Разделение воздуха

Введение

Химическая промышленность – одна из ведущих отраслей народного хозяйства. Ей также принадлежит определяющая роль в ускорении научно – технического прогресса, повышение эффективности производства. Рост производства химической продукции и использование её во всех сферах народного хозяйства имеют существенное значение для интенсификации земледелия, расширения сырьевой базы легкой промышленности и производства товаров народного потребления.

Азот и кислород нашли своё применение во многих сферах нашей жизни. Они не только являются главными составляющими воздуха, которым мы дышим, но также эти элементы нашли широкое применение в химической промышленности, металлургии, медицине и т.д.

Кислород технический применяется в химической промышленности для интенсификации технологических процессов: газификации твёрдых топлив, конверсии природного газа, окисления углеводородов попутных нефтяных газов, продувок контрольно-измерительных приборов и аппаратов и др. В чёрной металлургии кислород применяется при выплавке чугуна и стали, в цветной – для обогащения дутья при выплавке меди, цинка и других металлов. Применяется при сварке и резке металлов. Кислород используется в медицине, в кислородно-дыхательных аппаратах при высотных полётах, в микробиологии,  в целлюлозно-бумажной промышленности. Жидкий кислород используется в двигательных установках космических ракет.

Азот также имеет большое значение в химической промышленности. Он используется в производстве аммиака, для создания азотных «подушек» в производстве метанола и т.д. Жидкий азот нашёл применение для тонкой очистки водорода от СО и СН4  Предназначен для создания инертной атмосферы при производстве, хранении и транспортировке легко окисляемых продуктов, для консервации замкнутых металлических сосудов и трубопроводов, для пожаротушения. Жидкий азот используется, в основном, как хладоагент.

1.  Свойства сырья и готовой продукции

1.1 Воздух

      В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы ( в % по объёму): азот – 78,16; кислород – 20,90; аргон – 0,93, гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы – 0,01. В технических расчётах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода. Воздух в химической промышленности используют, в основном, как сырьё или как реагент в технологических процессах, а также для энергетических целей (в качестве окислителя для получения тепловой энергии при сжигании различных топлив). Воздух, применяемый в качестве реагента, подвергается в зависимости от характера производства специальной очистке от пыли, влаги и контактных ядов. Он также используется как теплоноситель и хладоагент в технологических процессах.

1.2 Кислород технический

Кислород технический газообразный – один из продуктов низкотемпературной ректификации воздуха. Кислород технический газообразный должен соответствовать требованиям настоящего регламента, согласно которому объемная доля кислорода составляет не менее 98,0 %.

Химическая формула – О2. Молекулярная масса 32,006. Кислород наиболее распространенный в природе химический элемент. Он входит в состав большинства органических веществ живых организмов – белков, жиров, углеводов. При его участии совершается один из важнейших процессов жизнедеятельности – дыхание.

При температуре 0 ˚С и давлении 101,3 кПа кислород представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. Плотнее воздуха (масса 1 м3 кислорода составляет
1,43 кг).

При охлаждении кислорода до минус 183 ˚С при атмосферном давлении он превращается в прозрачную голубоватую легкоподвижную жидкость, один литр которой весит 1,142 кг. При испарении одного литра жидкого кислорода при нормальных условиях образуется 800 л газообразного кислорода. При температуре минус 219 ˚С кислород переходит в твердое состояние с образованием голубых кристаллов с плотностью
1,426 г/см3.

Газообразный кислород незначительно растворяется в воде. Растворимость его при 20 ˚С и давлении 101,3 кПа составляет 0,031 см3/см3 воды. При 0 ˚С растворимость возрастает до 0,049 см3/см3.

Кислород не токсичен, не горюч и не взрывоопасен. Является сильным окислителем и обладает высокой химической активностью. Он образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов. В чистом кислороде реакции протекают быстро, сопровождаясь выделением большого количества тепла. Горю чие газы образуют с кислородом взрывчатые смеси. Различные масла при соприкосновении со сжатым кислородом способны окисляться и самовоспламеняться со взрывом.

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3

CO + O2 = CO2 – Q

1.3 Азот газообразный

Азот газообразный особой чистоты должен соответствовать требованиям ГОСТ 9293 «Азот газообразный и жидкий. Технические условия» (таблица 1).

Химическая формула азота N2, молекулярная масса 28,016. Газообразный азот – инертный газ без запаха и цвета. Плотность 1,25046 кг/м3 при температуре 0 ˚С и давлении 101,3 кПа. В атмосферном воздухе содержится 79,08 % азота.

При охлаждении при давлении 101,3 кПа до минус 196 ˚С азот превращается в прозрачную жидкость, один литр которой весит 0,804 кг. При испарении одного литра жидкого азота пр нормальных условиях образуется 643 л газообразного азота. При дальнейшем охлаждении азота до минус 210 ˚С он переходит в твердое состояние.

Газообразный азот в воде растворяется незначительно: при давлении 5,0 МПа
и температуре 25 ˚С растворимость составляет 0,67 см3/г воды.

Таблица 1

2. Обоснование выбора схемы производства

Технологические установки разделения отличаются производительностью, концентрацией продуктов, способом получения холодов, схемой ректификации. Типы установок имеют обозначения: азот – А, кислород технологический – Кт, кислород чистый – К, аргон – Ар, числовое значение – производительность по первому компоненту. Ниже приведены основные установки разделения воздуха, наиболее распространённые в азотной промышленности и нашедшие применение в последнее время.

2.1 Установка ЖА-300-1 (обозначение по типажу Аж-15).

         Предназначена для производства жидкого азота. Работает по схеме низкого давления с аммиачным охлаждением и поршневым детандером.

        2.2  Установка ЖА-300-2  (обозначение по типажу Аж-15).

Предназначена для производства жидкого азота. Аналогична установке ЖА-300-1, но вместо аммиачного охлаждения применён адсорбционный блок осушки воздуха.

Недостатками этих схем являются малое количество перерабатываемого воздуха, а следовательно и малое количество производимой продукции.

2.3 Установка КЖА-1 (обозначение по типажу КжААР-1,6).

        Предназначена для производства жидкого кислорода, чистого азота и сырого аргона. Работает по схеме высокого давления с поршневым детандером.

Недостатком схемы является необходимость создания высокого давления (около 180 атмосфер)

2.4 Установка БР-5М (обозначение по типажу Кт-5).

        Предназначена для производства технологического и технического кислорода, чистого азота и криптонового концентрата. Работает по схеме низкого давления с расширением части воздуха в турбодетандере. Регенераторы заполнены алюминиевой насадкой.

2.5 Установка Бр-1 (обозначение по типажу Кт-12).

Предназначена для производства технологического и технического кислорода и криптонового концентрата. Работает по схеме низкого давления с турбодетандером на линии воздуха, поступающего из нижней колонны в верхнюю. Регенераторы заполнены алюминиевой насадкой.

2.6 Установка Бр-1А (обозначение по типажу КтА-12).

Является модификацией установки Бр-1.Предназначена для производства технологического и технического кислорода, чистого азота и криптонового концентрата.

         2.7 Установка Бр-1К (обозначение по типажу КтК-12).

Является модификацией установки Бр-1.Предназначена для производства технологического и технического кислорода, чистого азота и криптонового концентрата.

         2.8 Установка Бр-1КАр (обозначение по типажу КтКАр-12).

Является модификацией установки Бр-1.Предназначена для производства технологического и технического кислорода, чистого азота, криптонового концентрата и сырого аргона.

Недостатком этих схем является использование дорогостоящей алюминиевой насадки. 

       2.9 Установка БР-9 (обозначение по типажу АКтК-16).

        Предназначена для производства технологического и технического кислорода, чистого азота и  криптонового концентрата (при работе в комплекте с криптоновым блоком). Работает посхеме низкого давления с турбодетандером на потоке чистого азота, отбираемого из нижней колонны. Регенераторы оборудованы встроенными змеевиками для чистого азота и технического кислорода и заполнены базальтовой насадкой.

2.10 Азото-кислородная установка.

Предназначена для производства чистого азота и технологического кислорода. Работает по схеме низкого давления с расширением части воздуха в турбодетандерах. Регенераторы заполнены базальтовой насадкой и оборудованы встроенными змеевиками для чистого азота, технологического и технического кислорода.

2.11 Установка БР-6 (обозначение по типажу Акт-15).

Предназначена для производства чистого азота и технологического кислорода. Работает по схеме низкого давления с расширением части воздуха в турбодетандере. Регенераторы заполнены насыпной базальтовой насадкой со встроенными змеевиками для чистого азота и технического кислорода. Эта установка отличается хорошей производительностью и концентрацией производимых продуктов.

3. Физико-химические основы процесса

В основе метода получения кислорода и азота лежит процесс глубокого охлаждения и конденсации предварительно сжатого воздуха при теплообмене его с охлаждённым за счёт расширения (дросселирования) воздухом с последующей ректификацией жидкого воздуха:

                           Охлаждённый расширенный воздух

                        –––––––––––––––––––––––––––––––––––––

                           Сжатый воздух                    Тконд

                        –––––––––––––––––––––––––––––––––––––

                                Азот                    Жидкий              Кислород

              Воздух

Таким образом, в процессе разделения воздуха на кислород и азот можно выделить две стадии: стадию глубокого охлаждения и стадию ректификации, каждая из которых подчиняется своим закономерностям.

3.1 Глубокое охлаждение воздуха.

Для получения глубокого холода может быть использовано изоэнтальпическое (эффект Джоуля-Томсона) или изоэнтропическое (с совершением внешней работы) расширение газа.

Если при постоянной температуре Т сжать реальный газ от начального давления Рн до давления Рк, а затем снизить его давление до первоначального Рн путём расширения (дросселирования) через устройство, создающее сопротивление (вентиль, диафрагма), без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой, то конечная температура газа Т понизится вследствие затраты внутренней энергии его на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия. Очевидно, что расширение идеального газа в этих условиях будет происходить  без изменения внутренней энергии и его температура при расширении останется постоянной.

Поэтому, чем больше отклонение реального газа от идеального состояния, то есть чем больше разность ∆Р = Рк – Рн, тем значительнее понижение его температуры при расширении ∆Т = Т1 – Т2 (так называемый дроссель-эффект газа). В табл. Приведены значения дроссель-эффекта воздуха при его расширении до атмосферного давления (Рн) при различных давлениях сжатия Рк для двух начальных температур воздуха (Т1) (таблица 2)

Таблица 2

Из данных таблицы следует, что использовать для сжижения воздуха только дросселирование нецелесообразно, так как понижение температуры при этом невелико. Расчёты, например, показывают, что для конденсации воздух должен быть сжат до Рк = 45 ГПа, что технически неосуществимо. Поэтому на практике принцип дросселирования всегда сочетается с теплообменом – охлаждением сжатого воздуха. Однако даже в этом случае понижение температуры ∆Т составляет всего 0,1 – 0,3 градуса на атмосферу (0,1 МПа) и холодильный эффект невелик.

Значительно более эффективным является расширение предварительно сжатого в изотермических условиях воздуха с совершением внешней работы. В этом случае расширение протекает в адиабатических условиях, без теплообмена с окружающей средой в поршневой или турбинной машине (поршневом или турбодетандере). При таком процессе разность ∆Т и холодильный эффект, создаваемый детандером, в несколько раз выше, чем при дросселировании. Применение детандера не исключает того, что часть воздуха дросселируется. Тогда суммарное понижение температуры определяется как:

∆Т = ∆Тдет + ∆Тдрос

где: ∆Тдет - понижение температуры за счёт расширения воздуха в детандере,

        ∆Тдрос - дроссель-эффект.

Холодильный эффект, создаваемый детандером, в технике называется холодильным циклом. Холодильный цикл – замкнутый процесс последующего сжатия и расширения газа, который сопровождается его нагреванием и охлаждением. Существует 3 холодильных цикла:

3.1.1. Холодильный цикл с однократным дросселированием воздуха – цикл Линде,

рис 1 цикл Линде

К – компрессионный агрегат, Х – холодообменник, Др – дроссельный вентиль, С – сепаратор

3.1.2. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в детандере – цикл Клода,

рис 2 Цикл Клода

1 – высокотемпературный холодообменник, 2 – низкотемпературный холодообменник, 3 – детандер

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          3. Холодильный цикл низкого давления с расширением воздуха в детандере – цикл Капицы.

Рис 3 Цикл Капицы

ТК – компрессионный агрегат, ПХ – предварительный холодообменник, Д – детандер, О – ожижитель, Др дроссельный вентиль

3.2 Ректификация жидкого воздуха.

Разделение воздуха сопровождается уменьшением энтропии и поэтому требует

затраты внешней работы. Для равновесного обратимого процесса она равна:

–А = ∆Н – Т0∆S

где: А – внешняя работа на разделение компонентов воздуха,

        ∆Н – изменение энтальпии системы,

        ∆S – уменьшение энтропии системы.

Внешняя работа в подобном процессе при получении кислорода чистотой 99% составляет 0,074 кВт ∙ ч/нм3 газа. В реальном необратимом процессе разделения воздуха вследствие потерь холода в окружающую среду и гидравлического сопротивления аппаратуры расход энергии на разделение воздуха значительно выше и составляет не менее 0,5 кВт ∙ ч/нм3 газа.

При этом расход энергии тем выше, чем больше чистота выделяемых азота и кислорода. Существенное значение для расхода энергии на разделение воздуха имеют потери холода в процессе. С уменьшением потерь расход энергии снижается. Это может быть достигнуто интенсификацией охлаждения за счёт применения более эффективных теплообменников и регенераторов и снижением потерь холода в окружающую среду путём увеличения мощности установок.

4. Описание технологической схемы

Технологический процесс получения азота и кислорода включает глубокое охлаждение воздуха с последующей двукратной ректификацией.

Установка разделения воздуха КА-5 представляет собой комплекс технологического оборудования с трубопроводами, смонтированный внутри герметичного кожуха. Свободное пространство внутри кожуха заполнено теплоизоляционным материалом (минеральной ватой). Установка азотоводяного охлаждения, электро- и пароподогреватели, а также испарители жидкого кислорода и быстрого слива находятся вне кожуха блока. Установка работает по схеме низкого давления.

Воздух с расходом от 22 000 до 34 000 м3/ч с давлением от 0,44 до 0,51 МПа и температурой не более 50 ˚С через задвижку поступает в воздушный скруббер
(СБ), где при работе установки азотоводяного охлаждения проходит дополнительное охлаждение.

После воздушного скруббера (СБ) воздух направляется в регенерационную группу (РГ), состоящую из двух пар одинаковых регенераторов. Проходя по каменной (базальтовой) насадке регенераторов, воздух охлаждается до температуры насыщенных паров (от минус 173˚С до минус 167 ˚С) и одновременно, в определенных зонах по высоте регенератора, очищается от примесей влаги, диоксида углерода и значительной части углеводородов.

Основная часть воздуха после регенераторов поступает в нижнюю колонну (КЛ2).

Небольшая часть воздуха с расходом 300 м3/ч после регенераторов направляется на подогрев продуктов разделения (обратных потоков) в переохладитель-подогреватель грязного азота (ПП1), переохладитель-подогреватель чистого азота (ПП2), подогреватель кислорода (АТ1) и в испаритель-конденсатор (ИП), где конденсируется и стекает в куб нижней колонны.

В нижней колонне (КЛ2) часть воздуха подвергается предварительному разделению с получением грязной азотной флегмы с массовой долей кислорода не более 2% и кубовой жидкости с массовой долей кислорода 39 %. Остальная часть воздуха после трех промывных тарелок с расходом от 7 000 до 9 000 м3/ч отводится из нижней колонны на турбодетандер.

После этого воздух разделяется на два потока. Один из потоков с расходом от 3 400 до 4 500 м3/ч направляется в змеевики регенераторов в качестве «петлевого» потока, обеспечивая нормальный температурный режим регенераторов, очистку воздуха от вредных примесей и незабиваемость регенераторов. «Петлевой» поток, выйдя из змеевиков регенераторов с температурой от минус 120 ˚С до минус 140 ˚С, смешивается со вторым потоком и поступает в один из турбодетандеров.

        Небольшая часть петлевого потока, пройдя трубки змеевика по всей длине регенераторов, нагревается до плюсовых температур и направляется для питания системы переключения регенераторов, системы контроля и пневмоуправления, а также используется для проведения периодических отогревов узлов агрегата и регенерации адсорбента в адсорберах.

В турбодетандере воздух расширяется с отдачей внешней работы, в результате чего охлаждается до температуры не менее минус 186 ˚С и через задвижку направляется на 30-ю тарелку верхней колонны (КЛ1).

Кубовая жидкость из нижней колонны с расходом около 10 350 м3/ч поступает адсорбер кубовой жидкости (Р), где очищается от взрывоопасных примесей и направляется в секцию кубовой жидкости переохладителя-подогревателя грязного азота (ПП1). В переохладителе-подогревателе кубовая жидкость переохлаждается за счет холода потока грязного азоа, а затем дросселируется на 34-ю тарелку верхней колонны.

Получаемый в нижней колонне грязный газообразный азот поступает в межтрубное пространство конденсатора (КН1), где основная его часть конденсируется за счет испарения в трубном пространстве жидкого кислорода, и стекает в карман нижней колонны. Из кармана нижней колонны часть грязной азотной флегмы используется на орошение нижней колонны, а вторая часть с расходом до 9 150 м3/ч отводится в переохладитель-подогреватель грязного азота (ПП1). Здесь флегма переохлаждается за счет холода потока отбросного грязного азота и подается в мерник, а затем на 41-ю тарелку верхней колонны. Периодически часть жидкого азота подается на заполнение сосудов Дьюара.

Часть газообразного азота с расходом 3 000 м3/ч отбирается из межтрубного пространства основного конденсатора и направляется в азотную колону (КЛ3), предназначенную для получения чистого азота.

Получаемый в азотной колонне чистый газообразный азот с объемной долей кислорода не более 0,0005% поступает в межтрубное пространство конденсатора азотной колонны (КН2), где конденсируется на наружной поверхности трубчатки за счет испарения кислорода в трубном пространстве, и стекает в карман азотной колонны, а затем на орошение тарелок колонны. Часть этой флегмы с расходом
1 050 м3/ч отбирается из кармана в переохладитель-подогреватель чистого азота
(ПП2), где переохлаждается и подается на орошение азотной части верхней колонны.

Из куба азотной колонны отбирается грязная азотная флегма с расходом около
1 950 м3/ч и после переохлаждения в переохладителе-подогревателе грязного азота подается в мерник верхней колонны на орошение.

В верхней колонне происходит окончательное разделение воздуха на чистый азот с объемной долей кислорода не более 0,0005 % (5 ррм), технический кислород с объемной долей кислорода не менее 98,0 % и грязный азот с объемной долей кислорода не более 8 % .

Чистый азот с расходом 1 000 м3/ч проходит переохладитель-подогреватель чистого азота (ПП2), где подогревается сначала в секции переохлаждения, а затем в секции подогрева до температуры минус 176 ˚С — минус 178 ˚С и поступает в азотные змеевики всех регенераторов.

Грязный отбросной азот из верхней колонны проходит переохладитель-подогреватетль грязного азота (ПП1), где последовательно подогревается в секции переохлаждения грязной азотной флегмы, секции переохлаждения кубовой жидкости и секции подогрева до температуры минус 175 ˚С — минус 177 ˚С и поступает на насадку всех регенераторов.

Проходя по насадке, отбросной азот нагревается до температуры на 3 ˚С ниже температуры входящего в блок воздуха и одновременно удаляет с насадки все примеси, вымерзшие на ней в период прямого воздушного дутья. После регенераторов отбросной азот направляется в азотный скруббер (при работе АВО), или же сбрасывается в глушитель с последующим выбросом в атмосферу.

Жидкий кислород из куба верхней колонны поступает на испарение в основной конденсатор (КН1) и в виде пара возвращается в колонну. Часть жидкого кислорода с расходом 2 150 м3/ч из основного конденсатора подается для испарения в конденсатор азотной колонны (КН2).

С целью создания проточности конденсатора азотной колонны жидкий кислород с расходом 135 м3/ч подается в трубное пространство испарителя-конденсатора (ИП), где основная часть этой жидкости испаряется.