Свит Т.Ф. Основы разделения воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова

Т.Ф. Свит

ОСНОВЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА

МЕТОДОМ ГЛУБОКОГО

ОХЛАЖДЕНИЯ И РЕКТИФИКАЦИИ

Учебное пособие

Барнаул 2005

УДК

Свит Т.Ф. Основы разделения воздуха методом глубокого

охлаждения и ректификации: учебное пособие/ Алт. гос. техн. ун-т им.

И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005 – 132 с.

Описаны промышленные методы глубокого охлаждения и

ректификации воздуха с целью получения из него азота, кислорода и

других газов. Дана краткая

характеристика промышленных

воздухоразделительных установок. Приведены примеры

технологических расчетов циклов глубокого охлаждения,

материальных и тепловых балансов процессов ректификации воздуха.

Учебное пособие предназначено студентам специальности

«Химическая технология неорганических веществ»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………. 5

1 Свойства газов и их смесей………………………………… 7

1.1 Основные понятия……………………………………… 7

1.2 Уравнение состояния реальных газов…………………

1.3 Сжимаемость газов……………………………………... 10

1.4 Контрольные вопросы………………………………….. 12

2 Термодинамические основы глубокого охлаждения…….. 13

2.1 Понижение температуры газа при дросселировании…13

2.2 Виды эффектов Джоуля-Томсона……………………

…

2.3 Энтропийная диаграмма T–S…………………………... 19

2.4 Диаграмма I-T…………………………………………

…

2.5 Изоэнтропное расширение газов………………………. 22

2.6 Примеры решения задач……………………………….. 26

2.7 Контрольные вопросы………………………………….. 28

3 Холодильные циклы………………………………………... 30

3.1 Понятие об идеальном холодильном цикле…………... 30

3.2 Циклы глубокого охлаждения…………………………. 32

3.2.1 Виды циклов глубокого охлаждения. Основные

показатели циклов………………………………

…

3.2.2 Циклы с однократным дросселированием (цикл

Линде)………………………………………………

3.3 Цикл с дросселирование и предварительным

охлаждением воздуха……………………………………

3.4 Цикл с двумя давлениями……………………………… 42

3.5 Цикл среднего давления с расширением части

воздуха в детандере……………………………………..

3.6 Цикл высокого давления с детандером……………….. 46

3.7 Цикл низкого давления с турбодетандером (цикл

Капицы)………………………………………………….

3.8 Использование холодильных циклов для покрытия

холодопотерь в установках……………………………..

3.9 Сравнение холодильных циклов………………………. 50

3.10 Примеры решения задач………………………………

3.11 Контрольные вопросы………………………………… 59

4 Разделение воздуха методом низкотемпературной

ректификации………………………………………………..

4.1 Минимальная работа разделения воздуха…………….. 62

4.2 Зависимость между составами жидкого воздуха и

пара над ним……………………………………………..

4.3 Ректификация воздуха………………………………….. 66

4.4 Устройство ректификационной колонны. Принцип

работы и технологический режим…………………….

4.5 Контрольные вопросы………………………………….. 71

5 Очистка воздуха от примесей……………………………… 73

5.1 Очистка от пыли и осушка воздуха……………………

5.2 Очистка воздуха от ацетилена…………………………. 78

5.3 Контрольные вопросы………………………………….. 78

6 Типы воздухоразделительных установок…………………. 79

6.1 Контрольные вопросы………………………………….. 83

7 Схемы агрегатов разделения воздуха, действующие на

заводах синтетического аммиака…………………………..

7.1 Типы установок…………………………………………. 84

7.2 Схемы агрегатов разделения воздуха…………………. 85

7.3 Извлечение инертных газов из воздуха……………….. 96

7.3.1 Получение сырого аргона………………………

…

7.3.2 Получение технического и чистого аргона……... 99

7.3.3 Извлечение неоногелиевой смеси……………….. 100

7.3.4 Извлечение криптона из воздуха………………

…

101

7.4 Контрольные вопросы………………………………….. 102

8 Основы технологических расчетов процесса

ректификации воздуха………………………………………

103

8.1 Материальный баланс колонны двукратной

ректификации……………………………………………

103

8.2 Тепловые расчеты воздухоразделительных

установок………………………………………………...

106

8.2.1 Баланс холода……………………………………... 106

8.2.2 Уравнение теплового баланса

воздухоразделительной установки………………

108

8.2.3 Тепловой баланс колонны двукратной

ректификации……………………………………..

110

8.3 Номограмма Т-Р-Х-Y равновесной смеси

азот-кислород……………………………………………

111

8.4 Определение числа ректификационных тарелок……... 112

8.5 Примеры решения задач………………………………..

114

Литература…………………………………………………….. 131

Приложение А. Физические свойства газов………………… 132

ВВЕДЕНИЕ

Атмосферный воздух представляет собой смесь азота, кислорода,

аргона и других газов. Составные части воздуха не связаны между со-

бой химическим взаимодействием. Приближенно воздух можно рас-

сматривать как смесь только азота и кислорода, так как содержание в

воздухе аргона и других газов составляет менее 1 %. В этом случае

принимают объемное содержание

в воздухе азота 79 и кислорода 21 %.

Разделение воздуха на кислород и азот является довольно слож-

ной технической задачей. Практически осуществить разделение возду-

ха, находящегося в газообразном состоянии, очень трудно. Значитель-

но легче это сделать, если предварительно сжижать воздух и использо-

вать затем для разделения его на составные части различные темпера-

туры кипения

кислорода и азота. Жидкий азот, находясь под атмо-

сферным давлением, кипит при температуре минус 195,8

С, а жидкий

кислород – при температуре минус 182,9

С. Таким образом, между

температурами кипения этих сжиженных газов существует разница

почти в 13

С. Поэтому, если предварительно ожижить воздух, а затем

начать его постепенно испарять, то сначала будет испаряться преиму-

щественно азот, обладающий более низкой температурой кипения. По

мере испарения и улетучивания азота из жидкости она будет обога-

щаться кислородом. Повторяя этот процесс многократно, можно до-

биться желаемой степени разделения воздуха на азот и

кислород тре-

буемой чистоты.

С целью охлаждения воздуха до очень низких температур, при

которых он переходит в жидкое состояние, его сжимают компрессора-

ми, а затем расширяют. Жидкий воздух подвергают ректификации.

Этот способ получения азота и кислорода из воздуха называют спосо-

бом (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 практи-

чески в любых количествах. При этом расход электроэнергии состав-

ляет 0,4 – 1,6 кВт-ч на 1 м

кислорода, в зависимости от размеров и

технологической схемы установки.

Современные установки для получения азота, кислорода и редких

газов из воздуха можно разделить на три группы:

1) Кислородные установки для производства технического кисло-

рода (99,2% − 99,5% О

) и технологического кислорода (94% − 97%

2) Азото-кислородные и азотные установки.

3)Установки для получения редких газов.

Производительность различных установок колеблется в пределах

от 65 до 158000 м

/ч перерабатываемого воздуха.

Разделение воздуха осуществляют путем его ректификации при

температурах от −175

С до −190

С.

Для получения чистого азота в азотной промышленности приме-

няются азотно-кислородные установки БР-6, БР-9 и построенные ранее

аппараты типа Г-6800. Для получения технологического кислорода

применяют блоки разделения типа БР-1, КТ-3600 и другие.

1 СВОЙСТВА ГАЗОВ И ИХ СМЕСЕЙ

1.1 Основные понятия

Газы следует рассматривать как сильно перегретые и далекие от

состояния насыщения пары. Вследствие этого большинство промыш-

ленных газов, в отличие от паров, трудно превратить в жидкое состоя-

ние.

Основными факторами, характеризующими состояние данного

газа, являются давление, температура, удельный объем. Для паров,

кроме

этих трех величин, характерными являются еще температура

сжижения и энтальпия.

Процессы, характеризующиеся изменением этих факторов, назы-

ваются процессами изменения состояния газов и паров. Эти процессы

подчиняются ряду законов, на основе которых можно вести соответст-

вующие расчеты машин и аппаратов, в которых протекает данный

процесс.

Давление. Величина давления газа или

пара измеряется в различ-

ных единицах. В международной системе единиц (система СИ) давле-

ние измеряется в Паскалях (Па). В литературе до сих пор встречаются

другие единицы давления: техническая атмосфера (ат или кгс/см

миллиметр ртутного столба (мм рт. ст), миллиметр (метр) водяного

столба ( мм вод. ст).

Давление в 1 кгс/см

называется технической атмосферой. В за-

висимости от того начального уровня, от которого отсчитывается дав-

ление, различают давление абсолютное и избыточное. Давление, из-

меренное от нуля давлений (абсолютного вакуума), называется абсо-

лютным и обозначается ата. Давление, измеренное от атмосферного

давления, называется избыточным и обозначается ати. Манометр все-

гда показывает избыточное

давление, которое называют поэтому также

манометрическим. Для определения абсолютного давления нужно к

манометрическому давлению прибавить величину атмосферного баро-

метрического давления, выраженную в тех же единицах.

Если давление в сосуде ниже атмосферного, то газ или пар в нем

находятся в разряженном состоянии (под вакуумом).

Кроме технической, существует также физическая атмосфера, ко-

торая равна давлению столба ртути высотой 760

мм, измеренному при

температуре ртути 0

С на уровне моря и 45

географической широты.

Физическая атмосфера обозначается атм. Соотношение между раз-

личными единицами измерения давлений дано в таблице 1.1.

Таблица 1.1 − Соотношение между единицами давлений

Название

единицы

давления

Физическая

атмосфера

атм

Техническая

атмосфера

ат,

или кГ/см

мм рт. ст.

мм вод. ст.

м вод. ст.

Па

1 физиче-

ская атмо-

сфера(атм)

− 1,0332 760 10332 10,332 101325

1 техниче-

ская атмо-

сфера

1кг/см

0,968 − 735,6 10000 10 −

1мм рт.ст

(1тор)

0,001316 0,00136 − 13,595 0,013595 133,32

1 мм

вод. ст

0,0000968 0,0001 0,07356 − 0,001 9,806

1 м вод. ст

0,0968 0,1 73,56 1000 − 9806,6

1 бар

0,986923 1,0197 750,062 10197 10,197 10

Температура. Степень нагретости вещества называется темпе-

ратурой. Температура измеряется в градусах стоградусной шкалы (

С)

или в Кельвинах (К). В стоградусной шкале за 0 принята температура

таяния льда, а за 100

- температура кипения воды при атмосферном

давлении. Температура кипения азота равна 77,4 К, что соответствует

77,4−273,2 = -195,8

С.

Удельный объем. Удельным объемом называется объем 1 кг газа,

выраженный в кубических метрах. Он обозначается буквой υ. Удель-

ный объем (υ) и плотность газа (γ) являются величинами, обратными

друг другу.

Для смесей газов плотность(γ

см

) и удельный объем (υ

см

) равны,

соответственно:

см

= 0,01(γ

+ γ

+…….. γ

), (1.1)

см

=0,01(v

+ v

+…….. v

), (1.2)

где m

, m

… m

− содержание отдельных газов в смеси в процен-

тах к объему смеси;

, v

…..v

– удельные объемы газов в смеси, м

/кг.

Масса газовой смеси равна произведению объема газа на его

плотность. Например, если объем кислорода V = 6 м

, а плотность его

γ = 1,43 кг/м

, то масса равна 6·1,43 = 8,58 кг

Плотность и удельный объем газа зависят от температуры и дав-

ления. Поэтому в расчетах различных процессов всегда указываются

температура и давление, при которых они определены.

Для удобства расчетов принято приводить величины плотности и

удельного объема (объема) к нормальным условиям. За нормальные

условия для газов принимают 0

С (273 К) и давление 101,325 кПа или

0,1 МПа.

Для приведения объема газа к нормальным условиям пользуются

формулой:

)273(

273

⋅

, (1.3)

где V

− объем газа, приведенный к нормальным условиям;

– объем газа при температуре t и давлении P

;

– абсолютное давление, при котором измерен объем газа;

– абсолютное давление, принятое за нормальное давление,

равное 101,325кПа (1атм).

При использовании формулы (1.3) P

и P

нужно брать в одинако-

вых единицах, t – в градусах Цельсия.

В приложении А приведены свойства некоторых газов.

1.2 Уравнение состояния реальных газов

Свойства реальных газов при низких температурах и высоких

давлениях значительно отличаются от идеальных газов. Поведение

реальных газов при различных условиях хорошо отражает уравнение

Ван-дер-Ваальса:

( )( )

RTвv

P =−+

, (1.4)

где Р – давление газа;

v – удельный объем;

Т – температура, К;

R – газовая постоянная;

а и b – константы уравнения Ван-дер-Ваальса.

Это уравнение учитывает влияние сил взаимного притяжения

между молекулами (величина a /v

называется молекулярным давлени-

ем), а также собственный объем молекул газа b.

Критическое состояние вещества характеризуется определенной

для каждого вещества критической температурой Т

. При температу-

ре выше критической вещество, независимо от давления, может нахо-

диться только в газообразном состоянии.

Давление насыщенного пара над жидкостью при критической

температуре называется критическим давлением Р

.Объем единицы

массы газа в критическом состоянии называется критическим объемом

Отношения давления, объема и абсолютной температуры газа при

данных условиях к его критическим параметрам называются соответ-

ственно приведенным давлением (π), приведенным объемом (φ) и при-

веденной температурой (τ).

;

. (1.5)

Выраженные через постоянные Ван-дер-Ваальса, критические па-

раметры газа имеют значения:

;

27b

Р =

;3b

V =

. (1.6)

Если вместо переменных v, Р и Т внести приведенные значения

(ϕ, π, τ) и выразить а и b в уравнении (1.1) через критические парамет-

ры, можно написать приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса :

()

τϕ

813

=−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

1.3 Сжимаемость газов

В зависимости от температуры, давления и свойств реальных га-

зов уменьшение их объема может быть больше или меньше, чем для

идеального газа.

Отклонение состояния реальных газов от законов, которым под-

чиняются идеальные газы, принято характеризовать степенью сжи-

маемости или коэффициентом сжимаемости ε.

Степень сжимаемости определяется соотношением: