Молекулярная

Недостатки

1. 
   Адсорбционный и мембранный методы . Ограниченная производительность
   

. Относительно низкая чистота получаемого кислорода (не более 95 % для адсорбционных и не более 50 % для мембранных установок)

2. 
   Криогенный метод
   

. Длительный пусковой период, в силу чего данный метод целесообразно применять для крупных стационарных комплексов большой производительности с длительным периодом непрерывной работы.
Ниже будет подробно рассмотрен именно этот метод разделения воздуха с целью получения азота и кислорода, а также редких газов.


89

2. 
   Разделение воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации
   

В настоящее время получение азота и кислорода из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации является наиболее экономичным, поэтому он имеет широкое промышленное применение. Этот способ позволяет получать азот и кислород практически в любых количествах. При этом расход электроэнергии составляет 0,4 - 1,6 кВт-ч на 1 м³ кислорода, в зависимости от размеров и технологической схемы установки.
Процесс разделения воздуха криогенным методом состоит из трех основных стадий:

1. 
   подготовка воздуха к разделению, заключающаяся в его сжатии и очистки от вредных компонентов (механических примесей, влаги, ССЬ, ацетилена), мешающих процессу разделения;
   
2. 
   сжижение очищенного воздуха;
   
3. 
   ректификация.
   

Учитывая, что сжижение воздуха 2-ая стадия процесса подробно описана в главе 3 настоящего пособия, в этом разделе мы остановимся на рассмотрении 1 и 3 стадиях процесса.

1. 
   Основные продукты разделения воздуха
   

Основными продуктами разделения воздуха являются следующие промышленные газы:
кислород технический (условно обозначается «К») с содержанием кислорода 99,2 - 99,7 % об. (1-ый сорт - 99,7 % 2-ой сорт - 99,5 % 3-ий сорт - 99,2 %);
кислород технологический (условно обозначается «Кт») с содержанием кислорода 92 - 98 %;
азот особой чистоты (условно обозначается «А») с содержанием азота не менее 99,996 %;
азот высшего сорта (условно обозначается «А») с содержанием азота не менее 99,994 %;
азот 1-го сорта (условно обозначается «А») с содержанием азота не менее 99,5 %;
азот 2-го сорта (условно обозначается «А») с содержанием азота не менее 99 %;
азот 3-го сорта (условно обозначается «А») с содержанием азота не менее 97 %;
аргон высшего сорта (условно обозначается «Ар») с содержанием аргона не менее 99,993 %;
аргон 1-го сорта (условно обозначается «Ар») с содержанием аргона не менее 99,987 %;
аргон сырой (условно обозначается «Арс») с содержанием аргона 86 - 90 %, кислорода - до 4 %, азота - до 10 %;


90




аргон технический (условно обозначается «Арт») с содержанием аргона

86. 
    - 88 %, азота -12-14%, кислорода - не более 0,4 %;
    

криптоноксеноновый первичный концентрат с суммарным содержанием криптона и ксенона до 0,2 %;
неоногелиевая смесь с суммарным содержанием неона и гелия до 40-60%.
Продукты разделения воздуха производятся как в газообразном, так и в жидком состоянии. Производство промышленных газов в жидком виде позволяет существенно упростить вопросы накопления, хранения и транспортирования промежуточных и конечных продуктов производства ВРУ.
Очистку сырого аргона от кислорода производят путем каталитического гидрирования при 450 °С на установках типа УТА. Азот очищают методом низкотемпературной ректификации на установках типа БРА.
Первичную очистку криптоноксеноновой смеси от углеводородов производят выжиганием в специальных печах при 680 °С, а вторичную до концентрации 99,7 % - в установках типа УСК.
Криптон и ксенон выделяют из криптоноксеноновой смеси методами фракционированного испарения, адсорбции или низкотемпературной ректификации.
Неон извлекают из неоногелиевой смеси методами фракционированной конденсации, вымораживания или адсорбции при криогенных температурах.
Инертные газы особой чистоты с содержанием примесей 5-10'⁵ - 5-10'⁷ %. получают методами криоадсорбционной или химической очистки.

2. 
   Подготовка воздуха к разделению
   

Перед поступлением на разделение воздух должен пройти специальную подготовку, включающую очистку от вредных примесей, сжатие и охлаждение.

1. 
   Компремирование
   

Для сжатия и перемещения воздуха применяют поршневые компрессоры (конечное давление до 22 МПа) и турбокомпрессоры (конечное давление до 3,5 МПа). Производительность поршневых компрессоров достигает 7500 м³/ч. Сжатие больших количеств воздуха целесообразно производить в турбокомпрессорах. Основные преимущества турбокомпрессоров заключаются в следующем: надежность в работе; простота в обслуживании; равномерная подача воздуха; отсутствие загрязнения воздуха парами масла; компактность по сравнению с поршневыми компрессорами.


91




Этими же преимуществами обладают и турбодетандеры по сравнению с поршневыми расширительными машинами.

2. 
   Очистка воздуха от механических примесей и пыли
   

Пыль и другие механические примеси, содержащиеся в воздухе в количестве 5 - 10мг/м³, загрязняют клапаны компрессоров, вызывают быстрый износ поршневых колец и цилиндров, загрязняют прочую аппаратуру и арматуру воздухоразделительных установок. Воздух очищается от механических примесей в фильтрах, устанавливаемых на всасывающих трубопроводах компрессоров. Ячейки воздушных фильтров могут быть сухими либо смачиваемыми маслом или водно-глицериновым раствором.
Наиболее распространенными фильтрами являются масляные висциновые фильтры. Конструкция их простая. Между двумя дырчатыми стальными листами помещаются кольца Рашига, смазанные маслом с низкой температурой замерзания, через которые проходит очищаемый воздух.
Висциновое масло представляет собой смесь 60 % цилиндрового с 40 % солярового масла. Вместо висцинового можно применять масло фригус, замерзающее при минус 25 °С, или трансформаторное масло с температурой замерзания минус 45 °С.
На установках большой производительности применяются самоочищающиеся фильтры с передвигающимися фильтрующими сетками.

3. 
   Удаление влаги
   

Водяные пары, содержащиеся в воздухе, вымерзают на холодных частях воздухоразделтительных установок, нарушая их работу. Воздух частично осушается в процессе его сжатия, поскольку количество влаги, приходящееся на 1 м³ сжатого или несжатого воздуха, практически одинаково, а на 1 кг перерабатываемого воздуха обратно пропорционально его давлению. Поэтому содержащаяся в засасываемом воздухе влага выделяется из сжатого воздуха в холодильниках компрессоров в виде конденсата.
Более глубокая осушка воздуха может производиться химическими, физико-химическими или физическими методами.

1. 
   В химических процессах осушки водяные пары поглощаются с помощью твердых щелочных соединений NaOH, КОН, а также СаСЬ. Однако химический метод применяется лишь при осушке малых количеств ценных газов, например, криптонового концентрата.
   
2. 
   Физико-химический метод осушки основан на поглощении влаги в адсорберах с помощью твердых поглотителей. В качестве адсорбентов влаги используют силикагели, алюмогели или цеолиты.
   

После осушки силикагелем содержание влаги в воздухе не превышает

0. 
   03 г/м³, что соответствует точке росы 221 К.
   

Активный оксид алюминия обладает большей механической прочностью, чем силикагель, и более высокой активностью по воде. После


92




осушки воздуха с помощью АЬОз его влажность снижается до 0,005 г/м³, что соответствует точке росы 210 К.
Наибольшую степень осушки позволяют достичь цеолиты - остаточная влажность воздуха может достигать точки росы до 200 К. Адсорбенты обычно применяют при температуре воздуха не выше 300 К. Адсорбционный метод используется в основном в установках высокого и среднего давления. Осушку осуществляют, как правило, в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента. Адсорбционный процесс периодический и включает стадии адсорбции и регенерации поглотителя. То есть после насыщения адсорбента парами влаги он нагревается потоком нагретого азота или воздуха с последующим охлаждением слоя адсорбента. Для организации непрерывного процесса в схеме должно быть предусмотрено не менее 3 адсорберов, каждый из которых находится в определенной фазе (адсорбция, регенерация, охлаждение) процесса.

3. 
   Физический метод осушки воздуха основан на вымораживании влаги в попеременно работающих теплообменниках или регенераторах. Обычно воздух охлаждается сначала отходящим кислородом или азотом до 280 К, затем кипящим аммиаком до температуры 235 - 230 К. Теплообменники охлаждаются отходящими после разделения воздуха газами. Когда в одном из теплообменников происходит вымораживание влаги, другой отогревается для удаления накопившегося льда. Более подробное описание данного метода осушки будет приведено ниже.
   

4. 
   Удаление диоксида углерода
   

СОг, как и влага, попадая в воздухоразделительный аппарат, вымораживается при низких температурах. Твердые частицы его забивают тарелки ректификационных колонн и дроссельные вентили, что нарушает работу установки и ведет к периодическим остановкам аппаратов для отогрева и удаления накопившихся примесей.
Очистка воздуха от диоксида углерода осуществляется промывкой щелочными растворами (химический метод), вымораживанием или адсорбцией при низких температурах.
Щелочная промывка воздуха производится под избыточным давлением в двух последовательно работающих скрубберах до содержания СО2 в воздухе 10-15 см³/м³ воздуха. Степень очистки воздуха от СО2 составляет 90 - 93 %, т.е. количество диоксида углерода в очищенном среде колеблется от 0,002 до

1. 
   003 %.
   

Недостатками этого способа являются громоздкость оборудования, опасность работы с щелочью и загрязнение ею помещений, сравнительно невысокая степень очистки, что сокращает продолжительность непрерывной работы блока разделения воздуха.
Регенераторы, в которых происходит вымораживание СО2, работают при давлении поступающего воздуха 0,6 МПа. В этих условиях парциальное давление СО2 в воздухе составляет 173,3 Па; оно соответствует температуре


93




возгонки ССЬ (145 К). Таким образом, ССЬ выделяется на насадке нижней части регенератора при температурах от 143 до 103 К. При этом после регенераторов остается ССЬ 15 - 20 см³/м³ воздуха.
Значительно удобнее адсорбционная очистка воздуха от ССЬ, осуществляемая на силикагелях при температурах 143 - 148 К.
4.3.2.5. Удаление ацетилена
Большое значение для безопасной работы воздухоразделительных установок имеет очистка воздуха от ацетилена. Ацетилен мало растворим в жидком воздухе, и поэтому выделяется в твердом виде, что влечет за собой опасность взрыва. Адсорберы ацетилена, заполненные силикагелями, располагают либо на пути кубовой жидкости и детандерного воздуха в верхнюю колонну, либо на потоке воздуха после его охлаждения в регенераторах. В последнем случае обеспечивается защита всех основных аппаратов блока разделения.
В современных установках высокого и среднего давления производится также комплексная очистка воздуха от водяных паров, диоксида углерода, ацетилена и других углеводородов цеолитами при 281 - 283 К.

3. 
   Физические основы разделения воздуха
   

1. 
   Минимальная работа разделения воздуха
   

Абсолютное давление каждого газа, входящего в состав смеси, пропорционально содержанию этого газа в смеси. Если, например, принимать, что воздух состоит только из азота и кислорода, то его объемный состав будет: 79,1 % N2 и 20,9 % СЬ.
Тогда парциальные давления азота и кислорода в воздухе (при общем давлении смеси 0,1 МПа) равны соответственно: 0,0791 и 0,0209 МПа.
При разделении воздуха на кислород и азот нужно каждый из этих газов сжать от его парциального давления до общего давления смеси. Сумма работ изотермического сжатия каждого компонента от его парциального давления до давления смеси является теоретической (минимальной) работой разделения газовой смеси на ее составные части:
(тт = ЯГ-1р„-1п^ (46)