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.