Системи забезпечення підприємств продуктами розділення повітря

У різних галузях промисловості широко застосовуються кисень та інші продукти розділення повітря - азот, неон, криптон, ксенон і аргон.

Кисень - найактивніший окислювач, що зумовило його широке використання в чорній і кольоровій металургії, хімічної промисловості, ракетно-космічній техніці, машинобудуванні, медицині та ін.

Виробництво кисню починаючи з 1950 р кожні 6-7 років, подвоюється і його щорічний приріст протягом останніх 20 років становить 12. 15%. Більше 50% кисню виробляється і споживається в чорній металургії, що дозволяє інтенсифікувати металургійні процеси і поліпшити їх техніко-економічні показники. Кисень використовують також при виплавці кольорових металів - міді, нікелю, цинку, свинцю.

Рідкий азот завдяки його нетоксичність, інертності і дешевизні широко використовується в якості кріоагента. Значні кількості рідкого азоту витрачаються при холодних опресовування і випробуваннях кисневого, водневого і гелієвого обладнання, а також в термобарокамерах, що імітують умови космічного простору.

Важлива сфера застосування рідкого азоту - харчова промисловість. Швидке охолодження і заморожування харчових продуктів шляхом розбризкування азоту і подальше їх зберігання в збагаченої азотом атмосфері забезпечують збереження смакових якостей і товарного вигляду продуктів протягом тривалого часу.

Рідкий азот застосовується також в сільському господарстві і медицині для зберігання біопродуктів.

У кріогенних системах рідкий азот широко використовують для охолодження проміжних екранів ізоляції обладнання, а також для попереднього охолодження великих мас металу надпровідних магнітів, кабелів, трансформаторів і т. Д.

У ряді технологічних процесів використовується газоподібний азот. У хімічній промисловості азот поряд з киснем служить вихідною речовиною для виробництва аміаку, азотної кислоти, метанолу, мінеральних добрив та інших хімічних продуктів. Азот застосовують також як захисна інертного середовища при переробці нафти.

Аргон, неон, криптон, ксенон - інертні гази. Аргон поряд з азотом використовується при виплавці спеціальних сталей і сплавів, в машинобудуванні - при зварюванні металів. Неон, криптон і ксенон знаходять широке застосування в електроламповий і радіоелектронної промисловості, а також при проведенні досліджень в різних галузях промисловості.

Більшість одержуваних при розділенні повітря газів представляють собою кріоагента, тобто гази з нормальною температурою конденсації в широкому інтервалі температур нижче 120 К. Найбільш економічні способи їх виділення з повітря (газової суміші) засновані на низькотемпературних методах - конденсаційно-випарному і в деяких випадках адсорбционно-десорбціонную.

З конденсаційно-випарних методів в техніці низькотемпературного розділення повітря використовується ректифікація. Низькотемпературна ректифікація відрізняється від відповідного високотемпературного процесу тим, що для її проведення необхідна система кріообеспеченія.

Призначення цієї системи:

1) відведення теплоти з системи поділу повітря для компенсації теплопритоків і, якщо це необхідно, скраплення продуктів поділу;

2) забезпечення відводу теплоти в процесі ректифікації з конденсатора і підведення теплоти в випарнику.

Для установок, що видають газоподібні продукти поділу повітря, такою системою є рефрижератор; для установок, що видають будь-які з продуктів в рідкому вигляді - зріджувач.

Система кріообеспеченія може працювати як самостійно, на окремому кріоагента, не пов'язаному з розділяється сумішшю (зовнішнє кріообеспеченіе), так і спільно з системою поділу на суміші, що і продуктах поділу (внутрішнє кріообеспеченіе). Існують і установки, в яких обидва способи поєднуються (комбіноване кріообеспеченіе).

Адсорбционно-десорбціонную методи поділу засновані на селективної (виборчої) адсорбції при низьких температурах окремих компонентів повітря на твердих адсорбентах і подальшої їх десорбції. Використовувані для цієї мети адсорбенти (активоване вугілля, цеоліти, силікагелі, алюмогели) характеризуються великою питомою поверхнею пір (сотні квадратних метрів на грам) і достатню механічну міцність, щоб не стиратися при багаторазових циклах адсорбції і десорбції компонентів.

Крім того, ці методи використовуються для видалення з повітря парів води, діоксиду вуглецю і вуглеводнів.

У повітророздільних установках крім основних продуктів поділу (кисню та азоту) витягують і інші складові частини повітря - інертні гази. Всі вони, крім аргону, містяться в повітрі в дуже малих концентраціях. В якості цінних продуктів економічно доцільно вилучення всіх компонентів повітря, крім діоксиду вуглецю, гелію і водню.

Процеси, пов'язані із зрідженим газів, належать до числа досить енергоємних. Так, наприклад, електрична потужність установки продуктивністю 1 т / год становить для рідкого кисню 1200. 1500 кВт. Ексергетичний ККД таких процесів не перевищує 20. 25%, тобто витрата енергії в 4-5 разів більше відповідної ідеальної роботи.

Характерною особливістю зріджувач на відміну від рефрижераторів є те, що це завжди відкриті термодинамічні системи. У таких системах замість циклу відбувається квазіцікл. Структура зріджувач газів, незалежно від видових особливостей, включає ступені однакового призначення.

Ступінь підготовки робочого тіла (СПТ) призначена для ізотермічного стиснення робочого тіла при температурі навколишнього середовища. Це стиснення може проводитися як в одному щаблі компресора, так і в декількох послідовно включених щаблях з проміжним водяним або повітряним охолодженням.

На ступені попереднього охолодження (СПО) робоче тіло попередньо охолоджується в регенеративної теплообміннику зворотним потоком охолодженого робочого тіла.

Ступінь основного охолодження (СОО) забезпечує зрідження робочого тіла. Основними варіантами СОО є два: дросельний і детандерна. Перший з них відрізняється високою питомою витратою електроенергії і застосовується в установках малої продуктивності. Значно економічніше варіант з розширенням повітря в детандере.

Ступінь використання охолодження (СВО) включає сепаратор, що дозволяє виводити з установки зріджене робоче тіло, а пар - повертати в систему.

Повітророзподільну установки розрізняють по продуктивності, тиску і складу продуктів поділу.

Повітророзподільну установки по продуктивності ділять на три групи:

1) малої продуктивності (30. 300 м 3 / ч) для отримання кисню чистотою 99,2. 99,5%, в яких застосовується високе (10. 20 МПа) і середнє (3. 5 МПа) тиску;

2) середньої продуктивності (300. 4000 м 3 / ч) для отримання кисню чистотою 95. 98%, в яких можуть застосовуватися або два тиску - високий, низький (0,5. 0,8 МПа), або тільки низький тиск;

3) великий продуктивності (більше 4000 м 3 / ч) для отримання кисню чистотою 95. 98%, в яких застосовується низький тиск.

До складу повітророзподільних установок входить наступне обладнання: поршневі і турбінні компресори та детандери, кисневі і аргон насоси, ректифікаційні колони, теплообмінники, пристрої автоматичного регулювання та захисту, блоки очищення повітря.

Поршневі компресори застосовуються на середні і високі тиску при продуктивності менше 7800 м 3 / год. Турбокомпресори можуть бути відцентровими і осьовими з великою продуктивністю по повітрю (8000. 170000 м 3 / ч) при тисках 0,6. 0,8 МПа і в деяких випадках до 3,5 МПа. Турбокомпресори забезпечують рівномірну подачу повітря, вільного від домішки масла. Вони прості в експлуатації, мають менші розміри і більш високий ККД у порівнянні з поршневими компресорами.

Поршневі детандери застосовують для високого і середнього тисків в установках малої потужності. В області малих витрат поршневі детандери добре регулюються і при інших рівних умовах мають більш високий ККД, ніж Турбодетандери. Однак вони менш надійні в роботі і мають гірші масові і габаритні показники на одиницю продуктивності. В установках великої продуктивності і низького тиску найбільш широко застосовуються одноступінчасті радіальні реактивні Турбодетандери, запропоновані академіком П. Л. Капицею.

Для перекачування зріджених газів застосовують насоси, що відрізняються від використовуваних для перекачування звичайних рідин тим, що вони працюють при значно нижчій температурі середовища, в зв'язку з чим зростають втрати при нагнітанні. Зріджені гази зазвичай мають температуру, близьку до температури кипіння. Тому при зменшенні тиску в окремих елементах насоса (клапанах, патрубках, арматурі) через гідравлічних втрат можливе виникнення кавітації. Для запобігання цьому явищу необхідно значною мірою охолоджувати зріджені гази перед їх надходженням в насос.

В установках для поділу повітря застосовують поршневі (плунжерні) і відцентрові насоси. Поршневі насоси використовують для газифікації рідини (кисню та азоту), наповнення балонів до забезпечення тиску 40 МПа, для подачі газу в мережу споживача при тиску до 1,5 МПа. Відцентрові насоси застосовують для перекачування рідини між колони ректифікації в великих кількостях при малих напору.

Очищення повітря від водяної пари і діоксиду вуглецю проводиться в спеціальних адсорбційних блоках. Для забезпечення безперервної роботи в блоці є два адсорбера. У той час як в одному з балонів відбувається адсорбція домішок, другий піддається регенерації нагрітим азотом, в результаті якої відбувається десорбція і видалення водяної пари і діоксиду вуглецю. Таким же чином проводиться осушення кисню після стиснення його в компресорах.