СНАБЖЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОДУКТАМИ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
В различных отраслях промышленности широко применяются кислород и другие продукты разделения воздуха - азот, неон, криптон, ксенон и аргон [10].
Кислород - активнейший окислитель, что предопределило его широкое использование в черной и цветной металлургии, химической промышленности, ракетно-космической технике, машиностроении, медицине и др.
Производство кислорода начиная с 1950 г. каждые 6-7 лет, удваивается и его ежегодный прирост в течение последних 20 лет составляет 12.15%. Более 50% кислорода производится и потребляется в черной металлургии, что позволяет интенсифицировать металлургические процессы и улучшить их технико-экономические показатели. Кислород используют также при выплавке цветных металлов - меди, никеля, цинка, свинца.
Жидкий азот благодаря его нетоксичности, инертности и дешевизне широко используется в качестве криоагента. Значительные количества жидкого азота расходуются при холодных опрессовках и испытаниях кислородного, водородного и гелиевого оборудования, а также в термобарокамерах, имитирующих условия космического пространства.
Важная область применения жидкого азота - пищевая промышленность. Быстрое охлаждение и замораживание пищевых продуктов путем разбрызгивания азота и последующее их хранение в обогащенной азотом атмосфере обеспечивают сохранение вкусовых качеств и товарного вида продуктов в течение длительного времени.
Жидкий азот применяется также в сельском хозяйстве и медицине для хранения биопродуктов.
В криогенных системах жидкий азот широко используют для охлаждения промежуточных экранов изоляции оборудования, а также для предварительного охлаждения больших масс металла сверхпроводящих магнитов, кабелей, трансформаторов и т. д.
В ряде технологических процессов используется газообразный азот. В химической промышленности азот наряду с кислородом служит исходным веществом для производства аммиака, азотной кислоты, метанола, минеральных удобрений и других химических продуктов. Азот применяют также в качестве защитной инертной среды при переработке нефти.
Аргон, неон, криптон, ксенон - инертные газы. Аргон наряду с азотом используется при выплавке специальных сталей и сплавов, в машиностроении - при сварке металлов. Неон, криптон и ксенон находят широкое применение в электроламповой и радиоэлектронной промышленности, а также при проведении исследований в различных отраслях промышленности.
Большинство получаемых при разделении воздуха газов представляют собой криоагенты, т. е. газы с нормальной температурой конденсации в широком интервале температур ниже 120 К. Наиболее экономичные способы их выделения из воздуха (газовой смеси) основаны на низкотемпературных методах - конденсационно-испарительном и в некоторых случаях адсорбционно-десорбционном.
Из конденсационно-испарительных методов в технике низкотемпературного разделения воздуха используется ректификация. Низкотемпературная ректификация отличается от соответствующего высокотемпературного процесса тем, что для ее проведения необходима система криообеспечения.
Назначение этой системы:
- отвод теплоты из системы разделения воздуха для компенсации теплопритоков и, если это необходимо, сжижение продуктов разделения;
- обеспечение отвода теплоты в процессе ректификации из конденсатора и подвода теплоты в испарителе.
Для установок, выдающих газообразные продукты разделения воздуха, такой системой служит рефрижератор; для установок, выдающих какие-либо из продуктов в жидком виде - ожижитель.
Система криообеспечения может работать как самостоятельно, на отдельном криоагенте, не связанном с разделяемой смесью (внешнее криообеспечение), так и совместно с системой разделения на разделяемой смеси и продуктах разделения (внутреннее криообеспечение). Существуют и установки, в которых оба способа сочетаются (комбинированное криообеспечение).
Адсорбционно-десорбционные методы разделения основаны на селективной (избирательной) адсорбции при низких температурах отдельных компонентов воздуха на твердых адсорбентах и последующей их десорбции. Используемые для этой цели адсорбенты (активные угли, цеолиты, силикагели, алюмогели) характеризуются большой удельной поверхностью пор (сотни квадратных метров на грамм) и достаточной механической прочностью, чтобы не истираться при многократных циклах адсорбции и десорбции компонентов.
Адсорбционно-десорбционные методы используются как
вспомогательные для разделения в тех случаях, когда конденсационноиспарительные методы невыгодны или неприменимы. К ним относится разделение ценных газовых смесей, получаемых в относительно малых количествах (криптон + ксенон, неон + гелий) или таких, в которых содержание одного из компонентов невелико (примеси азота и кислорода в аргоне).
Кроме того, эти методы используются для удаления из воздуха паров воды, диоксида углерода и углеводородов.
В воздухоразделительных установках кроме основных продуктов разделения (кислорода и азота) извлекают и другие составные части воздуха - инертные газы. Все они, кроме аргона, содержатся в воздухе в очень малых концентрациях. В качестве ценных продуктов экономически целесообразно извлечение всех компонентов воздуха, кроме диоксида углерода, гелия и водорода.
Процессы, связанные с ожижением газов, принадлежат к числу весьма энергоемких. Так, например, электрическая мощность установки производительностью 1 т/ч составляет для жидкого кислорода 1200.1500 кВт. Эксергетический КПД таких процессов не превышает 20.25%, т. е. расход энергии в 4-5 раз больше соответствующей идеальной работы.
Характерной особенностью ожижителей в отличие от рефрижераторов является то, что это всегда открытые термодинамические системы. В таких системах вместо цикла совершается квазицикл. Структура ожижителей газов, независимо от видовых особенностей, включает ступени одинакового назначения.
Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) предназначена для изотермического сжатия рабочего тела при температуре окружающей среды. Это сжатие может производиться как в одной ступени компрессора, так и в нескольких последовательно включенных ступенях с промежуточным водяным или воздушным охлаждением.
На ступени предварительного охлаждения (СПО) рабочее тело предварительно охлаждается в регенеративном теплообменнике обратным потоком охлажденного рабочего тела.
Ступень основного охлаждения (СОО) обеспечивает ожижение рабочего тела. Основными вариантами СОО являются два: дроссельный и детандерный. Первый из них отличается высоким удельным расходом электроэнергии и применяется в установках малой производительности. Значительно экономичнее вариант с расширением воздуха в детандере.
Ступень использования охлаждения (СИО) включает сепаратор, позволяющий выводить из установки сжиженное рабочее тело, а пар - возвращать в систему.
Воздухоразделительные установки различают по производительности, давлению и составу продуктов разделения.
Воздухоразделительные установки по производительности делят на три группы:
1) малой производительности (30.300 м /ч) для получения кислорода чистотой 99,2.99,5%, в которых применяется высокое (10.20 МПа) и среднее (3.5 МПа) давления;
2) средней производительности (300.4000 м /ч) для получения кислорода чистотой 95.98%, в которых могут применяться либо два давления - высокое, низкое (0,5.0,8 МПа), либо только низкое давление;
3) большой производительности (более 4000 м /ч) для получения кислорода
чистотой 95.98%, в которых применяется низкое давление.
В состав воздухоразделительных установок входит следующее оборудование: поршневые и турбинные компрессоры и детандеры,
кислородные и аргонные насосы, ректификационные колонны, теплообменники, устройства автоматического регулирования и защиты, блоки очистки воздуха.
Поршневые компрессоры применяются на средние и высокие давления при производительностях менее 7800 м3/ч. Турбокомпрессоры могут быть центробежными и осевыми с большой производительностью по воздуху (8000.170000 м /ч) при давлениях 0,6.0,8 МПа и в некоторых случаях до 3,5 МПа. Турбокомпрессоры обеспечивают равномерную подачу воздуха, свободного от примеси масла. Они просты в эксплуатации, имеют меньшие размеры и более высокий КПД по сравнению с поршневыми компрессорами.
Поршневые детандеры применяют для высокого и среднего давлений в установках малой мощности. В области малых расходов поршневые детандеры хорошо регулируются и при прочих равных условиях имеют более высокий КПД, чем турбодетандеры. Однако они менее надежны в работе и имеют худшие массовые и габаритные показатели на единицу производительности. В установках большой производительности и низкого давления наиболее широко применяются одноступенчатые радиальные реактивные турбодетандеры, предложенные академиком П. Л. Капицей.
Для перекачки ожиженных газов применяют насосы, отличающиеся от используемых для перекачки обычных жидкостей тем, что они работают при значительно более низкой температуре среды, в связи с чем возрастают потери при нагнетании. Ожиженные газы обычно имеют температуру, близкую к температуре кипения. Поэтому при уменьшении давления в отдельных элементах насоса (клапанах, патрубках, арматуре) из-за гидравлических потерь возможно возникновение кавитации. Для предотвращения этого явления необходимо в значительной мере охлаждать ожиженные газы перед их поступлением в насос.
В установках для разделения воздуха применяют поршневые (плунжерные) и центробежные насосы. Поршневые насосы используют для газификации жидкости (кислорода и азота), наполнения баллонов до обеспечения давления 40 МПа, для подачи газа в сеть потребителя при давлении до 1,5 МПа. Центробежные насосы применяют для перекачки жидкости между ректификационными колоннами в больших количествах при малых напорах.
Очистка воздуха от водяных паров и диоксида углерода производится в специальных адсорбционных блоках. Для обеспечения непрерывной работы в блоке имеется два адсорбера. В то время как в одном из баллонов происходит адсорбция примесей, второй подвергается регенерации нагретым азотом, в результате которой происходит десорбция и удаление водяных паров и диоксида углерода. Таким же образом производится осушка кислорода после сжатия его в компрессорах.
