Лекция №7
СИСТЕМЫОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОДУКТАМИ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА.
I. Практическое применение продуктов разделения газов.
II. Адсорбционный метод разделения воздуха
III. Диффузионный метод разделения воздуха
IV. Криогенный метод разделения воздуха
V. Промышленные воздухоразделительные установки
I.
Практическое применение продуктов разделения газов.
Вряд ли можно найти какой-либо вид промышленной деятельности, где бы не играл значительную роль тот или иной из разделенных газов воздуха. Отметим лишь наиболее важные применения.
Кислород. В металлообработке кислород в сочетании с разными топливными газами (ацетиленом, пропаном, природным газом) применяется для резки и сварки сортовой стали высокотемпературным пламенем. Кислородно-ацетиленовое пламя используется для зачистки металлических поверхностей в целях удаления ржавчины и окалины, а также для пайки твердым припоем многих металлов. В металлургии с помощью кислорода в смеси с топливными газами производится огневая зачистка новой стали для удаления дефектов. Для ускорения процессов выплавки стали кислород в больших количествах расходуется в качестве обезуглероживающего и окислительного агента. В связи со все более широким распространением тугоплавких стекол кислород все шире применяется в технике формования стеклянных изделий. В космических ракетах кислород используется как компонент топлива. Из-за недостатка свободного места в таких летательных аппаратах он хранится в жидком виде, но перед подачей в двигатель преобразуется в газ.
Азот. Благодаря своей относительной инертности азот особенно подходит для защиты продуктов, портящихся (окисляющихся) под воздействием кислорода. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто прибегают как к средству предотвращения контакта с кислородом воздуха, способным привести к порче пищевого продукта или к потере естественного запаха. В химической, нефтяной и лакокрасочной промышленности азотная газовая подушка применяется для сохранения чистоты продукта и для предотвращения возгорания и взрыва в ходе технологической обработки. В электронной промышленности газообразным азотом продувают для вытеснения воздуха баллоны электронных ламп и корпуса полупроводниковых приборов перед их завариванием и герметизацией. Азот применяется для создания контролируемой атмосферы при отжиге и термообработке, для продувки расплавленного алюминия в целях удаления растворенного водорода и для очистки вторичного алюминия (скрапа). В электротехнике часто применяется атмосфера азота повышенного давления для поддержания высокого сопротивления изоляции и для увеличения срока службы изоляционных материалов.
Пространство для расширения в маслонаполненных трансформаторах обычно заполняют азотом. Жидкий азот широко применяется для охлаждения как в промышленности, так и в научных исследованиях, в частности в экологических тестах.
Аргон. В отличие от азота, который может вступать в реакцию с некоторыми металлами при повышенных температурах, аргон совершенно инертен при любых условиях. Поэтому он применяется для создания защитной атмосферы в производстве таких химически активных металлов, как титан и цирконий. Он служит также защитной средой при дуговой сварке трудносвариваемых металлов и сплавов – алюминия, бронзы, меди, монель-металла и нержавеющих сталей. Аргон хорошо подходит для заполнения (с добавкой азота) ламп накаливания. Обладая низкой теплопроводностью, аргон допускает более высокие температуры нити, что повышает световую отдачу лампы, а его значительная молекулярная масса затрудняет испарение металла из раскаленной вольфрамовой нити. В результате увеличивается срок службы лампы.
Аргоном, чистым или в смеси с другими газами, заполняют также люминесцентные лампы, как осветительные (с термокатодом), так и рекламные (с холодным катодом). Кроме того, он применяется в производстве высокочистых полупроводниковых материалов (германия и кремния) для изготовления транзисторов.
Неон, криптон и ксенон. Все эти три газа обладают повышенной способностью к ионизации, т.е. они становятся электропроводящими при значительно меньших напряжениях, чем большинство других газов. Будучи ионизованы, эти газы, так же как аргон и гелий, испускают яркий свет, каждый своего цвета, а потому используются в лампах для рекламного освещения. В электронной промышленности эти редкие газы применяются для заполнения особых видов электронных ламп – стабилитронов, стартеров, фотоэлементов, тиратронов, ультрафиолетовых стерилизационных ламп и счетчиков Гейгера. В атомной промышленности ими наполняют ионизационные и пузырьковые камеры и другие устройства для исследования субатомных частиц и измерения интенсивности проникающего излучения.
Водород, гелий и углекислый газ. Эти газы в больших количествах производятся другими методами, при которых их производство обходится дешевле. Поэтому после выделения в процессе ректификационного разделения воздуха их обычно выпускают в атмосферу.
Применение водорода. Водород применяется главным образом в химической промышленности для производства хлороводорода, аммиака, метанола и других органических соединений. Он используется при гидрогенизации масел, а также угля и нефти (для превращения низкосортных видов топлив в высококачественные). В металлургии с помощью водорода восстанавливают некоторые цветные металлы из их оксидов. Водород используют для охлаждения мощных электрогенераторов. Изотопы водорода находят применение в атомной энергетике. Водородно-кислородное пламя применяется для резки и сварки металлов.
Области применения жидкого водорода: существует широкий класс криогенных систем, в которых в качестве рабочей среды использован водород:
1) В жидкостных ракетных двигателях, водородное топливо (топливо на основе водорода) было использовано в космических системах «Апполон» и «Шаттл». Наиболее крупные ожижители водорода предназначены для обеспечения ракетных двигателей эффективным горючим.
2) Криогенные водородные системы используют в экспериментальной технике. Они обеспечивают охлаждение до 20 К, а при давлении жидкого водорода менее 105Па можно понизить температуру до 14 К. Охлаждение до таких температур применяют в термобарокамерах и криостатах. Водородный уровень охлаждения характерен для криогенных вакуумных насосов. В водородных пузырьковых камерах изучают ядерные превращения.
3) Получение дейтерия из водорода относится к процессам жидководородной технологии. Тяжелый изотоп водорода – дейтерий – используется для получения тяжелой воды D2O, которая является лучшим замедлителем для ядерных реакторов. Дейтерий- редкий изотоп: его массовая доля в водороде составляет 1/6400, что усложняет процессы его получения. Один из способов извлечения дейтерия из водорода – ректификация жидкого водорода.
4) Водородная энергетика. Использование водорода в качестве источника энергии (в основном в транспортных системах), способного заменить газ и нефть. Теплота сгорания водорода в 3 раза выше, чем у нефти. Проблемы: разработка дешевых способов получения газообразного (из воды) и жидкого водорода, надежные системы хранения жидкого водорода и заправки на транспортных объектах. Разрабатываются автомобили с водородными двигателями, ведутся исследования по применению жидкого водорода в авиации, что позволит улучшить характеристики самолетов.
Таким образом, азот, кислород, аргон, неон, криптон, ксенон являются основными продуктами разделения воздуха и извлекаются из него в промышленных масштабах методами низкотемпературной ректификации и сорбции.
II
Адсорбционный метод разделения воздуха
Основан на избирательной адсорбции молекул различных газов. Селективная адсорбция N2 наиболее сильно проявляется на синтетических цеолитах типа СаА, у которых соотношение А = SiO2/Al2O3 не превышает 2, а также на природных морденитах и клиноптилолитах. (ЦЕОЛИТЫ, семейство минералов, водных алюмосиликатов кальция, натрия, калия, бария и др.; включает около 50 минеральных видов. Наиболее распространенные из них: натролит, стильбит, гейландит, томсонит, анальцим, ломонит, филлипсит, шабазит, морденит и клиноптилолит. К цеолитам относят редкий цезий содержащий минерал поллуцит. Название «цеолит» в переводе с греч. означает «кипящий камень» и характеризует поведение минерала при прокаливании). Движущая сила процесса - перепад давлений газа над цеолитом при адсорбции и десорбции. Адсорбцию проводят, как правило, при 20-30°С и 0,1-0,6 МПа, десорбцию - при 20-30°С снижением давления до атмосферного с последующей промывкой частью продукта или путем вакуумирования. Целевой продукт-воздух, обогащенный О2 (30-95%). Он образуется в газовой фазе и отбирается из ВРУ под тем же давлением, что и воздух, который поступает на разделение. Продукт, содержащий до 80% О2, обычно производят в одну ступень, более концентрированный экономичнее получать в две ступени. Коэффициент извлечения продукта из воздуха зависит от требуемой степени его чистоты и давления процесса и колеблется в пределах 0,3-0,8; при этом расход энергии составляет от 0,2 до 1,0 кВт.ч/м3 продукта.
В воздухоразделительной установке (ВРУ) с селективной адсорбцией О2 при температуре окружающей среды применяют активные угли типа молекулярных сит (напр., угли, получаемые карбонизацией поливинилиденхлорида). Преимущественно адсорбция О2 происходит вследствие большей скорости диффузии его в поры угля, диаметр которых соизмерим с диаметром молекул О2 (2,8-10-10 м). Более крупным молекулам N2 для проникновения в поры угля требуется гораздо больше времени. Например, для некоторых типов углей объемное насыщение N2 через 2 мин после контакта адсорбента с воздухом составляет лишь 2%, для О2 - 40%; через 5 мин-соотв. 4 и 77%. В результате основная масса кислорода оказывается адсорбированной, а азот, оставшийся в газовой фазе, отводится из адсорбера под давлением 0,1-0,6 МПа как один из продуктов разделения, содержащий 0,5-3,0% О2. Затем давление снижают до атмосферного и отбирают другой продукт - адсорбат, обогащенный кислородом. При этом в одноступенчатом процессе получают продукт, содержащий 50-60% О2, в двухступенчатом - 90-95%. Удельная производительность ВРУ по обогащенному воздуху достигает около 30 м3/ч на 1 м3 адсорбента.
Адсорбционный метод широко применяется для разделения смесей Ne - Не и Кг -Хе. Смесь, содержащую до 50% неона и гелия, предварительно очищают от N2 с помощью активного угля при температурах от - 190 до - 200 °С и вводят в адсорбер, где на слое угля подвергают термическому разделению. При этом многократно происходят десорбция в нагретых слоях и последующая адсорбция в холодных, в результате чего Ne практически полностью вытесняет Не из адсорбированной фазы. Сначала из адсорбера выводится почти чистый Не, затем фракция He-Ne и, наконец, чистый Ne, содержащий 0,1-0,2% Не.
Коэффициент извлечения Ne в зависимости от степени его чистоты составляет 0,6-0,8.
Первичный концентрат Kr-Хе, отбираемый из ВРУ, представляет собой смесь кислорода с 0,1-0,2% криптона и ксенона и примерно таким же кол-вом углеводородов. Для предотвращения взрывов этот концентрат очищают от углеводородов, окисляя их на катализаторе (напр., активном А12О3) при 650-750°С и поглощая цеолитом в адсорбере продукты окисления. Затем концентрат подвергают ректификации для очистки от О2, благодаря чему содержание смеси Кr-Хе в исходном концентрате увеличивается в 500-1000 раз. Одновременно повышается содержание углеводородов, поэтому необходима повторная очистка от них на катализаторах и от продуктов окисления - на цеолитах. Далее смесь Kr-Хе сжижают и разделяют в аппарате двукратной ректификации).
Применение адсорбционного метода позволяет существенно упростить по сравнению с традиционными методами обогащения технологию получения Кг и Хе.
Криогенная ректификация экономичнее, чем адсорбция, при получении продуктов разделения в больших масштабах. Для ВРУ малой и средней производительности упомянутые методы сопоставимы по энергозатратам; по металлоемкости, простоте конструкции, удобству обслуживания и возможности полной автоматизации установок адсорбционный метод значительно превосходит криогенное ректификационное разделение воздуха.
III
Диффузионный метод разделения воздуха
Заключается в разделении компонентов воздуха благодаря различию между их коэффициентами газопроницаемости через специальные мембраны. Движущая сила процесса - разность парциальных давлений компонентов воздуха и диффундирующей смеси по обе стороны мембраны. По одной схеме воздух, очищенный от пыли на фильтре, направляется вентилятором при атмосферном давлении в мембранный аппарат, где в зоне под мембраной с помощью вакуум-насоса создается разрежение; по другой - вместо вентилятора используют компрессор, который подает воздух в аппарат под повышенным давлением. В обоих случаях воздух в аппарате разделяется на два потока: проникающий (пермеат) и не проникающий (нонпермеат) через мембрану. Кислород проникает через мембрану в несколько раз быстрее, чем азот, поэтому пермеат обогащается кислородом, а нонпермеат - азотом.
Содержание О2 в отбираемой смеси зависит от соотношений потоков и давлений воздуха и пермеата, а также от разделяющей способности (селективности) мембраны. При максимальных упомянутых соотношениях содержание О2 в пермеате возрастает; для получения смеси, обогащенной N2, необходимо поддерживать минимальное соотношение потоков и максимальное соотношение давлений воздуха и пермеата. Содержание О2 и N2 в продуктах разделения тем больше, чем выше селективность мембран. В промышленности применяют мембраны из поливинилтриметилсилана, обладающие хорошей селективностью и высокой газопроницаемостью.
Диффузионный метод разделения воздуха нашел практическое применение в тех случаях, когда требуются относительно небольшие количества воздуха, умеренно обогащенного О2:
- в медицине для кислородной терапии;
- в рыборазведении для насыщения кислородом воды прудов и др. водоемов;
- на электростанциях при сжигании газообразных топлив (главным образом природного газа в специальных газогенераторах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую);
- при биологической очистке сточных вод;
- в городском хозяйстве при сжигании бытовых отходов и др.
Полученный этим методом 90-97%-ный N2 используется для создания инертной среды во многих химико-технологических процессах, а также при хранении и транспортировке горючих и взрывоопасных веществ, при хранении плодов, овощей, семян и т.д
Разделения воздуха с применением мембран осуществляется непрерывным способом, при температуре окружающей среды без фазовых превращений, что наряду с простотой аппаратурного оформления определяет экономичность этого метода.
IV
Криогенный метод разделения воздуха
Криогенный процесс разделения воздуха протекает в три этапа:
1) подготовка, или очистка, воздуха;
2) преобразование очищенного воздуха в жидкую фазу (ожижение);