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

Подождите немного. Документ загружается.

ся за счет дросселирования сжатого воздуха и расширения части воз-

духа в детандере.

Установки БР-6 и БР-9, работающие по циклу низкого давления

(цикл П.Л. Капицы), применяются для получения чистого азота и тех-

нологического кислорода.

Агрегат БР-1 получил широкое распространение для получения

технологического кислорода из воздуха на азотнотуковых заводах, ис-

пользующих в качестве сырья природный газ.

Удельные потери холода уменьшаются с увеличением производи-

тельности установок.

Так, например, при переработке 2000 м

/ч воздуха удельные по-

тери холода составляют 14,9 кДж/м

, а при переработке 10000 м

/ч воз-

духа они снижаются до 12,4 кДж/м

. Уменьшение потерь холода от

недорекуперации достигнуто в результате замены рекуперативных те-

плообменников регенераторами.

Стоимость продуктов разделения воздуха зависит от схемы про-

изводства и производительности установки. Если принять условно

стоимость 1 кВт-ч электроэнергии за 1, то стоимость 1 м

азота (99,99

% N

), получаемого на установках Г-6800, БР-6 и БР-9, составляет со-

ответственно 0,654; 0,436; 0,385.

Стоимость технологического кислорода (95 % О

) при такой же

стоимости электроэнергии на установках КТ-3600 составляет 1,538, а

на наиболее мощных установках БР-2 снижается до 0,846.

Стоимость же технического кислорода (99,5 % О

) на этих же ус-

тановках составляет соответственно 1,769 и 0,949 (от стоимости 1 кВт-

ч электроэнергии) за 1 м

В таблице 6.2 приведены основные элементы себестоимости про-

дуктов разделения воздуха (в %) в различных воздухоразделительных

установках.

Таблица 6.2

Статья расхода

Блоки разделения воздуха

КТ-3600 БР-5 БР-1 БР-9 БР-2

Электроэнергия 56,3 59,2 61,4 63,0 70,2

Водоснабжение 2,8 3,8 3,5 2,8 0,9

Теплоснабжение 0,5 0,4 0,5 0,4 0,4

Амортизационные

отчисления

16,8 18,0 17,7 17,5 12,6

Продолжение таблицы 6.2

Ремонт зданий

и сооружений

2,2 1,2 1,1 1,4 1,5

Зарплата

с начислениями

6,7 3,8 2,2 1,4 1,0

Масла, силикагель

и др. материалы

1,3 0,2 0,2 0,1 −

Цеховые расходы 4,3 4,3 4,3 4,3 4,3

Общезаводские

расходы

9,1 9,1 9,1 9,1 9,1

Итого 100 100 100 100 100

Как видно из таблицы 6.2, наибольшую долю эксплуатационных

расходов составляет стоимость электроэнергии.

Доля энергетических затрат на получение продуктов в установках

разделения воздуха (в %), приведена в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Продукты

Блоки разделения воздуха

БР-5 БР-1 БР-1А БР-6 БР-2

Кислород

технологический

87,6 90,3 81,4 74,7 61,6

Кислород

технический

5,6 4,6 4,1 1,7 32,4

Азот 4,3 2,3 11,8 23,6 3,7

Криптоно-ксеноновая

смесь

2,5 2,8 2,7 − 2,3

Итого 100 100 100 100 100

При разделении воздуха одновременно с кислородом и азотом в

качестве побочных продуктов можно получать аргон, криптон, ксенон

и неон. Эти газы применяются в металлургических и химических про-

цессах: аргонно-дуговой сварке алюминиевых и алюмо-магниевых

сплавов, в светотехнике (лампы накаливания, разрядные трубки), в

электронной технике (наполнение тиратронов и др.), в

ядерной технике

(ионизационные счетчики и камеры и т.п.).

6.1 Контрольные вопросы

1) Назовите виды воздухоразделительных установок. Чем они

различаются между собой? Дайте их сравнительную характеристику.

2) Чем определяются выбор холодильного цикла и аппаратурное

оформление процессов разделения воздуха. Приведите примеры.

3) Какие установки по разделению воздуха применяются на азот-

но-туковых заводах? Опишите их.

4) Чему равны удельные холодопотери на современных установ-

ках по разделению

воздуха? От чего они зависят?

5) Какие факторы влияют на стоимость продуктов разделения

воздуха? Приведите примеры.

7 СХЕМЫ АГРЕГАТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА,

ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЗАВОДАХ СИНТЕЗА АММИАКА

7.1 Типы установок

Установки для разделения воздуха и получения чистого азота

(99,99 % N

) сооружаются на заводах синтеза аммиака.

Технологический кислород (95–98 % О

) широко применяется в

процессах конверсии углеводородных газов (природного и попутного)

и при газификации топлив с целью получения исходного газового сы-

рья для синтеза аммиака и спиртов. Кислород необходим для катали-

тической конверсии природного газа, получения ацетилена методом

термоокислительного пиролиза метана природного газа, прямого син-

теза концентрированной азотной кислоты и др.

процессов.

Выпускаемые в настоящее время аппараты имеют следующие ус-

ловные обозначения по типажу: А–газообразный азот, К–технический

кислород 99,2–99,5 %, Кт–технологический кислород, Ар–аргон, Аж и

Кж–жидкие азот и кислород.

Для получения чистого азота применяются установки низкого

давления типов АКт-16 и АКт-17, выпуск более старых установок пре-

кращен.

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-

ся за счет дросселирования сжатого воздуха и расширения части воз-

духа в детандере.

Установка глубокого охлаждения состоит из многих элементов,

которые могут быть объединены в следующие

группы:

1) машинное отделение – компрессоры и детандеры;

2) вспомогательное оборудование – аппараты для предваритель-

ной обработки воздуха;

3) основное оборудование – теплообменники, испарители конден-

саторы, дефлегматоры, ректификационные и промывные колонны;

4) оборудование для хранения и транспортировки газов в газооб-

разном и жидком состоянии;

5) контрольно-измерительные приборы.

Машинное оборудование – компрессоры и детандеры – является

одним из

наиболее ответственных элементов установки глубокого ох-

лаждения.

Блок разделения, состоящий из теплообменников, испарителя,

конденсаторов, колонн со всей коммуникацией, представляет собой

центральную часть установки. От технологической схемы, правильно-

го выбора параметров, размеров аппаратов зависит эффективность

процесса получения конечных продуктов.

Большое значение для бесперебойной работы установки имеет

вспомогательное оборудование для предварительной обработки газов –

очистки их от углекислоты и осушки.

крупных установках обходятся без специальной аппаратуры

для предварительной обработки воздуха, а очистку от углекислоты и

осушку производят в вымораживателях и регенераторах, которые од-

новременно являются теплообменными аппаратами.

Хранение и транспортировка газов в газообразном и жидком со-

стояниях представляют собой неотъемлемую часть заводов. Для хра-

нения и транспортировки газов в жидком

состоянии применяются ста-

ционарные и транспортные танки; для хранения их в газообразном со-

стоянии применяются стальные баллоны, в которых газ хранится под

давлением 15 МПа.

7.2 Схемы агрегатов разделения воздуха

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

99,99%-ного азота. Производительность его составляет 6800 м

/ч пере-

рабатываемого воздуха. Агрегат работает по циклу двух давлений с

промежуточным аммиачным охлаждением воздуха высокого и низкого

давления.

Схема агрегата показана на рисунке 7.1.

Для сжатия воздуха служит пятиступенчатый компрессор 16. По-

сле двух ступеней сжатия воздух проходит последовательно скрубберы

17, орошаемые раствором NaOH для поглощения СО

. После декарбо-

низации, пройдя ловушку 13, воздух разделяется на два потока: 80 %

его поступает в теплообменник 1 воздуха низкого давления, остальные

20 % воздуха сжимаются в 3–5 ступенях компрессора 16 до давления

10–18 МПа (в пусковой период до 20 МПа).

Воздух высокого давления проходит кислородный теплообмен-

ник 15, где охлаждается до 261 К кислородом, идущим из блока разде-

ления, затем

поступает в аммиачный холодильник 12, где охлаждается

кипящим аммиаком до 230 К. При этом из воздуха выделяются водя-

ные пары.

Рисунок 7.1 – Схема агрегата Г-6800

Воздух низкого давления в теплообменнике 1 охлаждается азо-

том, идущим из блока разделения, до 253 К, затем поступает в один из

аммиачных теплообменников 2, охлаждаясь до 230 К. Влага отделяется

в водоотделителе 3. Далее оба потока воздуха направляются в блок

разделения.

Воздух низкого давления охлаждается до 173 К, проходя по меж-

трубному пространству одного из теплообменников "

теплой ветви" 4,

затем поступает в теплообменник "холодной ветви" 5. В этих теплооб-

менниках воздух охлаждается холодным азотом, выходящим из верх-

ней части колонны 8.

Теплообменники 1, 2, 4, 15–парные и работают поочередно. Раз-

мораживание предварительных теплообменников 1 производится теп-

лым воздухом, теплообменников 15 – кислородом, подогретым в кало-

рифере 14, аммиачных холодильников 2 и 12 – аммиаком под давлени-

ем 0,8–0,9 МПа, а теплообменников

"теплой ветви" 4–подогретым азо-

том.

Воздух низкого давления, выходящий из теплообменника "холод-

ной ветви" 5 при температуре, близкой к температуре его насыщения,

поступает в нижнюю часть ректификационной колонны 9.

Воздух высокого давления по выходе из теплообменника 12 ох-

лаждается в трубках якорного теплообменника 10 кислородом, движу-

щимся в межтрубном пространстве, и частью отводимого азота.

После

якорного теплообменника воздух проходит змеевик испарителя ниж-

ней колонны 9, дросселируется до 0,6 МПа и поступает на 6 тарелку

этой колонны. В колонне 9 установлены 24 тарелки.

Обогащенный кислородом жидкий воздух, содержащий 37–40 %

, собирается в испарителе нижней колонны, после чего проходит

адсорберы ацетилена 11, дросселируется с 0,6 до 0,15–0,17 МПа и по-

ступает на 27 тарелку верхней колонны 8.

Поднимающиеся по тарелкам нижней колонны пары обогащают-

ся азотом. Газообразный азот поступает в трубки основного конденса-

тора 6 и дополнительного конденсатора 7. Конденсаторы изготовлены

из медных трубок. В основном конденсаторе имеется 7000

трубок диа-

метром 6 и длиной 1275 мм, в дополнительном конденсаторе – 3000

трубок длиной 1665 мм. Часть жидкого азота стекает из конденсатора в

нижнюю колонну, часть – в карманы конденсатора, откуда после дрос-

селирования поступает на орошение верхней колонны 8, где происхо-

дит окончательная ректификация жидкости. В верхней колонне уста-

новлено 36 ректификационных тарелок.

В настоящее время агрегаты Г-6800 не выпускаются. Для получе-

ния чистого азота и технологического кислорода применяются агрега-

ты, работающие по циклу низкого давления (цикл Капицы).

Установка АК

-16-2 применяется для получения чистого азота

(99,998 % N

), технологического кислорода (95 % О

), технического

кислорода (99,7 % О

) и неоно-гелиевой смеси. Они заменяют ранее

выпускавшиеся установки БР-6, БР-6М и АКт-16-1.

Схема установки АКт-16-2 показана на рисунке 7.2

Рисунок 7.2 – Схема установки Акт-16-2

Сжатый в турбокомпрессоре (на схеме не показан) воздух под

давлением 0,6 МПа проходит систему азотно-водяного охлаждения 1 и

поступает в кислородные 2 и азотные 3 регенераторы. Количество пе-

рерабатываемого воздуха составляет 48500 м

/ч. Регенераторы запол-

нены базальтовой насадкой размерами 4–8 мм (90–95 % объема) и 2–4

мм (5–10 % объема). Внутри насадки расположены змеевики алюми-

ниевых трубок, через которые проходят чистый азот, технический ки-

слород и сухой воздух. В азотных регенераторах через насадку прохо-

дит обратный поток загрязненного азота, в кислородных регенераторах

– технологический кислород. Регенераторы переключаются через 9–15

минут.

Проходящие по трубкам потоки поступают как во время прямого

(дутьё воздухом), так и обратного хода.

В регенераторах воздух охлаждается до 100 К, из него выморажи-

ваются влага и оксид углерода (IV), которые осаждаются на каменной

насадке и наружной

поверхности змеевиков регенераторов.

Во избежание замерзаемости регенераторов (т.е. чтобы обратный

поток удалил с насадки твердые отложения – лёд и СО

) часть воздуха

(так называемый "петлевой поток") в количестве 4300 м

/ч отбирается

из середины регенератора через принудительные клапаны при давле-

нии 0,6 МПа и температуре 148 К, что обеспечивает отсутствие влаги в

воздухе, и направляется в один из переключающихся газовых адсорбе-

ров 4. В адсорберах из "петлевого" воздуха адсорбируется углекислый

газ. На выходе из адсорберов "петлевой поток" соединяется с потоком

воздуха, поступающего из

нижней колонны 19 в турбодетандер 5.

Основной поток воздуха охлаждается в регенераторах до состоя-

ния сухого насыщенного пара и поступает в куб нижней колонны,

имеющей 36 тарелок. Кубовая жидкость содержит 39-40 % О

На нижних трех промывных тарелках из воздуха удаляются час-

тички СО

, унесенные из регенераторов. Часть воздуха (9600 м

/ч) от-

бирается после трех тарелок, проходит отделитель пара 20, соединяет-

ся с "петлевым потоком" воздуха и поступает в один из турбодетанде-

ров. Второй турбодетандер – резервный. Воздух в турбодетандере

расширяется до давления 0,14 МПа и охлаждается до 91 К.

Из турбодетандера воздух поступает на 14 тарелку верхней ко-

лонны 9.

Кубовая жидкость из нижней колонны

проходит через змеевики

переохладителя кубовой жидкости 7, адсорбер кубовой жидкости 8 и

после дросселирования отводится в верхнюю колонну 9.

Из средней части нижней колонны отбирается "грязная" флегма и

подается в среднюю часть верхней колонны на тарелку вывода отброс-

ного азота.

Пары азота из верхней части нижней колонны поступает в меж-

трубное пространство основного конденсатора

10, а затем в межтруб-

ное пространство выносного конденсатора 11.

Жидкий азот из конденсаторов стекает в сборник, расположенный

в верхней части нижней колонны. Из сборника чистая азотная флегма

проходит через змеевики переохладителя 6 и поступает на орошение в

верхнюю колонну.

В верхней колонне получаются технологический кислород, "гряз-

ный" и чистый азот.

"Грязный" азот из середины верхней колонны проходит межтруб-

ное пространство переохладителя кубовой жидкости 7, откуда посту-

пает в один из азотных регенераторов 3, где охлаждает насадку, и,

пройдя скруббер азотно-

водяного охлаждения воздуха, выбрасывается

в атмосферу.

Чистый азот (99,998%) отбирается над верхней тарелкой верхней

колонны, нагревается в переохладителе 6 чистой азотной флегмой, от-

куда поступает в змеевики кислородных и азотных регенераторов. По-

сле регенераторов чистый азот направляется в цех синтеза аммиака.

Жидкий кислород собирается в нижней части колонны в парал-

лельно включенные основные

конденсаторы (на схеме показан один).

Газообразный кислород из основных конденсаторов возвращается

в верхнюю колонну, а не испарившийся жидкий кислород поступает в

выносной конденсатор.

Из выносного конденсатора испаряемый кислород проходит ад-

сорбционную очистку от ацетилена и других углеводородов в цирку-

ляционном контуре с переключающимися адсорберами жидкого ки-

слорода 18, с форсункой газлифта 13

и отделителем пара 12. Часть

жидкого кислорода после адсорбера 18 поступает в колонну техниче-

ского кислорода 14. Жидкий кислород в колонне обогащается до кон-

центрации 99,7 % О

, проходит конденсатор-переохладитель 15 и по-

ступает в насос жидкого кислорода 17.

Часть жидкого кислорода из нижней части колонны 14 поступает

в испаритель 16, а оттуда к потребителю. Сжатый кислород нагревает-

ся и испаряется в кислородных змеевиках регенераторов, откуда под

давлением 16 МПа поступает к потребителю (150 м

/ч).

Газообразный 95 %-ный кислород, выходящий из выносного кон-

денсатора, смешивается с газообразным кислородом, идущим из верх-

ней колонны, подогревается в подогревателях кислорода 21, и, пройдя

насадку одного из кислородных регенераторов (8850 м

/ч), поступает к

потребителю.

Не сконденсировавшиеся в конденсаторах пары азота, обогащен-

ные неоном и гелием, отбираются из выносного конденсатора в кон-

денсатор неоно-гелиевой смеси, расположенный в мернике верхней

колонны, откуда поступает на дальнейшую переработку.