142

Министерство образования и науки

российской федерации

_________________

Казанский государственный

энергетический университет

Утверждено

учебным управлением КГЭУ в качестве учебного пособия для студентов

Б.А. кумиров

Системы и установки обеспечения промышленных предприятий продуктами разделения воздуха

Лекции 15-17 по курсу

Технологические энергоносители

промпредприятий

(Часть 4)

Казань 2006

Лекция 15

1. Введение

В качестве сырья для получения кислорода, азота, аргона и некоторых других газов используется атмосферный воздух, который представляет собой смесь всех этих газов. Для получения их в чистом виде воздух необходимо разделить на составляющие. Разделять воздух можно разными методами. Но наиболее экономичным методом является метод низкотемпературной ректификации. Этот метод требует предварительного сжижения воздуха, т. е. он связан с использованием температур ниже 120 К. Технологию, связанную с получением и использованием таких температур, называют криогеникой¹, а технику для создания этих температур называют криогенной техникой.

В 1877 году французскому инженеру Л. Кальете и швейцарцу Р. Пикте удалось сконденсировать кислород, а затем и воздух. Чуть позднее, в 1883 году, польским физикам З. Вроблевскому и К. Ольшевскому удалось усовершенствовать установку Кальете и получить жидкие азот и воздух. Только спустя почти 40 лет процессы сжижения воздуха были поставлены на промышленную основу.

К настоящему времени криогеника стала самостоятельной отраслью науки и промышленности. Она стала важным инструментом прогресса в различных отраслях знаний. Именно в этой области делаются открытия новейших явлений и разрабатываются новые технологии.

Особенно велика роль криогеники в развитии энергетики. В рамках этого направления рассматривается проблема использования жидкого водорода в качестве высокоэффективного топлива в энергетических системах и на транспорте.

Другая проблема – использование в электроэнергетике эффекта сверхпроводимости. Ее решение позволит создать высокоэффективные электрогенераторы, электросети, накопители энергии. Без сверхпроводящих криогенных магнитов немыслимо создание мощных МГД-генераторов и термоядерных реакторов.

Кроме того, криогеника уже создала такие направления в науке, как криофизика, криоэлектроника, криобиология и др. Наша наука и промышленность будут постоянно испытывать потребность в специалистах, умеющих создавать такие системы и владеющих методами криогеники.

Один из основных продуктов разделения воздуха – кислород – часто используют разведенным. Воздух, содержащий 30 – 90 % кислорода, называют обогащенным. Задача получения обогащенного воздуха (или азота) методами менее эффективными, чем низкотемпературная ректификация, но не требующими низких температур, является актуальной и привлекательной. Появляется возможность создания более простых в техническом исполнении установок.

В связи с этим в настоящее время интенсивно проводятся исследования адсорбционных воздухоразделительных установок (АВРУ) и разделительных установок с селективными мембранами. Эти исследования основаны на изучении новых цеолитов и мембран с высокими избирательными свойствами.

Однако в реально обозримой перспективе этим методам будет принадлежать все-таки ограниченная роль, а ведущая сохранится за процессами низкотемпературной ректификации. Более подробные сведения об установках АВРУ см. в [2, 3].

1.1. Состав воздуха, продукты его разделения, их характеристики и использование

Состав атмосферного воздуха не постоянен. Содержание компонентов зависит от географической широты, высоты над поверхностью земли, солнечной активности и других факторов. В значительной степени неодинакова загрязненность воздушного бассейна, где содержание примесей может меняться в течение суток, например, под влиянием метеорологических условий.

Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности земли приведен в табл.

Газ			Молекулярная масса		Объемное содержание в воздухе, %		Массовое содержание, %		Нормальная температура кипения, К
Название	Формула
1	2		3		4		5		6
Азот	N2		28,016		78,09		75,52		77,36
Кислород	O2		32,00		20,95		23,15		90,19
Аргон	Ar		39,944		0,93		1,28		87,29
Диоксид углерода	CO2		44.01		0,03		0,05		194,6
Неон		Ne		20,183		1,810^-3		1,2510^-3		27,0
Гелий		He		4,003		5,2410^-4		0,7210^-4		4,22
Криптон		Kr		83,8		114^-4		3,310^-4		119,0
Водород		H2		2,016		510^-5		0,03510^-4		20,4
Закись азота		N2O		44,016		510^-5		810^-5		184,60
Ксенон		Xe		131,3		810^-5		3,610^-5		165,0
Озон		O3		48,00		110^-6		1,510^-6		161,25
Радон		Rn		222,6		610^-18		4,510^-17		211,35

Кроме того, в зависимости от производственной деятельности в регионе, в воздухе содержится незначительное количество метана, ацетилена и других высокомолекулярных углеводородов.

Содержание в воздухе водяных паров зависит от температуры и относительной влажности . Значение относительной влажности обычно усредняется для определенного региона. Для средней полосы России =0,7-0,8.

В табл. 1.2 приведено насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от его температуры при нормальном атмосферном давлении.

При сжатии воздуха содержание влаги в нем при полном насыщении уменьшается.

Таблица 1.2. Насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от

температуры при стандартном атмосферном давлении

Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг
30	25,40	0	3,73	-30	0,229	-60	0,00695
25	19,07	-5	1,7	-35	0,133	-65	0,00286
20	14,17	-10	1,59	-40	0,077	-70	0,00163
15	10,35	-15	1,01	-45	0,043	-75	0,00073
10	7,48	-20	0,63	-50	0,024	-80	0,00032
5	5,313	-25	0,39	-55	0,013	-90	0,000082

Основными продуктами разделения предварительно осушенного воздуха в современных воздухоразделительных установках (ВРУ) являются следующие так называемые промышленные газы:

кислород технический – 99,2-99,7 % (1-й сорт – 99,7; 2-й сорт – 99,5; 3-й сорт – 99,2 %) и технологический – 92-98 % (в среднем – 95 %, остальное азот);

азот особой чистоты – не менее 99,996 %, высшего сорта – 99,994; 1-го сорта – 99,5; 2-го сорта – 99 и 3-го сорта – 97 %;

аргон высшего сорта – 99,993 и 1-го сорта – 99,987 %; сырой аргон – 86-90 %, содержащий до 4 % О₂ и до 10 % N₂; технический – 86-87 % с примесью 12-14 % азота;

первичный криптоноксеноновый концентрат с объемной долей криптона и ксенона до 0,2 %;

неоногелиевая смесь с объемной долей неона и гелия от 40 % и выше.

В дальнейшем сырой аргон и криптоноксеноновый концентрат подвергаются очистке и дополнительной ректификации.

Применение основных продуктов разделения воздуха – кислорода и азота, является одним из важных направлений технического прогресса в ряде отраслей промышленного производства. Это черная и цветная металлургия, химическая, нефтехимическая и пищевая промышленность, энергетика, медицина, машиностроение и пр. Использование кислорода и азота позволяет интенсифицировать технологические процессы в этих отраслях, способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества, снижению себестоимости.

По данным США использование кислорода в различных отраслях промышленности распределяется приблизительно следующим образом (в % от общего производства кислорода):

черная и цветная металлургия 60;

химическая промышленность 25;

ракетная техника и энергетика 10;

нефтепереработка 3;

прочие отрасли 2.

В течение последних 25 лет ежегодный прирост производства кислорода составляет 12-15 %.

Примерные удельные расходы кислорода на единицу продукции составляют:

в доменном производстве – 100-150 м³ на 1 т чугуна;

при конверторной выплавке стали – 55-60 м³/т кислорода 1-го и 2-го сорта;

в электроплавильном производстве – 15-20 м³/т кислорода того же качества;

в производстве азотной кислоты – 155 м³/т кислорода 1-3 сортов.

При аэрации и осветлении сточных вод в зависимости от степени их загрязнения расходуется от 2 до 24 м³/м3 воздуха, обогащенного кислородом.

С каждым годом все большее применение находит азот. В химической промышленности на производство аммиака, этилена, пропилена, азотных удобрений расходуется до 1000 м³ азота на каждую тонну продукта.

Особое развитие нашла так называемая "азотная технология". Она стремительно расширяет области своего внедрения:

в машиностроении, например, это азотирование поверхностей деталей, что обеспечивает повышение прочности и износостойкости. Закалка инструмента в жидком азоте повышает его стойкость до 90 раз. Значительно надежнее и прочнее становятся неразъемные соединения, полученные с помощью жидкого азота, например, запрессовка бандажей, втулок и пр.;

в пищевой промышленности – азот наилучший охладитель и консервант продуктов питания;

в легкой промышленности – обработка кож, различного сырья. Замораживание жидким азотом тканей позволяет роботизировать и автоматизировать процессы раскроя и пошива одежды;

в медицине – безболезненные и быстрые операции на коже, глазах. Консервация органов пересадки, крови и др.

Жидкий азот является важнейшим хладоносителем для предварительного охлаждения газов в криогенных установках. С его помощью получают жидкий водород, гелий и другие редкие газы. На него возлагают большие надежды энергетики – разработчики высокотемпературной сверхпроводимости.

Аргон применяют как защитную среду для расплавленных металлов от окисления при плавке, разливе и электросварке нержавеющих сталей, титана, магния, алюминия. При плазменно-дуговой резке легированных сталей, сплавов алюминия, меди. При получении чистых металлов – титана, циркония, ниобия, молибдена и др.

Широко используется аргон в электроламповой промышленности для заполнения ламп накаливания и газоразрядных ламп. Лампы накаливания с аргоном имеют повышенные срок службы и светоотдачу. Аргон препятствует диффузии вольфрама, помутнению колб, уменьшает тепловые потери, так как позволяет повысить температуру нити накаливания.

В полупроводниковой промышленности аргон используется как защитная среда при производстве монокристаллов титана, бария, кремния и других полупроводниковых материалов.

Сжижаются не только воздух и его компоненты. На практике широко применяются многие газы в сжиженном и твердом виде, например, CO₂, CH₄, H₂, F₂ и др. Некоторые из них применяются как хладагенты, другие как горючее и окислители. В ряде случаев сжижение ведется с целью перевоза и хранения.

Процессы сжижения газов довольно энергоемки. Например: для получения 1 т сухого льда (СО₂) затрачивается 125-150 кВтч электроэнергии;

1 т жидкого кислорода (О₂) – 1200-1500 кВтч;

1т жидкого водорода (Н₂) – 60000-80000 кВтч.

Эксергетический КПД процессов сжижения, реализуемых в технических установках, не превышает 20-25 %, а часто 10-15 %.