Какие продукты разделения воздуха

Общие сведения

Состав воздуха, продукты его разделения и их использование

Состав атмосферного воздуха не постоянен. Содержание компонентов зависит от географической широты, высоты над поверхностью, солнечной активности и других факторов. Существенно неодинакова загрязненность воздушного бассейна, где содержание примесей может меняться в течение суток, например, под влиянием метеорологических условий.

Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности земли приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Усредненный состав атмосферного воздуха

Газ	Молекулярная масса	Объемное содержание в воздухе, %	Массовое содержание, %	Нормальная температура кипения, К
Азот N2	28,016	78,09	75,52	77,36
Кислород O2	32,00	20,95	23,15	90,19
Аргон Ar	39,944	0,93	1,28	87,29
Диоксид углерода CO2	44.01	0,03	0,05	194,6
Неон Ne	20,183	1,8×10-3	1,25×10-3	27,0
Гелий He	4,003	5,24×10-4	0,72×10-4	4,22
Криптон Kr	83,8	1×14-4	3,3×10-4	119,0
Водород H2	2,016	5×10-5	0,035×10-4	20,4
Закись азота N2O	44,016	5×10-5	8×10-5	184,60
Ксенон Xe	131,3	8×10-5	3,6×10-5	165,0
Озон O3	48,00	1×10-6	1,5×10-6	161,25
Радон Rn		6×10-18	4,5×10-17	211,35

Кроме того, в зависимости от производственной деятельности в регионе, в воздухе содержится незначительное количество метана, ацетилена и других высокомолекулярных углеводородов.

Содержание в воздухе водяных паров зависит от температуры и относительной влажности j. Значение относительной влажности обычно усредняется для определенного региона. Для средней полосы России j=0,7-0,8.

В табл. 1.2. приведено насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от его температуры при нормальном атмосферном давлении.

При сжатии воздуха содержание влаги в нем при полном насыщении уменьшается.

Таблица 1.2. Насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от температуры при атмосферном давлении

Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, °С	Влагосодержание, г/кг
25,40	3,73	-30	0,229	-60	0,00695
19,07	-5	1,7	-35	0,133	-65	0,00286
14,17	-10	1,59	-40	0,077	-70	0,00163
10,35	-15	1,01	-45	0,043	-75	0,00073
7,48	-20	0,63	-50	0,024	-80	0,00032
5,313	-25	0,39	-55	0,013	-90	0,000082

Основными продуктами разделения предварительно осушенного воздуха в современных воздухоразделительных установках (ВРУ) являются следующие так называемые промышленные газы:

кислород технический – 99,2-99,7 % (1-й сорт – 99,7; 2-й сорт – 99,5; 3-й сорт – 99,2 %) и технологический – 92-98 % (в среднем – 95 %, остальное азот);

азот особой чистоты – не менее 99,996 %, высшего сорта – 99,994; 1-го сорта – 99,5; 2-го сорта – 99 и 3-го сорта – 97 %;

аргон высшего сорта – 99,993 и 1-го сорта – 99,987 %; сырой аргон – 86-90 %, содержащий до 4 % О2 и до 10 % N2; технический – 86-87 % с примесью 12-14 % азота;

первичный криптоноксеноновый концентрат с объемной долей криптона и ксенона до 0,2 %;

неоногелиевая смесь с объемной долей неона и гелия от 40 % и выше.

В дальнейшем сырой аргон и криптоноксеноновый концентрат подвергаются очистке и дополнительной ректификации.

Применение основных продуктов разделения воздуха – кислорода и азота, является одним из важных направлений технического прогресса в ряде отраслей промышленного производства. Это черная и цветная металлургия, химическая, нефтехимическая и пищевая промышленность, энергетика, медицина, машиностроение и пр. Использование этих продуктов позволяет интенсифицировать технологические процессы в этих отраслях. Это способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества, снижению себестоимости.

По данным США использование кислорода в различных отраслях промышленности распределяется приблизительно следующим образом (в % от общего производства кислорода):

черная и цветная металлургия 60;

химическая промышленность 25;

ракетная техника и энергетика 10;

нефтепереработка 3;

прочие отрасли 2 %.

В течение последних 25 лет ежегодный прирост производства кислорода составляет 12-15 %.

Примерные удельные расходы кислорода на единицу продукции составляют:

в доменном производстве – 100-150 м3 на 1 т чугуна;

при конверторной выплавке стали – 55-60 м3/т кислорода 1-го и 2-го сорта;

в электроплавильном производстве – 15-20 м3/т, кислорода того же качества;

в производстве азотной кислоты – 155 м3/т, кислорода 1-3 сортов.

При аэрации и осветлении сточных вод воздухом, обогащенным кислородом, в зависимости от степени их загрязнения расходуется от 2 до 24 м3/м3.

С каждым годом все большее применение находит азот. В химической промышленности на производство аммиака, этилена, пропилена, азотных удобрений расходуется до 1000 м3 азота на каждую тонну продукта.

Особое развитие нашла так называемая “азотная технология”. Она стремительно расширяет области своего внедрения:

в машиностроении, например, это азотирование поверхностей деталей, что обеспечивает повышение прочности и износостойкости. Закалка инструмента в жидком азоте повышает его стойкость до 90 раз. Значительно надежнее и прочнее становятся неразъемные соединения, полученные с помощью жидкого азота, например, запрессовка бандажей, втулок и пр.;

в пищевой промышленности – азот наилучший охладитель и консервант продуктов питания;

в легкой промышленности – обработка кож, различного сырья. Замораживание жидким азотом тканей позволяет роботизировать и автоматизировать процессы раскроя и пошива одежды;

в медицине – безболезненные и быстрые операции на коже, глазах. Консервация органов пересадки, крови и др.

Жидкий азот является важнейшим хладоносителем для предварительного охлаждения газов в криогенных установках. С его помощью получают жидкий водород, гелий и др. редкие газы. На него возлагают большие надежды энергетики – разработчики высокотемпературной сверхпроводимости.

Аргон применяют как защитную среду для расплавленных металлов от окисления при плавке, разливе и электросварке нержавеющих сталей, титана, магния, алюминия. При плазменно-дуговой резке легированных сталей, сплавов алюминия, меди. При получении чистых металлов – титана, циркония, ниобия, молибдена и др.

Широко используется аргон в электроламповой промышленности для заполнения ламп накаливания и газоразрядных ламп. Лампы накаливания с аргоном имеют повышенные срок службы и светоотдачу. Аргон препятствует диффузии вольфрама, помутнению колб, уменьшают тепловые потери, так как позволяют повысить температуру нити накаливания.

В полупроводниковой промышленности аргон используется как защитная среда при производстве монокристаллов титана, бария, кремния и др. полупроводниковых материалов.

Сжижаются не только воздух и его компоненты. На практике широко применяются многие газы в сжиженном и твердом виде, например, CO2, CH4, H2, F2, и др. Некоторые из них применяются как хладагенты, другие как горючее и окислители. В ряде случаев сжижение ведется с целью перевоза и хранения.

Процессы сжижения газов довольно энергоемки. Например: для получения 1 т сухого льда (СО2) затрачивается 125-150 кВт×ч электроэнергии;

1 т жидкого кислорода (О2) – 1200-1500 кВт×ч;

1т жидкого водорода (Н2) – 60000-80000 кВт×ч.

Эксергетический КПД процессов сжижения, реализуемых в технических установках не превышает 20-25 %, а часто 10-15 %.

Дата добавления: 2016-03-28; просмотров: 2062 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

Источник

Разделение воздуха является основным промышленным методом получения технических газов, таких как кислород, азот, аргон, а также редких газов, таких как криптон, ксенон, неон, гелий.

Воздухоразделение используется в установках криогенного, адсорбционного, мембранного типа.

Криогенное воздухоразделение функционирует при низкотемпературном режиме ректификации.

Адсорбционное воздухоразделение происходит посредством связывания твердым веществом, называемым адсорбентом, отдельных компонентов газовой смеси.

Это явление обусловлено силами взаимодействия молекул газа и адсорбента.

Короткоцикловая адсорбция наиболее предпочтительна в случаях, когда потребность в производственных объемах азота велика и степень чистоты имеет средние показатели.

Технология адсорбции основана на поглощении молекулярными ситами определенных веществ, за счет этого обеспечивается разделение воздушной смеси.

Регулирование процесса поглощения газов и регенерации адсорбента происходит путем изменения давления и/или температуры.

Адсорбционная технология позволяет эффективно получать из атмосферного воздуха такие газы как азот и кислород.

Мембранное воздухоразделение основано на проникновении воздушных компонентов через газоразделительные мембраны из-за разных скоростей проникновения.

Движущей силой разделения газов является разница парциальных давлений на различных сторонах мембраны.

Мембранные установки производят азот чистотой до 99,5% и достаточно экономичны при средних объемах потребления.
Современная газоразделительная мембрана представляет собой уже не плоскую пластину или плёнку, а полое волокно.

Половолоконная мембрана состоит из пористого полимерного волокна с нанесённым на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем.

Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна.

Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану.

Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов.

Современный мембранный модуль, используемый для технологии мембранного разделения газов, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса.
Из-за разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях половолоконной мембраны происходит разделение газовой смеси на компоненты. Газы, быстро проникающие через полимерную мембрану (например, H2, CO2, O2, пары воды, высшие углеводороды), поступают внутрь волокон и выходят из мембранного картриджа через один из выходных патрубков. Газы, медленно проникающие через мембрану (например, CO, N2, CH4), выходят из мембранного модуля через второй выходной патрубок.

Конструктивно половолоконная мембрана компонуется в виде цилиндрического картриджа, который представляет собой катушку с намотанным на неё особым образом полимерным волокном.

Газовый поток под давлением подаётся в пучок мембранных волокон.

Из-за различных парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях мембраны происходит разделение газового потока.

В газоразделительных блоках полностью отсутствуют движущиеся части, что обеспечивает надёжность установок. ембраны очень устойчивы к вибрациям и ударам, химически инертны к воздействию масел и нечувствительны к влаге, функционируют в широком диапазоне температур от −40 °C до +60 °C.

При соблюдении условий эксплуатации ресурс мембранного блока составляет от 130 000 до 180 000 часов (15-20 лет непрерывной работы).

Недостатки мембранных установок являются ограниченная производительность и относительно низкая чистота получаемых продуктов по сравнению с газами, полученными с помощью метода адсорбции или криогенным способом.

Чем нужно руководствоваться при выборе установки.
1. Какие продукты разделения воздуха, и в каком виде вам необходимо получать.
– На криогенных установках возможно одновременное получение азота, кислорода, (на крупных установках так же и аргона) как в газообразном, так и жидком виде.
– На адсорбционных и мембранных установках возможно получение только одного продукта, азота или кислорода, и только в газообразном виде.
2. Чистота получаемых продуктов разделения воздуха, необходимая для обеспечения технологических процессов вашего производства.
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.
3. Производительность установки.
4. Энергопотребление. Основной характеристикой при определении затрат на производство технических газов, является удельный расход электроэнергии на м3 (или кг) производимого продукта.
5. Давление продуктов разделения воздуха на выходе установки.
6. Условия эксплуатации. Количество обслуживающего персонала, ремонтопригодность оборудования, стоимость и возможность получения запасных частей.

Источник

Для получения основных продуктов разделения воздуха – азота и кислорода -используются воздухоразделительные установки, которые по принципу работы разделены на три основных типа:

криогенные — с разделением воздуха методом низкотемпературной ректификации;
адсорбционные — работающие при температуре окружающей среды и обеспечивающие разделение воздуха с помощью адсорбентов;
мембранные — работающие при температуре окружающей среды и обеспечивающие разделение воздуха с помощью полимерных мембран (молекулярных сит), выполненных в виде капиллярных трубок.

Критерием выбора типа установки является необходимый продукт, его состояние (сжиженное или газообразное), чистота, давление продуктового газа, производительность и экономичность.

Криогенные воздухоразделительные установки (ВРУ)

Принцип работы криогенных воздухоразделительных установок основан на низкотемпературной ректификации сжиженного воздуха. Установки состоят из компрессорного, технологического и вспомогательного оборудования. Упрощенная технологическая схема выглядит следующим образом: воздух после сжатия в компрессоре проходит блоки очистки, где освобождается от влаги, углекислоты и углеводородов, расширяется в детандере с понижением температуры, проходит через теплообменники, сжижается и попадает в ректификационную колонну на разделение, после чего, в зависимости от режима, выдается азот или кислород в жидком или газообразном состоянии.

Криогенные ВРУ технически достаточно сложны, требуют значительного времени для выхода на режим, смену режима и отогрев, включают в себя энергоемкую систему очистки, металлоемкое тепло- и массообменное оборудование, детандер, систему автоматики. Криогенные установки требуют высококвалифицированного обслуживания и достаточно энергоемки. Эти недостатки компенсируются возможностью получения сжиженных продуктов разделения воздуха и чистого медицинского кислорода.

НПО «ГЕЛИЙМАШ» выпускает малые криогенные установки по циклу высокого давления в двух базовых исполнениях: стационарную СКДС-100В и транспортабельную ТКДС-100В, размещенную в двух стандартных 20-футовых контейнерах. Станции предназначены для получения газообразного азота или кислорода под давлением, сжиженного азота или кислорода а также сухого воздуха высокого давления, свободного от примесей. По требованиям заказчиков возможно изготовление установок — модификаций базовых моделей.

Адсорбционные воздухоразделительные установки

Для потребителей газообразного азота и кислорода выпускаются адсорбционные воздухоразделительные установки. Их работа основана на селективном поглощении компонентов воздуха молекулярными адсорбентами по технологии Короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) или в английском варианте Pressure Swing Adsorption (PSA).

При прохождении сжатого воздуха через один из двух попеременно работающих адсорберов происходит преимущественное поглощение азота или кислорода (одновременно с водяными парами, двуокисью углерода и углеводородными соединениями) из воздуха, а оставшийся газ направляется потребителю. Регенерация адсорбента осуществляется при сбросе давления в адсорбере и его продувке. Рабочий процесс на осуществляется при положительной температуре в полностью автоматическом режиме.

К числу факторов, обеспечивающих конкурентоспособность установок КБА (PSA), относится их сравнительная дешевизна, простота монтажа, эксплуатации и технического обслуживания. Кроме того, установки этого типа отличает компактность оборудования, высокая степень безопасности, надежности, автоматизации технологического процесса (включая пуск и остановку), короткий период пуска и практически неограниченная продолжительность рабочей кампании.

Адсорбционный метод разделения воздуха в достаточно большом диапазоне производительности и концентрации отличается большей экономичностью по сравнению с криогенным методом, что связано с меньшим давлением в цикле. Однако этот метод не позволяет получать чистый технический кислород и сжиженные газы.

Установки КБА для производства кислорода

Воздухоразделительные установки КБА (PSA) предназначенные для получения кислорода, обеспечивают относительно невысокую концентрацию продукта (не более 95%). Эта величина в определенной степени ограничивает применение установок. Не смотря на ограничения по концентрации кислорода, спектр применения установок достаточно широк:

для получения кислорода для автогенных работ (за исключением автоматической резки металлов);
в силикатной промышленности и целлюлозно-бумажном производстве;
в рыбоводстве;
для обработки сточных вод и обеспечения кислородом озонаторных установок;
в процессе переработки органических отходов (пиролиз);
в микробиологических производствах;
в пищевой и фармацевтической промышленностях, в сельском хозяйстве;
в других областях для интенсификации технологических процессов.

Установки КБА для производства азота

Серийные воздухоразделительные установки, работающие по принципу КБА (PSA) и предназначенные для производства газообразного азота, обеспечивают чистоту продукта до 99,9995%. Применение дополнительных модулей позволяет получить ещё более чистый азот.

Установки применяются:

для обеспечения пожаро-взрывобезопасности во время проведения монтажных, профилактических и ремонтных работ на установках, блоках и элементах нефтегазового комплекса;
для создания «азотной подушки» при переливе и транспортировке нефтепродуктов;
для создания инертной среды в химических производствах при разделении сложных растворов и смесей, в том числе в лако-красочной промышленности;
для создания инертных сред в электронной промышленности;
в качестве средств пожаротушения и прекращения процессов тления в технологических процессах;
для упаковки пищевых продуктов;
в других областях для создания нейтральных сред.

Мембранные воздухоразделительные установки

Мембранные воздухоразделительные установки отличаются от остальных выдачей только одного целевого продукта – азота.
По составу оборудования мембранные установки аналогичны адсорбционным, только вместо адсорбционного блока разделения устанавливается блок со стандартными мембранными картриджами. Объем и чистота продуктового азота определяется производительностью компрессора, пропускной способностью мембранных картриджей и соотношением перерабатываемого и продуктового потоков.

Мембраны очень чувствительны к капельной влаге и маслу, поэтому установки эксплуатируются при температуре выше 0?С, а процессу подготовки воздуха уделяется особое внимание.

получение

Какие продукты разделения воздуха

Источник