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

Подождите немного. Документ загружается.

Вследствие неполного тепло- и массообмена между паром и жид-

костью пар всегда содержит больше кислорода и меньше азота, чем это

должно быть по условиям равновесия.

Отношение действительного увеличения содержания азота в паре

при прохождении его через тарелку к теоретическому, определяемому

по равновесному состоянию, называется коэффициентом обогащения

или коэффициентом полезного действия (к

.п.д.) тарелки.

К.п.д. тарелки зависит от ее конструкции. Величина к.п.д. для та-

релок воздухоразделительных аппаратов колеблется в пределах от 0,2

до 0,8. Чем ниже к.п.д. тарелки, тем большее количество тарелок

должна иметь ректификационная колонна для обеспечения получения

азота и кислорода заданной чистоты.

В современных колоннах

число тарелок обычно составляет от 36

до 48 штук, в некоторых аппаратах число тарелок иногда достигает 80

штук.

Пары поднимаются вверх в колонне с определенной скоростью.

Для ректификационных колонн установок низкого давления средняя

скорость паров может приниматься в пределах 0,25−0,8 м/с; для уста-

новок высокого давления 0,1−0,2 м/с.

4.5 Контрольные вопросы

1) Дайте определение теоретической минимальной работе для

разделения воздуха. Напишите выражение для расчета теоретической

минимальной работы (расхода энергии) на разделение воздуха. При-

ведите пример расчета.

2) Изобразите в координатах Т – состав кривые равновесия сис-

темы азот-кислород при различных давлениях. Что показывают эти

кривые? Какой вывод можно сделать о влиянии давления

на процесс

ректификации воздуха?

3) Изобразите диаграмму X-Y для системы азот-кислород при

различных давлениях. Назовите равновесный состав пара над жидким

воздухом при нормальном давлении. Как изменяется состав пара при

изменении давления?

4) Какой процесс называется ректификацией? В чем заключается

сущность процесса ректификации воздуха?

5) Опишите устройство, принцип работы и технологический ре-

жим

колонны однократной ректификации воздуха. Какой состав имеют

продукты разделения?

6) Опишите устройство и принцип работы колонны двукратной

ректификации воздуха. Каков режим работы колонны? Ответ поясните.

7) От каких факторов зависит давление в нижней колонне аппа-

рата двукратной ректификации воздуха? Чему оно равно? При каком

давлении работает верхняя колонна? Чем оно определяется?

8) Опишите устройство и принцип работы ректификационных

тарелок. От каких

факторов зависит число тарелок в колонне, чему оно

равно в современных аппаратах? Какие параметры технологического

режима принимаются во внимание при определении размера колонн?

5 ОЧИСТА ВОЗДУХА ОТ ПРИМЕСЕЙ

Перед поступлением в разделительный аппарат (блок разделения)

воздух должен быть тщательно очищен от механических примесей,

пыли, влаги, углекислого газа, ацетилена и других примесей.

Состав сухого воздуха, % (объёмные):

Азот 78,09 Криптон 1,08·10

-4

Аргон 0,93 Ксенон 0,9·10

-5

Водород 5·10

-5

Неон 18·10

-4

Гелий 5,1·10

-4

Озон 1·10

-6

Кислород 20,95 Оксид углерода (IV) 0,03

5.1 Очистка от пыли и осушка воздуха

Содержание пыли в воздухе находится в пределах 0,002−0,02 г/м

При больших количествах перерабатываемого воздуха такое количест-

во пыли может быстро привести к загрязнению компрессора. Для очи-

стки воздуха от пыли служат масляные фильтры, устанавливаемые на

всасывающем трубопроводе компрессора.

Наиболее употребительные фильтры – это висциновые. Конст-

рукция их простая. Между двумя дырчатыми стальными листами по-

мещаются 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 само-

очищающиеся фильтры с передвигающимися фильтрующими сетками.

Очистка воздуха от СО

и водяных паров должна быть, по воз-

можности, наиболее тщательной, так как эти примеси, попадая в воз-

духоразделительный аппарат, замерзают там при низких температурах.

Отложения льда воды происходит при более высоких температурах,

чем отложения СО

. Лёд воды, отлагающийся на трубках теплообмен-

ников, постепенно заполняет сечение трубок, проникает в дроссельный

вентиль, отлагается на нем и приводит к остановке всей установки.

Лёд углекислоты отлагается в жидкости испарителя, попадает в

ректификационную колонну и, наконец, накапливается в жидком ки-

слороде в конденсаторе. Забивка тарелок колонны твердой углекисло-

той нарушает

работу установки. Замерзает углекислота при температу-

ре минус 56,6

С (при давлении 0,528 МПа); при давлении 0,1 МПа

температура сублимации СО

минус 78,9

С.

Очистка воздуха от СО

может производиться растворением её в

жидкости (процесс абсорбции) и вымораживанием. Степень очистки

воздуха от СО

составляет 90-93 %; количество СО

в очищенном воз-

духе – 0,002-0,003 %.

Очистка воздуха от СО

на современных крупных установках

производится в скрубберах, орошаемых раствором едкого натра, или в

регенераторах, где СО

вымораживается, отлагаясь на холодной насад-

ке регенератора при прохождении через него воздуха, а затем уносится

обратным потоком кислорода или азота в период отогрева регенерато-

ра. Содержание СО

после скрубберов составляет примерно 15–20

см

/м

воздуха.

Регенераторы, в которых происходит вымораживание СО

, рабо-

тают при давлении поступающего воздуха 0,6 МПа. В этих условиях

парциальное давление СО

в воздухе составляет 173,3 Па; оно соответ-

ствует температуре возгонки СО

(145 К). Таким образом, СО

выделя-

ется на насадке нижней части регенератора при температурах от 143 до

103 К. При этом после регенераторов остается СО

15–20 см

/м

возду-

ха.

Оставшийся СО

частично растворяется в жидкости в испарителе

нижней ректификационной колонны, остальная часть находится в воз-

духе в виде взвешенных твердых частичек, которые могут забивать

дроссельные вентили и тарелки ректификационной колонны. Поэтому

на ряде установок перед дроссельными вентилями устанавливают

фильтры для улавливания твердых частичек СО

. Эти фильтры изго-

тавливаются из пористой керамики или пористой бронзы, получаемой

методом порошковой металлургии (спекание порошкообразной оловя-

нистой или фосфористой бронзы при высокой температуре).

Осушка воздуха. Содержащиеся в воздухе паря воды, попадая в

теплообменники блока глубокого охлаждения, превращаются в лёд и

тем самым замораживают аппаратуру.

Количество влаги, содержащееся в воздухе,

зависит от темпера-

туры и относительной влажности воздуха. Относительной влажностью

называется отношение количества водяных паров, содержащихся в

воздухе, к количеству паров, насыщающих его при данной температу-

ре. Для средней полосы России относительная влажность воздуха ко-

леблется в пределах от 0,6 до 0,7. Содержание влаги в воздухе при его

полном насыщении и различных температурах приведено в таблице

5.1:

Таблица 5.1 – Количество влаги, насыщающей 1 м

воздуха

при различных температурах

Т, К

Содержание

влаги, г/м

Т, К

Содержание

влаги, г/м

313 50,91 263 2,31

303 30,21 253 1,01

293 17,22 243 0,44

283 9,30 233 0,117

273 4,89 223 0,038

Из приведенных данных видно, что при понижении температуры

воздуха от + 30 до – 40

С количество водяных паров в воздухе умень-

шается с 30,21 до 0,117 г/м

, т.е. на 99,7 %.

Для осушки воздуха применяются физические и химические ме-

тоды. К физическим методам относятся:

1) вымораживание влаги в попеременно работающих теплооб-

менниках; в этом случае воздух сильно охлаждается в теплообменнике,

и содержащаяся в нем влага выпадает в виде инея или снега;

2) поглощение влаги из воздуха в адсорберах, заполненных

сили-

кагелем или активным глинозёмом, алюмогелем – (активированным

оксидом алюминия).

Силикагель (SiO

·H

О) получают обезвоживанием геля кремние-

вой кислоты. Размер зерен силикагеля – от 3 до 7 мм. После осушки

силикагелем содержание влаги в воздухе не превышает 0,03 г/м

, что

соответствует точке росы 221 К.

Активный глинозём (92 % Al

·H

O, остальное - SiO

, Na

FeO) получают обезвоживанием гидроксида алюминия. Активный гли-

нозем обладает большей механической прочностью, чем силикагель, и

лучше поглощает влагу.

После осушки активным глинозёмом влажность воздуха снижает-

ся до 0,005 г/м

, что соответствует точке росы 210 К.

Регенерацию адсорбентов производят азотом, нагретым до 440–

450

С при осушке силикагелем и до 520–540

С при осушке активным

глинозёмом.

Для адсорбции влаги могут применяться также синтетические це-

олиты, представляющие собой кристаллические алюмосиликаты на-

трия или калия, которые характеризуются исключительной однородно-

стью размеров пор.

Вымораживание. На некоторых установках разделения воздуха,

работающих по циклу с двумя давлениями и аммиачным охлаждением,

осушку воздуха производят в теплообменниках. Обычно воздух охла-

ждается сначала отходящим кислородом или азотом до 280 К, затем

кипящим аммиаком до температуры 235–230 К.

В крупных установках

для получения азота и технологического

кислорода влага вымораживается в регенераторах. При температуре до

273 К на холодной поверхности насадки регенератора влага воздуха

конденсируется в виде воды, при температуре до 240 К конденсируется

переохлажденная вода, при более низких температурах образуется лёд.

Регенератор снабжен насадкой в виде дисков из свернутой по

спирали гофрированной алюминиевой

ленты толщиной 0,46 мм и вы-

сотой 50 мм. Насадкой заполняют регенераторы агрегатов Кт-12, Кт-35

и др. Удельная поверхность 1 м

дисковой насадки составляет 1200 м

В регенераторы агрегатов АКт-16 и АКт-17 встроены теплообменные

поверхности. В качестве насадки таких регенераторов применяются

кусковой базальт или гранит (размеры кусков от 4 до 10 мм).

В регенераторы сверху вниз подается воздух (прямой поток) под

давлением 0,6 МПа, а через каждые 3–9 минут – кислород или азот

(обратный поток) под давлением 0,11 – 0,12 МПа.

Во избежание забивки

(замерзания) регенератора необходимо

обеспечить удаление обратным потоком газа всех примесей, накапли-

вающихся на насадке во время прохождения через регенератор прямо-

го потока. Чем больше отношение объёма обратного потока газа к объ-

ёму прямого потока и меньше разность температур между потоками,

тем полнее происходит самоочистка регенератора.

Сближение температур прямого и обратного

потоков в холодной

зоне регенератора может быть достигнуто за счет увеличения обратно-

го потока или уменьшения прямого потока, проходящего по этой зоне.

В первом случае в регенераторе с холодного конца вводится, а из сере-

дины отводится дополнительный «петлевой» поток. Во втором случае

из середины регенератора отбирается часть прямого потока воздуха.

На

ряде установок вместо регенераторов устанавливаются пла-

стинчато-ребристые теплообменники. Они отличаются компактностью,

удельная поверхность их достигает 2000–4000 м

/м

, что во много раз

превышает удельную поверхность всех остальных видов теплообмен-

ников. Для кожухотрубных теплообменников удельная поверхность

колеблется от 50 до 200 м

/м

. Базальтовая насадка регенераторов ве-

личиной 5–10 мм имеет поверхность 500–600 м

/м

, а дисковая алюми-

ниевая насадка – 1000–1300 м

/м

В пластинчато-ребристых теплообменниках возможно осуществ-

лять теплообмен между несколькими теплоносителями в одном блоке,

что достигается соответствующей конструкцией коллекторов.

Применение пластинчато-ребристых теплообменников вместо ре-

генераторов значительно уменьшает габаритные размеры аппарата и

его массу. Большая длительность периода между переключениями по-

токов в реверсивных теплообменниках воздухоразделительных устано-

вок (до 30 мин вместо 3–9)

приводит к уменьшению потерь сжатого

воздуха в 2–2,5 раза по сравнению с потерями в регенераторах. По сво-

ей конструкции пластинчато-ребристые теплообменники могут быть

прямоточными, противоточными и поперечноточными.

При химическом методе осушки происходит поглощение влаги с

помощью твердого гидроксида натрия, гидроксида калия или хлорида

кальция. Химические методы применяются в небольших кислородных

установках

Следует отметить, что с повышением давления воздуха объем его

уменьшается и, следовательно, уменьшается количество влаги, насы-

щающей новый объем, занимаемый воздухом. При сжатии воздуха

большая часть влаги, содержащейся в нём, выделяется в холодильни-

ках компрессора. Так, например, при температуре 30

С и относитель-

ной влажности φ = 60 % в 1000 м

воздуха содержится влаги до посту-

пления в компрессор

=1000

1000

21,30

60,0

273

303

= кг.

Если этот воздух сжимается в компрессоре до 20 МПа, то его

объем уменьшается до:

1,01000

⋅

Количество влаги в нём при полном насыщении

W=5

0,0302=0,151 кг,

т.е. в компрессоре было удалено влаги:

- W=20-0,151= 19,849 кг.

И должно быть удалено только 0,151 кг водяных паров.

В случае, если воздух сжимается до 0,55 МПа, то объем воздуха

после компрессора при 30

С равен:

2.20

273

303

055

1,01000

=⋅

⋅

Количество влаги в нём при полном насыщении ею воздуха:

W=20,2

0,0302 = 0,61 кг.

Т.е. в компрессоре выделяется влаги 20,2-0,61=19,59 кг

и 0,61 кг должно быть удалено осушкой.

Осушка воздуха в вымораживателях значительно более эффек-

тивна, чем осушка с помощью щелочи. При охлаждении воздуха до

минус 45

С в нём будет содержаться примерно 1/30 того количества

водяных паров, которое остается при применении химического метода

осушки.

5.2 Очистка воздуха от ацетилена

Большое значение для безопасной работы воздухоразделительных

агрегатов имеет очистка воздуха от ацетилена. Накопление большого

количества ацетилена может привести к взрыву. Вследствие малого

парциального давления ацетилен не выделяется из воздуха в теплооб-

менниках и регенераторах.

Растворимость ацетилена в жидком воздухе, азоте и кислороде

очень мала и поэтому по насыщении жидкости ацетилен быстро

выде-

ляется из неё в твердом виде.

В настоящее время основным способом защиты воздухораздели-

тельных агрегатов от попадания в них ацетилена является адсорбция

его силикагелем. Обычно ацетилен адсорбируется из жидкости испа-

рителя при переходе её из нижней колонны в верхнюю или из газа,

направляемого к детандеру.

5.3 Контрольные вопросы

1) Назовите примерный состав и содержание примесей (пыли, уг-

лекислоты, паров воды, ацетилена и др.), содержащихся в воздухе, по-

ступающем в воздухоразделительный агрегат. Какую роль играют

примеси в процессе ректификации?

2) Перечислите методы, используемые в современных установках

для очистки воздуха от примесей. Какие фильтры применяются для

очистки воздуха от пыли? Дайте их

характеристику.

3) Опишите адсорбционные методы, применяемые с целью осуш-

ки воздуха. Назовите остаточное содержание влаги в воздухе после его

осушки. Как производят регенерацию адсорбентов?

4) Опишите метод вымораживания влаги из воздуха. Как осуще-

ствляется очистка воздуха от углекислого газа и ацетилена на совре-

менных крупных установках?

6 ТИПЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Продукты разделения воздуха находят широкое применение в

различных отраслях промышленности. Технологический кислород 95–

98 % О

расходуется в больших количествах для газификации низко-

сортного твердого и жидкого топлива, конверсии углеводородов, тер-

моокислительного пиролиза метана, этана и пропана, в процессе пря-

мого синтеза концентрированной азотной кислоты, при выплавке чу-

гуна и стали и т.д. Азот высокой чистоты (99,99 % N

) необходим в

больших количествах для синтеза аммиака и выделения водорода из

газовых смесей, получения цианамида кальция и других продуктов.

Применяемые в промышленности агрегаты разделения воздуха

различаются между собой способами получения холода (холодильны-

ми циклами), методами очистки его от водяных паров, а также систе-

мой ректификации.

Выбор холодильного цикла и аппаратурное

оформление процесса

разделения воздуха определяются производительностью агрегатов. В

установках малой производительности (до 150 м

/ч воздуха) для полу-

чения холода преимущественно применяют холодильный цикл высо-

кого давления; водяные пары из воздуха поглощаются каустиком или

хлористым кальцием, а углекислый газ – водным раствором едкого

натра.

Более экономичный холодильный цикл среднего давления с

поршневым детандером используется в установках большей произво-

дительности (например, 500 м

/ч воздуха). В этих установках очистка

воздуха от углекислого газа производится 10–12 %-ной щелочью,

осушка – силикагелем, а иногда – вымораживанием.

В более крупных установках (1500–5000 м

/ч ) в связи со сниже-

нием удельных потерь холода представляется возможным сжимать до

высокого давления только 10–20 % разделяемого воздуха, часть кото-

рого пропускается через детандер. В этом случае очистке щелочью и

специальной осушке подвергается только воздух высокого давления,

воздух низкого давления очищают вымораживанием одновременно с

его охлаждением в регенераторах.

При производительности

установок более 17500–20000 м

/ч воз-

духа удельные потери холода снижаются настолько, что полностью

отпадает необходимость в холодильном цикле воздуха высокого дав-

ления. Весь охлаждаемый воздух очищается в регенераторах, в кото-

рых одновременно вымораживаются углекислый газ и водяные пары.

Холод, необходимый для процесса разделения, получают при расши-

рении части воздуха в турбодетандерах, характеризующихся высоким

коэффициентом полезного действия.

Отечественные установки низкого давления для получения газо-

образного технического кислорода рассчитаны на получение от 3500

до 15000 м

/ч кислорода.

Для получения чистого азота применяются отечественные уста-

новки низкого давления типов БР-6 и БР-9.

Для получения технологического кислорода используются уста-

новки типов КТ-3600, БР-5, БР-1, БР-2 и др.

Характеристика установок для получения азота и кислорода при-

ведена в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Характеристика воздухоразделительных установок

для получения азота и

кислорода

Тип установки

Количество

перерабатывае-

мого воздуха,

/ч

Производительность, м

/ч

Удельный расход

электроэнергии,

МДж/м

высокого

давления

(20 МПа)

низкого

давления

(0,6 МПа)

99,998 %

92 – 98 %

99,5 %

0,1 %

(Kr+Xe)

Г-6800 1400 5400 5200 − − − −

КТ-3600 1000 19000 − 3600 − 15 2,0

БР-5 − 30000 − 4700 300 20 1,70

БР-6 − 43000 15000 7800 160 − 1,73

БР-1 − 62500 − 12500 500 55 1,62

БР-1А − 62500 3000 12500 300 60 −

БР-9 − 84000 16000 12500 3500 70 1,85

БР-2 − 160000 − 23800 11000 125 1,52

Агрегат Г-6800 предназначен для получения чистого 99,95–99,99

% азота. Производительность его составляет 6800 м

/ч перерабатывае-

мого воздуха. Агрегат работает по циклу двух давлений с промежуточ-

ным аммиачным охлаждением воздуха высокого и низкого давлений.

Установка типа Кт-3600 работает по циклу с двумя давлениями, с

аммиачным охлаждением воздуха высокого давления и регенератора-

ми на потоке воздуха низкого давления. Потери холода компенсируют-