92
.
Далее
по
формуле
(4.57)
находятся
коэффициенты
теплоотдачи
теплоносителей:
– для жидкого азота

1
=
2,03⋅110,29⋅10
−3
0,008
=27,981Дж/м
2
⋅К
;
– для газообразного азота

2
=
198,92⋅9,07⋅10
−3
0,008
=225,535Дж/м
2
⋅К
.
Подставляя найденные значения в выражение для коэффициента
теплопередачи (формула (4.56)) вычисляется коэффициент теплопередачи:
k=
1
1
0,90⋅27,981

0,001
39,0

1
0,90⋅225,535
=2119 Дж/(м
2
К)
.
Число условных единиц поверхности теплообмена (формула (4.55)):
N =
2119⋅14,106
0,025
=1,187⋅10
6
Для противотока энергетический КПД теплообмена рассчитывается по
формуле (4.64), если отношение
W
min
W
max
=
0,025
0,483
=0,052
, тогда:
=
1−2.71
−1,187⋅10
6
⋅1−0,052
1−0,522,71
−1,187⋅10
6
1−0,052
=1
.
Теплообмен во втором теплообменнике так же достаточно эффективен.
Количество теплоты, передаваемой через пластины (формула (4.54)):
Q=1⋅0,025⋅96−87=0,227
Вт.
По формулам (4.52) и (4.53) температуры теплоносителей принимают
следующие значения:
– температура азота (жидкого) на выходе
70

---

Page 69

T ''
1
=96−
0,227
0,025
=87
К;
– температура газообразного азота на выходе
T ''
2
=87
0,227
0,483⋅0,80
=86
К.
Сравнение температур на выходе сведено в таблицу 4.9.
Таблица 4.9 – Сравнение температур теплоносителей
Теплоноситель
Температура на входе, К (°С) Температура на выходе, К (°С)
до модерниза-
ции
после модерни-
зации
азот (жидкий)
96
(-177)
90
(-183)
87
(-186)
азот (газооб-
разный)
85
(-188)
88
(-185)
86
(-187)
Таким образом во втором теплообменнике так же удалось понизить
температуры выхода, а значит уменьшить потери холода.
4.3.2 Гидравлический расчет теплообменников
Полная
потеря
напора
в
канале,
образованном
пластинами
с
турбулизирующими выступами, складывается из потерь на трение, сужение и
расширение потока, увеличение количества движения в связи с изменением профиля
скорости. Раздельное определение перечисленных потерь напора затруднительно;
поэтому полная потеря напора определяется по уравнению[12]:
 p
=

усл

G
2
/
2

L
r
г
,
(4.65)
где
G
– весовая скорость жидкости,
кг/(м
3
⋅с)
;
71

---

Page 70


усл
– условный коэффициент сопротивления;

– удельный вес жидкости,
кг/м
3
;
L
– длина канала, м;
r
г
– гидравлический радиус, м.
Условный коэффициент сопротивления вычисляется по эмпирическому
уравнению:

=
C
Re
n
.
(4.66)
Для пластины, гофрированной в виде «елки» коэффициенты
n
=
0,29
,
C
=
3,2
.
Расчет потерь напора для кислорода:

=
3,2
106,11
0,29
=
0,827
;
 p
=
0,827


200
/
3600

2
2
⋅
1140,5

1170
0,004
=
0,327Па
.
Потери напора газообразного азота в кислородной секции:

=
3,2

2,71
⋅
10
4

0,29
=
0,166
;
 p=0,166

1625/3600
2
2⋅3,991

1170
0,004
=1239Па
.
Потери напора жидкого азота в азотной секции:

=
3,2
41,328
0,29
=
1.088
;
 p=1.088

42,6/3600
2
2⋅733,8

1170
0,004
=0,03Па
.
Потери напора газообразного азота в азотной секции:

=
3,2

2,59
⋅
10
4

0,29
=
0.168
;
72

---

Page 71

 p=0,168

1625/3600
2
2⋅3,757

1170
0,004
=1332Па
.
Суммарные потери азота газообразного при прохождении через 2
теплообменника:
 p
=
1239

1332
=
2571Па
.
Таким образом, потери напора в двух теплообменниках невелики.
4.4 Увеличение холодопроизводительности при замене фильтра А10
При замене фильтра падение давления перед детандером снизится на 1
кгс/см
2
. Рассчитывается увеличение холодопроизводительности турбодетандера.
Термодинамический
КПД
турбодетандера
определяется
следующим
образом[14]:

=
i
Д
i
ИЗ
,
(4.67)
где
i
Д
=i
0
−i
1
– изменение энтальпии в реальном процессе;
i
ИЗ
– изменение энтальпии в идеальном изоэнтропном процессе.
Изменение энтальпии в изоэнтропном процессе определяется как:
i
ИЗ
=
i
0
−
i
1из
,
(4.68)
где
i
1из
– энтальпия при том же давлении, что и на выходе реального
детандера для изоэнтропного процесса.
Значения энтальпий воздуха определяются по диаграмме T–S для воздуха
(приложение Г):
– энтальпия на входе в детандер (давление 40
кгс/см
2
, температура минус
100°С)
73

---

Page 72

i
0
=
84кКал/кг
=
3,52
⋅
10
5
Дж/кг
;
– энтальпия на выходе из детандера (давление 6
кгс/см
2
, температура минус
157°С);
i
1
=
75,5кКал/кг
=
3,163
⋅
10
5
Дж/кг
;
– энтальпия на выходе при идеальном изоэнтропном процессе (давление 6
кгс/см
2
)
i
1из
=
72кКал/кг
=
3,017
⋅
10
5
Дж/кг
.
Падение холода на турбодетандере:
i
Д
=
3,52
⋅
10
5
−
3,163
⋅
10
5
=
35,62
⋅
10
3
Дж.
Падение холода в идеальном детандере (формула (4.68)):
i
из
=
3,52
⋅
10
5
−
3,017
=
50,28
⋅
10
3
Дж.
Тогда согласно формуле (4.68) термодинамический КПД турбодетандера

=
35.62
50,28
=
0,708
.
С учетом расхода воздуха холодопроизводительность детандера до замены
фильтра рассчитывается следующим образом:
N
=
G
⋅
i
Д
3600
.
(4.69)
N
=
1300
⋅
35,62
⋅
10
3
3600
=
12,286
⋅
10
3
Дж.
Далее рассчитывается холодопроизводительность турбодетандера после
замены фильтра. Считается что КПД детандера изменился незначительно, тогда
согласно (4.67) удельное падение теплоты на детандере после замены фильтра:
i
Д
'
=
i
из
'
,
(4.70)
где
i
из
'
– энтальпия в конце идеального процесса расширения после замены
74

---

Page 73

фильтра.
Учитывая, что давление на входе в следствие уменьшения гидравлического
сопротивления фильтра повысилось на 1
кгс/м
3
находятся энтальпии в нужных
точках:
– энтальпия на входе в детандер (при давление 41
кгс/см
2
, температуре
минус 100°С)
i
0
'=83,6кКал/кг=3,503⋅10
5
Дж/кг
;
– энтальпия на выходе при идеальном изоэнтропном процессе (давление 6
кгс/см
2
)
i
1из
=71,5кКал/кг=2,996⋅10
5
Дж/кг
.
Падение теплоты при изоэнтропном процессе:
i
из
'
=
3,503
⋅
10
5
−
2,996
⋅
10
5
=
50,7
⋅
10
3
Дж/кг
.
Падение теплоты в реальном детандере после замены фильтра:
i
Д
'
=
0,708
⋅
50,7
⋅
10
3
=
35,91
⋅
10
3
Дж/кг
.
Холодопроизводительность турбодетандера:
N =
1300⋅35,91⋅10
3
3600
=12,97⋅10
3
Дж.
Таким образом увеличение холодопроизводительности турбодетандера за счет
замены фильтра:
 N
=
N '
−
N
=
12,97
⋅
10
3
−
12,86
⋅
10
3
=
107
Дж.
75

---

Page 74

Экономическое обоснование затрат на проведение
модернизации оборудования
В данной работе исследуется экономическая целесообразность модернизации
установки разделения воздухас целью повышения ее эффективности. Модернизация
направлена на совершенствование следующих узлов:
– ожижитель (установка системы автоматизации с целью продлевания
срока службы);
– замена детандерного фильтра (чтобы уменьшить потери холода);
– усиление уплотнений турбодетандера (для уменьшения потери продуктов);
– усовершенствование блока очистки воздуха;
– подогреватель тех. (установка более качественного с большим КПД)
– теплообменник-переохладитель (замена конструкции для уменьшения
потерь).
Отдельные узлы совершенствуются либо заменяются, что ведет к уменьшению
затрат на электроэнергию, ремонт. Задача экономической части оценить
целесообразность каждого изменения.
Расчет эффекта от модернизации ожижителя.
Из-за периодических нарушений технологического режима на ожижителе он
имеет небольшой срок службы. Поэтому была разработана схема автоматического
отключения подачи азота в ожижитель, что значительно продлило срок его службы.
Расчет расходов на ремонт
Ремонтный цикл ожижителя до и после модернизации совпадает со сроком
службы и представлен на рисунке.
79

---

Page 75

1
2
3
4
5
К
С
К
К
С
С
С
С
К
до
модернизации
после
модернизац
Ремонтный цикл ожижителя А3 до и после модернизации
Установка не предполагает текущих ремонтов. Ожижитель до модернизации не
имеет электрической части. Разрабатываемая же система автоматизации для
установки имеет задвижку с электродвигателем. Таким образом
у
модернизированной установки ремонт необходим как для механической так и для
электрической части. В таблице приведены исходные данные для расчета затрат на
ремонт и нормативы времени на ремонтную единицу[19].
Исходные данные
Параметр
Обозначение
До модернизации После модернизации
Количество ремонтов
- текущих
n
т
0
0
- средних
n
c
1
4
- капитальных
n
к
1
1
Категория сложности R
- механической части
14
14
- электрической части
0
8
Норма времени на ре-
монтную единицу
1) Механической ча-
сти
- текущий ремонт
t
нт
6
6
- средний ремонт
t
нс
9
9
- капитальный ремонт
t
нк
50
50
79

---

Page 76

Параметр
Обозначение
До модернизации После модернизации
2) Электрической ча-
сти
- текущий
t
нт
1,5
1,5
- средний
t
нс
3,125
3,125
- капитальный
t
нк
12,5
12,5
Средний разряд ре-
монтных рабочих
- механической части
5
5
- электрической части
5
5
Длительность ремонт-
ного цикла
Д
рц
2
5
Длительность межре-
мотного периода
Д
пр
=
Д
рц
n
т
n
с
1
- лет
1
1
- месяцев
12
12
Увеличение ресурса
работы, %
5
2
⋅100=250
Далее рассчитываем трудоемкость ремонтных работ, приведенных к одному
году. Количество ремонтов, приведенных к одному году:
n
пр
=
n
Д
рц
(1)
Результаты расчетов представлены в таблице.
80

---

Page 77

Количество ремонтов, приведенных к одному году
Текущий ремонт
Средний ремонт
Капитальный ре-
монт
До модернизации
0
0,5
0,5
После модерниза-
ции
0
0,2
0,2
Трудоемкость ремонтных работ, приведенных к одному году определяется как:
T
р
=n
пр
⋅O⋅R⋅t
н
(2)
Результаты отображены в таблице.
Трудоемкость ремонтных работ, приведенных к одному году
Текущий
Средний
Капитальный
До модернизации
- механическая часть
0
0,5
⋅
1
⋅
14
⋅
9
=
63
0,5
⋅
1
⋅
14
⋅
50
=
350
- электрическая часть
0
0
0
После модернизации
- механическая часть
0
0,2
⋅
1
⋅
14
⋅
9
=
25,2
0,2
⋅
1
⋅
14
⋅
50
=
140
- электрическая часть
0
0,2
⋅
1
⋅
8
⋅
3,125
=
5
0,2
⋅
1
⋅
8
⋅
12,5
=
20
Рассчет затрат на проведение ремонтных работ.
Ф
мин
=1100
,
Ф
мес
=165
.
Тарифный коэффициент для 5-го разряда
К
т
=1,552
.
Часовая ставка определяется как:
Ч
ст
=
Ф
мин
Ф
мес
⋅К
т
(3)
Получаем:
81

---

Page 78

Ч
ст
=
1100
165
⋅1,552=10,34
Расчет затрат представлен в таблице.
Расчет затрат на проведение ремонтных работ
До модернизации
После модернизации
1 Основная зара-
ботная плата
З
осн
=Т⋅Ч
ст
⋅К
пр
Т=Т
мех
Т
эл
630⋅10,34⋅1,2=782,20
25,25⋅10,34⋅1,2=374,96
2 Дополнительная
заработная плата
782,20⋅0,125=97,77
374,96⋅0,125=46,87
3 ЕСН (26 %)

782,20

97,77
⋅
0,26
=
228,79

374,96

46,87
⋅
0,26
=
109,67
4 ФОТ
782,2097,77228,79=
=1108,78
374,9646,87109,67=
=531,51
5 Затраты на мате-
риалы и детали
(200 % от основ-
ной заработной
платы)
2⋅782,20=1564,40
2⋅374,96=749,92
Итого
1108,781564,40=2673,18
531,51749,92=1281,43
Суммарная экономия затрат на ремонт:
2673,18−1281,43=1391,75р
.
Расчет годовых издержек эксплуатации ожижителя/
Цена системы автоматизации ориентировочно 650000 р. Тогда цена
модернизированной установки:
Ц
=
400000

650000+270000
=
1320000 р
.
Электродвигатель системы автоматизации АОЛ-11-2Ф2 имеет мощность
82

---

Page 79

N
у
=
0,18кВт
. На закрытие/открытие задвижки двигателем тратится 1,3 минуты.
Предполагаемая средняя периодичность срабатывания системы автоматизации,
отнесенная к суткам – 0,5. Тогда среднее суточное время срабатывания двигателя:
Ф
сут
=
0,5
⋅
1,3
60
=
0,01ч/сут
.
В силу малости параметра расход электроэнергии учитываться для системы
автоматического отключения подачи азота не будет.
Установка круглосуточно обслуживается аппаратчиком с тарифной ставкой
6570 р.
Расчет годовых издержек представлен в таблице[20].
Расчет годовых издержек эксплуатации ожижителя.
Наименование пока-
зателя
Порядок выполнения
расчета
До модернизации После модерниза-
ции
1. Затраты на основ-
ную заработную
плату
6570⋅3⋅12= 236520
2. Дополнительная
заработная плата
236520⋅0,125= 29565
3. ЕСН (26 %)
29565
⋅
0,26= 7686,90
4. ФОТ
236520

29565

7686,90=
= 273771,90
5. Затраты на ре-
монт
2673,18
1281,43
6. Годовая величина
амортизационных
отчислений, р.
А
отч
=
Ц
/
Т
300000
2
=
150000
360000
5
=
72000
Всего
426445,08
347053,33
Экономия от снижения годовых издержек эксплуатации:
Э=426445,08−347053,33=79391,75
р.
83

---

Page 80

Расчет экономии от модернизации блока очистки
Исходные данные для расчета приведены в таблице.
Исходные данные
Параметр
До модернизации
После модернизации
Длительность цикла
очистки, часов
8
12
Длительность работы
подогревателя за цикл, ча-
сов
3
4
Мощность подогревателя,
кВт
90
Цена 1 кВт·ч электроэнер-
гии, р
1,402
Вычисление экономии от модернизации представлено в таблице.
Расчет экономии электроэнергии.
Параметр
До модернизации После модерниза-
ции
Длительность работы подогревателя в сут-
ки, часов
24
/
8
⋅
3
=
9
24
/
12
⋅
4
=
8
Длительность работы подогревателя, часов
в год
Д
пгод
=
Ф
д
Д
ц
⋅Д
п
8760/8⋅3=3285
8760/12⋅4=2920
Затраты на электроэнергию в год
Зэ=Д
пгод
⋅Ц
э
⋅N
тех №7
3285⋅1,402⋅90=
= 414501,30
2920⋅1,402⋅90 =
=368445,60
Годовая экономия электроэнергии, р
414501,30−368445,60=46055,70
84

---

Page 81

Эффект от замены подогревателя регенерирующего газа
За счет меньших потерь в конструкции подогревателя новой марки возможно
использование подогревателя мощностью 80 кВт вместо 90 кВт.
Время работы подогревателя после модернизации блока очистки стало
равным 2920 часам в год.
Тогда затраты на электроэнергию
– до замены:
2920⋅90⋅1,402=368445,60р
;
– после замены:
2920⋅80⋅1,402=327507,20р
.
Годовая экономия электроэнергии:
368445,60−327507,20=40938,40
р
Эффект от модернизации турбодетандера
На роторе турбодетандера ставятся дополнительные лабиринтные уплотнения,
что уменьшает утечки воздуха, а значит увеличивает выход продуктов разделения.
Рассчитаем уменьшение потерь азота и кислорода при введении
дополнительных уплотнений.
Исходные данные представлены в таблице 8.
85

---

Page 82

Таблица 8 – Исходные данные.
Величина
Обозначение
Значение
Себестоимость
1 м
3
азота, р.
С
N
2
1,5
Себестоимость
1 м
3
кислорода, р
C
O
2
3
Объемное содержание азота в воздухе,
м
3
/
м
3
с
N
2
0,791
Расход воздуха через турбодетандер
- кг/ч
G
1300
-
м
3
/
ч
V
1010,10
Потери воздуха, % b
- до модернизации
V
1
12
- после модернизации
V
2
8,9
Рассчитывается экономия от снижения потерь воздуха.
Себестоимость
1 м
3
воздуха:
С
в
=С
N
2
⋅с
N
2
С
O
2
⋅1−c
N2

.
(4)
Получаем:
С
в
=
1,5
⋅
0,791

3
⋅
1
−
0,791
=
1,83
р.
Экономические потери определяются как:
И =Ф
д
⋅V⋅C
в
.
(5)
Находится числовое значение потерь:
– до модернизации
И
1
=
8760
⋅
1010,10
⋅
0,12
⋅
1,83
=
1943125,12
р;
– после модернизации
И
2
=
8760
⋅
1010,10
⋅
0,09
⋅
1,83
=
1457199,72
р;
Экономия от снижения утечек:
86

---

Page 83

Э
=
1943125,12
−
1457199,72
=
485925,40
р.
5.5 Экономия от замены фильтра .
Замена стандартного фильтра на фильтр с меньшим сопротивлением
уменьшает падение давления перед турбодетандером, что повышает его КПД. Для
предварительного экономического расчета принимается экономия мощности 1 кВт.
Подсчитывается годовая экономия электроэнергии, р:
Э
=
N
⋅
Ф
д
⋅
Ц
э
,
(6)
где
 N
– сэкономленная мощность,
Ф
д
– действительный фонд времени,
Ц
э
– цена за 1 кВт·ч электроэнергии.
Получается численное значение:
Э=1⋅8760⋅1,402=12281,52р
.
6 Экономия от замены теплообменника-переохладителя.
При замене теплообменника-переохладителя с витыми трубами на
пластинчатый должна уменьшится теплота недорекуперации, а значит потери
энергии. Снижение потерь ориентировочно принимается равным 20 кВт. Таким
образом снижается потребление электроэнергии компрессором и детандером на
единицу продукта.
По формуле (6) подсчитывается годовая экономия электроэнергии:
Э=20⋅5400⋅1,402=151416,00р
.
87

---

Page 84

Общая экономия от модернизации установки.
В таблице 9 сведены экономические эффекты модернизируемых узлов .
Таблица 9 – Типы модернизации
Тип усовершенствования
Годовая экономия
Установка системы автоматизации теля.
79391,75
Модернизация блока очистки.
46055,00
Замена подогревателя.
40938,40
Усиление уплотнений на роторе турбодетандера.
485925,40
Замена детандерного фильтра.
12281,52
Замена теплообменника-переохладителя.
245630,40
Итого
910222,47
Определим допустимые капитальные затраты на модернизацию всей
установки.
Допустимые капитальные затраты определяются как
З
=
Э
E
н
,
(7)
где
Э
– годовой экономический эффект;
E
н
– норматив рентабельности.
В данном случае принимаем
Е
н
=
0,33
. Подставляя числовые значения,
получается:
З=
910222,47
0,33
=2758249,90 р
.
88

---

Page 85

6 Безопасность и экологичность
6.1 Безопасность
6.1.1 Анализ условий труда
Согласно ГОСТ 12.0.003-74 «Опасные и вредные производственные факторы.
Классификация» опасные и вредные производственные факторы по природе
действия делятся на четыре группы: физические, химические, биологические,
психофизиологические
При работе модернизированной установки АК-1,5 возникают следующие
опасные и вредные факторы[5]:
– повышенный уровень шума на рабочем месте;
– нервно-психические перегрузки.
Так же существуют другие, маловероятные факторы:
а) Движущиеся машины и механизмы; подвижные части производственного
оборудования; передвигающиеся (падающие) изделия, заготовки, материалы
(предметы, детали), разрушающиеся конструкции.
б) Повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны.
в) Повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования,
материалов.
г) Повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны.
д) Повышенный уровень вибрации.
е) Повышенная или пониженная влажность воздуха.
ж) Повышенная или пониженная подвижность воздуха.
з) Повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание,
которой может пройти через тело человека, в том числе поражение молнией.
87

---

Page 86

и) Отсутствие или недостаток естественного света.
к) Недостаточная освещенность рабочей зоны.
л) Острые кромки, заусенцы и шероховатость на поверхностях заготовок,
инструментов и оборудования.
м) Физические перегрузки.
н) Опасности, связанные с человеческим фактором.
о) Опасности, приводящие к нарушению технологического режима, в том
числе к выходу параметров за критические значения. Опасности, связанные с
прекращениями в подаче:
1) Электроэнергии;
2) Воздуха КИП
3) Воды (оборотной и захоложенной)
а) Опасности, связанные с соседними производствами, с движением
транспорта, природные опасности и акты саботажа
б) Применение в производственных процессах пожароопасных и химически
опасных веществ
в) Выход параметров технологического процесса за регламентируемые
значения
г) Отказы средств контроля, управления параметрами технологического
процесса, отказы систем ПАЗ и противоаварийных устройств.
д) Опасности, связанные с применением насосного оборудования (утечки
через уплотнения вращающихся валов, фланцевых соединений, разрыв
нагнетательных патрубков, разрушение корпусов насосов).
е) Опасности, связанные с применением компрессорного оборудования
(повышенная вибрация, попадание жидкости в лопасти центробежных и цилиндры
поршневых компрессоров, образование масляных нагаров на стенках цилиндра и в
системе нагнетания поршневых компрессоров, усталостные разрывы корпуса и
88

---

Page 87

др.).
ж) Эксплуатация
трубопроводных
систем
(разрушения
участков
трубопроводов, запорной арматуры, регулирующих и предохранительных
устройств, связанные с внутренним давлением трубопровода, а также вызванные
разрушением конструкций элементов трубопроводных эстакад);
з) Эксплуатация сосудов и аппаратов, работающих под давлением;
и) Опасности, связанные с эксплуатацией электрооборудования (короткое
замыкание на электроустановках).
6.1.2 Действие опасных и вредных факторов на человека,
нормирование факторов
Для модернизируемых узлов установки АК-1,5 наибольшее значение имеют
следующие опасные и вредные факторы:
– повышенный уровень шума на рабочем месте;
– движущиеся машины и механизмы;
– повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования,
материалов;
– опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой
может пройти через тело человека;
– трубопроводы и сосуды с высоким внутренним давлением.
1) Повышенный уровень шума на рабочем месте.
Источником шума в цехе являются электродвигатель компрессора, насоса
жидкого кислорода, их движущиеся части, турбодетандер, а так же система
вентиляции цеха.
Результатом воздействия шума на организм является: изменение
функционального состояния центральной нервной системы, нарушение сердечно-
сосудистой системы (вызывает колебания артериального давления, замедление
89

---

Page 88

ритма сердечных сокращений), воздействует на органы слуха ( шум с уровнем 80 дБ
вызывает снижение работоспособности и мешает нормальному отдыху, вызывает
необратимые потери слуха при уровне свыше 100-120 дБ на низких частотах и 80-90
дБ на средних).
Согласно ГОСТ 12.1.003-83 «Шум Общие требования безопасности» по
характеру спектра шум следует подразделять на:
– широкополосный с непрерывным спектром шириной более одной октавы;
– тональный, в спектре которого имеются выраженные дискретные тона.
Тональный характер шума для практических целей (при контроле его параметров
на рабочих местах) устанавливают измерением в треть октавных полосах частот
по превышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не
менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам шум следует подразделять на:
– постоянный, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день (рабочую
смену) изменяется во времени не более чем на 5 дБ А при измерениях на
временной характеристике “медленно” шумомера по ГОСТ 17187—81;
– непостоянный, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день (рабочую
смену) изменяется во времени более чем на 5 дБ А при измерениях на временной
характеристике“медленно” шумомера по ГОСТ 17187—81.
Шум от модернизируемой установки классифицируется как постоянный
широкополосный. Согласно ГОСТ 12.1.003-83 для широкополосного постоянного
шума на постоянных рабочих местах и в рабочих зонах, в производственных
помещениях и на территории предприятий, на постоянных рабочих местах
стационарных машин следует принимать в зависимости от октавных полос частот
(таблица 6.1).
90

---

Page 89

Таблица 6.1 – Допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот
Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со
среднегеометрическими частотами в Гц
63
125 250 500 1000 2000 4000
8000
Уровни звука и эквива-
лентные уровни звука,
дБА
71
61
54
49
45
42
40
38
50
Установка производит высокочастотные звуки с частотой свыше 8000 Гц, то
есть допустимый уровень звукового давления – 38 дБ.
2) Движущиеся машины и механизмы; подвижные части производственного
оборудования; передвигающиеся (падающие) изделия, заготовки, материалы
(предметы, детали), разрушающиеся конструкции. В машинном отделении цеха
используются подъёмно-транспортные устройства, необходимые в помещении
цеха для демонтажа оборудования в случае выхода из строя и ремонта. Так же
представляют опасность модернизируемый турбодетандер, электродвигатель
Системы автоматизации ожижителя А3. Весь технологический процесс должен
быть построен в соответствии с требованиями ГОСТ 12.3.002-75 «Процессы
производственные. Общие требования безопасности».
3) Повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования,
материалов. В модернизируемой установке имеются узлы с поверхностями,
имеющими как повышенную так и пониженную температуру. Пониженную
температуру (до -100°С) имеет патрубок для отвода утечек лабиринтных
уплотнений турбодетандера имеет температуру поверхности а так же некоторые
другие узлы. Повышенную температуру имеет подогреватель тех №7, а так же
трубопроводы к адсорберам, лишенные тепловой изоляции. Для защиты от
механических воздействий, высокой и низкой температуры работники обязаны
использовать спецодежду, спецобувь, согласно действующим нормам бесплатной
выдачи спецодежды, специальной обуви и других средства индивидуальной
защиты.
В целях профилактики холодовых травм температура металлических
91

---

Page 90

поверхностей
оборудования
при
наличии
возможности
случайного
(непреднамеренного до 20 сек.) контакта открытого участка кожи с ними не должна
быть ниже 4°С. Обязательным является использование перчаток или рукавиц.
В целях профилактики термических травм при наличии случайного контакта
открытого участка кожи температура поверхностей материалов не должна
превышать величин, указанных в таблице.
Таблица 6.2– Зависимость продолжительности контакта от температуры материала
Температура мате-
риала
Продолжительность контакта, сек
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Непокрытый ме-
талл
70
67
65
63
62
61
61
60
60
59
Керамика, стекло
86
81
78
76
74
73
73
72
71
70
Пластмассы
94
87
84
82
81
79
78
78
77
76
Дерево
140 122 116
113 109 108
108
108
107 107
Температура наружных поверхностей оборудования и (или) кожухов
теплоизоляционных покрытий не должна превышать в местах, доступных для
персонала 45°С внутри помещений и 60°С на наружных установках.
Размещение производственного оборудования должно исключать возможность
соприкосновения работника с горячими или переохлажденными частями или
непосредственной близости от таких частей, если это может повлечь за собой
травмирования, перегрев или переохлаждение работника.
4) Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой
может пройти через тело человека.
Проходя через организм человека,
электрический ток (ЭТ) оказывает термическое, электролитическое и
биологическое действия.
Термическое действие выражается в ожогах отдельных участков тела, нагреве
кровеносных сосудов, нервов и других тканей. Электролитическое действие
выражается в разложении крови и других органически жидкостей, что вызывает
92

---

Page 91

значительные нарушения их физико-химических составов. Биологическое действие
является особым специфическим процессом, свойственным лишь живой материи.
Оно выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма (что
сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц), а также в
нарушении внутренних биоэлектрических процессов, протекающих в нормально
действующем организме. В результате могут возникнуть различные нарушения в
организме, в том числе нарушение и даже полное прекращение деятельности
органов дыхания и кровообращения.
Исход действия ЭТ на организм человека зависит от ряда факторов, в том
числе от значения и длительности прохождения ЭТ через организм, рода и частоты
тока, а также индивидуальных свойств человека.
Установлено, что увеличение силы тока приводит к качественным изменениям
воздействия его на организм человека. Так, из приведенных в таблице 6.3 данных,
видно, что с увеличением силы тока четко проявляются три качественно отличные
ответные реакции организма: ощущение, судорожное сокращение мышц
(неотпускание для переменного и болевой эффект для постоянного тока),
фибрилляция сердца.
Таблица 6.3 – Воздействие на организм человека переменного тока промышленной
частоты
Сила тока, мА
Характер воздействия
До 1
Не ощущается
От 1 до 6
включ.
Ощущения тока безболезненны. Управление мышцами не утрачено.
Возможно самостоятельное освобождение от контакта с частями,
находящимися под напряжением
От 6 до 20
включ.
Ощущение тока болезненно. Управление мышцами затруднительно,
но возможно самостоятельное освобождение от контакта с частями,
находящимися под напряжением.
93

---

Page 92

Продолжение таблицы 6.3
Сила тока, мА
Характер воздействия
От 20 до 30
включ.
Ощущение тока весьма болезненно. Самостоятельное освобожде-
ние от контакта с частями, находящимися под напряжением, невоз-
можно.
От 30 до 50
включ.
Сильные судорожные сокращения мышц. Дыхание затруднительно.
Возможна остановка сердца.
От 50 до 100
включ.
Парализация дыхания. Возможна фибрилляция сердца, приводящая
к смерти.
От 100 до 500
включ.
Фибрилляция сердца. Самовосстановление нормального биения
сердца невозможно.
От 500 до
1000 включ.
Ожоги в местах контакта с частями, находящимися под напряжени-
ем, фибрилляция сердца.
От 1000 и бо-
лее
Сильные ожоги, возможна фибрилляция сердца.
Фибрилляция – разновременное и разрозненное сокращение отдельных
волокон мышц сердца, не способное поддерживать его эффективную работу.
Рассмотренные реакции организма на действие электрического тока позволили
установить три критерия электробезопасности и соответствующие им уровни
допустимых токов (ГОСТ12.1.038-82).
Первый критерий – неощутимый ток, который не вызывает нарушений
деятельности организма и допускается для длительного (не более 10 мин. в сутки)
протекания его через тело человека.
Второй критерий – отпускающий ток. Действие этого тока допустимо, если
длительность его протекания не превышает 30 с. Его допустимая величина для
переменного тока – 6 мА, для постоянного тока – 15 мА (неболевое ощущение).
Третий критерий – фибрилляционный ток, действующий не более 1с.
Допустимая величина для переменного тока – 50 мА, для постоянного – 200 мА.
94

---

Page 93

Поражение будет более тяжёлым, если на пути тока оказывается сердце.
Окружающая среда, а также обстановка усиливают или ослабляют опасность
поражения током.
Величина тока, протекающего через тело человека, является главным
фактором, от которого зависит исход поражения: чем больше ток, тем опаснее его
действие. Человек начинает ощущать протекающий через него ток промышленной
частоты относительно малого значения: 0.6 – 1.5 мА. Этот ток называется
пороговым ощутимым током. Ток 10 – 15 мА ( при = 50 Гц ) вызывает сильные
судороги мышц рук, которое человек не может преодолеть. Такой ток называется
пороговым не отпускающим.
Сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение также влияют
на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значение тока,
проходящего через человека.
ГОСТ 12.1.038-82 «Электробезопасность. Предельно допустимые значения
напряжений прикосновения и токов» определяет следующие напряжения
прикосновения и токи, протекающие через тело человека при нормальном
(неаварийном) режиме (таблица 6.4).
Таблица 6.4 – Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов
Род тока
U, В
I, мА
не более
Переменный, 50 Гц
2,0
0,3
Переменный, 400 Гц
3,0
0,4
Постоянный
8,0
1,0
5) Трубопроводы и сосуды с высоким внутренним давлением.
При эксплуатации трубопроводов, работающих под давлением газов выше
атмосферного возможны аварии, причинами которых могут быть: несоответствие
конструкции, расчетов, выбранных материалов трубопровода, арматуры и деталей
условиям эксплуатации; неудовлетворительное качество монтажных работ:
95

---

Page 94

отсутствие или неисправность арматуры; несоблюдение режимов работы
трубопроводов;
недостаточная
квалификация
обслуживающего
персонала,
отсутствие необходимого надзора за правильностью эксплуатации трубопроводов.
Поэтому их устройство и эксплуатация регламентированы специальными
правилами, обязательными для выполнения на всех предприятиях и организациях.
Эти правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением, утверждены Госгортехнадзором, они определяют требования к
устройству, изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации сосудов, работающих
под давлением. Они распространяются: на сосуды, работающие под избыточным
давлением выше 0,07 Мпа (
0,7кгс/см
2
); цистерны и бочки для перевозки
сжиженных газов, давление паров которых при температуре 323 К (50°С) превышает
0,07 Мпа (0,7
кгс/см
2
). К ним относятся все криогенные жидкости (кислород, азот,
аргон и Др.); баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых,
сжиженных и растворенных газов под давлением более 0,07 Мпа(
0,7кгс/см
2
).
6.1.3 Технические методы защиты от опасных и вредных факторов
1) Защита от повышенного уровня шума на рабочем месте.
Согласно ГОСТ 12.1.029-80 средства и методы защиты от шума по отношению
к защищаемому объекту подразделяются на:
– средства и методы коллективной защиты (средства, снижающие шум в
источнике его возникновения; средства, снижающие шум на пути его
распространения от источника до защищаемого объекта);
– средства индивидуальной защиты.
В силу технических причин представляется невозможным применение методов
коллективной защиты.
Для уменьшения уровня шума необходимо во время производства работ в
помещениях цеха, где возможно повышение уровня шума выше допустимого,
использовать средства защиты органов слуха (антифоны).
96

---

Page 95

2) Движущиеся машины и механизмы.
Все движущиеся машины и механизмы должны быть исправны, а
вращающиеся части оборудования – ограждены. При обслуживании машин и
механизмов должны соблюдаться требования соответствующих рабочих и заводских
инструкций. Осмотр и ремонт оборудования и арматуры производится согласно
графику ППР, составленному в соответствии с нормами пробега оборудования.
Грузоподъемные механизмы должны быть освидетельствованы инспекцией
Госгортехнадзора или службой тех-надзора завода. Краны и тали имеют бирку с
указанием
грузоподъемности
и
следующего
срока
технического
освидетельствования. Без наличия паспорта и бирки эксплуатация ГПМ запрещена.
При работе или нахождении в зоне действия кранов и вблизи них, следует
руководствоваться специальной Памяткой о мерах безопасности. Запрещается
снимать ограждения с вращающихся частей машин при их работе, а также
ремонтировать работающие механизмы, производить их чистку и смазку. Ремонт
производить только после их остановки и снятия напряжения с электродвигателя. На
пускателях должен быть вывешен плакат: "НЕ ВКЛЮЧАТЬ! РАБОТАЮТ ЛЮДИ!"
Перед началом работы убедиться, что двигатель обесточен. Во время работы
рабочие обязаны пользоваться выданной им спецодеждой, спец-обувью и
предохранительными приспособлениями. Рабочие без спецодежды, спецобуви и
средств защиты к работе не допускаются. Ремонтные работы необходимо
производить в соответствии с СКи 4219 "Инструкцией № 20 по организации и
безопасному производству ремонтных работ", подготовку оборудования цеха к
ремонту – в соответствии с СКи 6034 "Инструкцией № 15 по подготовке
оборудования к ремонту цеха № 20". Запрещается привлекать к работам лиц, не
прошедших обучение по конкретному рабочему месту и сдавших эк-замен на допуск
к самостоятельной работе.
3) Повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования,
материалов.
Поверхности оборудования, которые имеют повышенную или пониженную
97

---

Page 96

температуру, должны быть изолированы или ограждены. Отбор жидких продуктов
разделения необходимо производить в средствах индивидуальной защиты
(спецодежда, рукавицы, очки или маска). Хранение выданных рабочим спецодежды,
спецобуви и защитных средств должно осуществляться в шкафах.
4) Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой
может пройти через тело человека.
При эксплуатации электрооборудования необходимо соблюдать требования
СКи 4844 по электробезопасности для неэлектротехнического персонала ОАО
"Воронежсинтезкаучук".
В случае короткого замыкания на электроустановках
необходимо остановить электрооборудование (если не сработала система защиты)
согласно цеховой инструкции СКи 6029/1 и перейти на резервное оборудование.
К электрозащитным средствам относятся:
– изолирующие штанги
(оперативные,
для наложения заземления,
измерительные и др.);
– изолирующие устройства и приспособления для ремонтных работ под
напряжением и слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками для
работы в электроустановках;
– диэлектрические перчатки, боты, галоши, ковры, изолирующие накладки и
подставки;
– индивидуальные экранирующие комплекты;
– переносные заземления;
– оградительные устройства и диэлектрические колпаки;
– плакаты и знаки безопасности
Кроме
перечисленных
электрозащитных
средств
при
работах
в
электроустановках следует при необходимости применять такие средства
индивидуальной защиты, как очки, каски, противогазы, рукавицы, монтажные пояса
и страховочные канаты.
Основными мероприятиями по защите от электротравматизма являются:
98

---

Page 97

– обеспечение недоступности токоведущих частей путем использования
изоляции, ограждений, расположения указанных элементов на высоте, в корпусах
и в станинах оборудования;
– применение малых напряжений (как правило, не выше 42В) в ручном
механизированном инструменте, в местных и переносных источниках света;
– использование изоляции токоведущих частей: рабочей, двойной (рабочей и
дополнительной), усиленной (улучшенной рабочей изоляции, эффективность
которой такая же, как и у двойной);
– электрическое разделение сети на отдельные участки с помощью
специальных разделительных трансформаторов, что позволяет уменьшить
электрическую ёмкость сети и значительно повысить роль сопротивления
изоляции;
– выравнивание потенциала земли с целью устранения шагового напряжения
за счёт использования не одиночных, а групповых заземлителей;
– применение средств коллективной защиты от поражения электротоком,
защитного заземления, зануления и отключения;
– использование
средств
индивидуальной
защиты
и
специальных
электрозащитных приборов и устройств;
– организация профотбора путем проведения медицинских осмотров при
приеме на работу и периодически раз в 2 года – всех лиц, связанных с
эксплуатацией электроустановок;
– обучение и аттестация персонала.
5) Разрушение участков трубопроводов, запорной арматуры, регулирующих и
предохранительных устройств, связанные с внутренним давлением трубопровода,
а также вызванные разрушением конструкций элементов трубопроводных эстакад.
Для предотвращения возникновения неисправностей в работе трубопроводных
систем необходимо постоянно осуществлять контроль за их состоянием согласно
инструкциям СКи 4451 (№ 52), СКи 4420 (№ 53), СКи 4512 (№ 54). При
99

---

Page 98

обнаружении неисправностей трубопроводных систем (разрушения участков
трубопроводов, запорной арматуры, регулирующих и предохранительных устройств,
связанные с внутренним давлением трубопровода, а также вызванные разрушением
конструкций элементов трубопроводных эстакад) необходимо произвести
отключение трубопровода от питающего оборудования, доложить начальнику смены
и диспетчеру завода и далее действовать в соответствии с их указаниями.
6.1.4 Расчет заземления
Разрабатываемая система автоматизации ожижителя А3 включает в себя
электродвигатель АОЛ-11-2Ф2. Его параметры [6] представлены в таблице 6.5.
Таблица 6.5 – Технические характеристики электродвигателя АОЛ-11-2Ф2
Мощность N, кВт
Рабочее напряжение U, В
Рабочий ток I, А
0.18
220/380
0.8
Согласно ГОСТ 12.1.030-81 защитное заземление или зануление
электроустановок следует выполнять:
– при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и
выше постоянного тока - во всех случаях;
– при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного тока и от 110 В
до 440 В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью и
особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78.
В отношении опасности поражения людей электрическим током цех относится
к помещениям с повышенной опасностью. Поэтому необходимо установить
заземление.
Заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей
металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
Разделяют заземлители искусственные, предназначенные для целей заземления, и
естественные - находящиеся в земле металлические предметы для иных целей. Для
100

---

Page 99

искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные
электроды. В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы
диаметром 3 ... 5 см и стальные уголки размером от 40 х 40 до 60 х 60 мм длиной 3
... 5 м. Также применяют стальные прутки диаметром 10 ... 20 мм и длиной 10 м.
Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального
электрода используют сталь сечением не менее 4 х 12 мм и сталь круглого сечения
диаметром не менее 6 мм.
В качестве искусственного заземления будут использоваться стальные прутья
диаметром 50 мм и длиной 5 м. Для связи вертикальных электродов и в качестве
самостоятельного горизонтального электрода, будет использоваться полосовая сталь
сечением 4x12 мм
Определяем сопротивление растеканию тока одиночного вертикального
заземления[17]:
R
в
=

2⋅l
⋅

ln
2⋅l
d
0.5ln
4⋅tl
4⋅t−l

,
(6.1)
где
l
– длина заземления, м;
d
– разность наружного и внутреннего диаметра трубы;
t
– глубина заложения половины заземления, м;
r
– расчетное удельное сопротивление грунта, Ом·м.
Расчетное удельное сопротивление грунта определяется как:
=
изм
⋅
,
(6.2)
где

изм
– удельное сопротивление грунта (

изм
=300
Ом·м);

– коэффициент сезонности (принимается

=
1,4
).
Вычисляем удельное сопротивление по формуле (6.2):

=
300
⋅
1.4
=
420
Ом·м.
101

---

Page 100

Определим глубину заложения половины заземления:
t
=
0.5
⋅
l

t
0
,
(6.3)
где
t
0
– расстояние от поверхности земли до верхнего конца заземлителя.
Принимая
t
0
=
0.5
м, находим:
t
=
0.5
⋅
5

0.5
=
1.55
м.
Подставляя известные величины в формулу (6.1), получим:
R
в
=
420
23,14
⋅
5
⋅

ln
2
⋅
5
0.010

0.5
⋅
ln
4
⋅
1.55

4
4
⋅
1.55
−
5

=
107.28
Ом.
Число заземлителей определяется по формуле:
n
=
R
в
R
д
⋅

в
,
(6.4)
где
R
д
– наибольшее допустимое сопротивление заземляющего устройства;

в
– коэффициент использования вертикальных заземлителей без учета
влияния соединительной полосы.
Принимаем коэффициент

в
=
0,66
, так как электроды размещены по
контуру. Наибольшее допустимое сопротивление
R
д
=
4
Ом для установок
переменного тока до 1000 В.
Получаем:
n=
107,28
4⋅0,66
=40,636
.
Количество заземлителей принимается
n
=
40
.
Определим сопротивление растеканию тока горизонтальной соединительной
полосы:
102

---

Page 101

Rn
=

2
⋅
l
1
⋅
ln
2
⋅
l
1
2
b
⋅
t
1
,
(6.5)
где
t
1
– глубина заложения полосы, м (принимается
t
1
=
2,1
м);
b
=
0.012
м – ширина полосы;
l
1
– длина полосы.
Длина полосы определяется следующим образом:
l
1
=
1,05
⋅
a
⋅
n
,
(6.6)
где
а
– расстояние между вертикальными заземлениями, м (определяется
следующим образом:
a
=
3
⋅
l
=
3
⋅
5
=
15
м).
Вычисляем длину полосы по формуле (6.4):
l
1
=
1.05
⋅
15
⋅
40
=
645.75
м.
Подставляя найденные величины в формулу (6.3), получим:
R
n
=
420
23,14
⋅
656,75
⋅
ln
645,75
2
0.012
⋅
2,1
=
1.79
Ом.
Определим сопротивление растеканию тока заземляющего устройства:
R
0
=
R
в
⋅
R
n
R
в
⋅

г

R
n
⋅

в
,
(6.7)
где

в
– коэффициент использования горизонтального полосового
заземлителя, соединяющего вертикальные заземлители (принимается

в
=
0.33
).
Вычисляем сопротивление растеканию тока:
R
0
=
107,28
⋅
1,79
107,28
⋅
0.33

1.79
⋅
40
⋅
0.66
=
2,29
Ом.
Таким образом
R
0
не превышает допустимого сопротивления защитного
103

---

Page 102

заземления
R
д
=
4
Ом.
6.1.5 Анализ пожароопасности
Все помещения цеха подразделяются согласно классификации взрывоопасных
и пожароопасных зон. В таблице 6.6 представлены категории помещений, в
установлено модернизируемое оборудование.
Таблица 6.6 – Классификация опасных зон
Наименование помещения
Категория помеще-
ния
Зона класса по ПУЭ
1. Турбокомпрессорное отделение
2. Компрессорное отделение
3. Аппаратное отделение
4. Цех 20
В1
В2
В2
В2
П-1
П-1
П-1
П-1
Для обеспечения пожаробезопасности принимаются следующие меры:
Проведение огневых работ (сварка, работа с паяльником, отбойным молотком
по бетону, и др.) допускается только после оформления «наряда – допуска на
производство огневых работ», выполнения всех мероприятий обеспечивающих
безопасное проведение работ, в соответствии с «Инструкцией по организации
безопасного проведения огневых работ».
Рабочие места должны содержаться в чистоте и порядке в течении всего
времени работы. Порядок поддерживается самими работающими.
Обтирочные материалы после обтирки машин и аппаратов должен храниться в
закрытых металлических ящиках, которые ежесменно освобождаются.
Масло для работы компрессоров храниться в специальных емкостях в
отдельном помещении (складе ГСМ).
Средства пожаротушения, двери, устройства для закрытия и другие устройства
должны содержаться в исправном состоянии.
104

---

Page 103

Разрешёнными местами в цехе для курения являются – курительная комната,
кабинет механика, и материальная КИП.
Успешное тушение пожара во многом зависит от своевременного сообщения о
пожаре в пожарную охрану. Пожарная охрана вызывается во всех случаях пожара
или загорания, а также при авариях, создающих условия для пожара или взрыва.
Сообщение о пожаре в пожарную охрану осуществляется по телефону, при помощи
электрической сигнализации.
Все помещения цеха обеспечены первичными средствами пожаротушения и
пожарным инвентарем. Для тушения пожара могут применяться вода, песок,
асбестовое одеяло, огнетушители.
Разлив горючих жидкостей рекомендуется тушить пенными огнетушителями.
Тушение электродвигателей напряжением 6000 В необходимо проводить только
после разборки схемы на теристорном возбудителе данного компрессора дежурным
электриком. Электродвигатели напряжением до 1000 В разрешается тушить после
отключения вводного автомата. В противном случае может быть поражение
электрическим током лица производившего тушение.
6.2 Экологичность
Модернизируемая установка не производит вредных выбросов в окружающую
среду. Однако при обслуживании установки применяются загрязняющие
окружающую среду вещества. Поэтому в целях защиты окружающей среды к
рабочим, обслуживающим установку, предъявляются следующие требования [4].
Рабочий обязан содержать в чистоте оборудование и закрепленную
территорию, отходы производства складировать в местах, определенных схемой
размещения отходов цеха № 20.
Обтирочный материал чистый хранить в специальном металлическом ящике,
расположенном в месте, определенном схемой.
Образующуюся при уборке оборудования промасленную ветошь необходимо
105

---

Page 104

складировать в ящик с крышкой, расположенный с западной стороны цеха.
Строго следить за чистотой каналов и фундамента , не допуская попадания на
них воды и масла. Каналы должны быть плотно закрыты настилами.
106

---

Page 105

Заключение
Была проведена модернизация установки разделения воздуха АК-1,5 с целью
уменьшения ее энергоемкости и других эксплуатационных затрат. В результате было
добавлено 6 дополнительных лабиринтных уплотнений в турбодетандере;
разработана схема автоматического направления азота мимо ожижителя с
применением задвижки с электрическим приводом, что продлило срок службы
ожижителя; был заменен детандерный фильтр на фильтр с меньшим
сопротивлением; увеличена высота адсорберов блока комплексной очистки (по
результатам расчетов это снизило суточное энергопотребление подогревателя); был
заменен подогреватель на агрегат с меньшими тепловыми потерями, что
дополнительно снизило энергопотребление при регенерации адсорберов; замена
витого теплообменника-переохладителя на пару пластинчатых позволило добиться
понижение выходных температур теплоносителей на 1..3 °С.
Таким образом введенные усовершенствования достаточно существенно
повысили эффективность работы установки.
107

---

Page 106

Список литературы
1 Епифанова В.И. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения / В.И.
Епифанова, Л.С. Аксельрод; под ред. В.И. Епифановой, Л.С. Аксельрода. – М.:
Машгиз, 1973. – 257 с.
2 Глизманенко Д.Л. Кислород. Справочник: в 2 т.:Т2 / Д.Л. Глизманенко.; под
ред. Д.Л. Глизманенко. - М.:Металлургия, 1973. – 464 с.
3 Рабочая инструкция № 2 по обслуживанию воздухоразделительной
установки АК-1,5 для аппаратчиков блоков разделения воздуха цеха № 20, 2004. –
11 c.
4 Рабочая инструкция № 8 по производству воздуха для нужд КИП и А для
машинистов турбинного отделения в цеха №20, 2004. – 13 c.
5 Рабочая инструкция № 7 по обслуживанию цеолитового блока очистки
воздуха для аппаратчиков блока разделения цеха № 20, 2004. – 11 c.
6 Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие / Д.Ф. Гуревич.
– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1981. – 368 с.
7 Чиков В.М. Основы автоматизации предприятий торговли и общественного
питания / В.М. Чиков. – М.: Экономика, 1984. – 176 с.
8 Теплофизические свойства криопродуктов: учеб. пособие / Акулов Л. А.,
Борзенко Е. И., Зайцев А. В., Новотельнов В. Н. – М.: Политехника, 2001. – 243 с.
9 Оконский И.С. Процессы и аппараты кислородного и криогенного
производства / И.С. Оконский, А.А. Осокин, Ю.С. Федюков. – М.: Машиностроение,
1985.- 256 с.
10 Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов.
Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; под ред. А.Р. Толчинского. – Л.:
Машиностроение, 1981. – 382 с.
11 Петровский Ю.В. Современные эффективные теплообменники / Ю.В.
Петровский, В.Г.Фастовский.– М.: Госэнергоиздат, 1962.– 256 с.
12 Клименко А.В. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника.
108

---

Page 107

Справочник. / А.В. Клименко, В.М. Зорин; под ред. А.В. Клименко и В.М.Зорина. –
М.: МЭИ, 2004. – 632 с.
13 Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких
температурах. Справочник. / Л.А. Новицкий, И.Г. Кожевников. – М.:
Машиностроение, 1975. – 216 с.
14 Павлов К.ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии: учеб. пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков; под
ред. П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
15 Методические указания по выполнению практических, лабораторных работ
и самостоятельной работы по курсу «Управление, организация и планирование
производства» для студентов специальностей 070200 «Техника и физика низких
температур» и 553100 «Прикладная физика твердого тела» очной формы обу-чения /
Воронеж. гос. техн. ун-т; Сост. М. А. Гремяченская. Воронеж, 2004. – 25 с.
16 Методические указания по выполнению организационно-экономических
расчетов в курсовом и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по
направления 140400 «Техническая физика» очной формы обучения / Воронеж. гос.
техн. ун-т; Сост. М. А. Гремяченская. Воронеж, 2005. – 32 с.
17
Маньков
В.Д.
Защитное
заземление
и
защитное
зануление
электроустановок. Справочник /В.Д. Маньков, С.Ф. Заграничный. – СПб:
Политехника, 2005. – 400
109

---

Page 108

---

Page 109

Приложение Б
Схема автоматизации подачи азота в ожижитель А3
111

---

Page 110

Приложение В
Принципиальная электрическая схема подключения двигателя электрического
привода задвижки 321
M
A B C
380 B
KK1
KK2
KM2
KM1
QF
SBT
KM2 SQ2
KM1
KM2
KM1
SQ2
SBC1
RKmin
KM2
KK2
KK1
KM1
SBC2
RKmax
112

---

Page 111

Приложение Г
Диаграмма T–S для 1 кг воздуха
113