Экологич. преимущества производства окатышей по сравнению с производством агломерата.

72. Применяемые схемы получения жидкого воздуха и их сравнительная характеристика.СХЕМА

Получение. Существует 3 основных способа получения К.: химический, электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).

Химический способ изобретён ранее других. К. можно получать, например, из бертолетовой соли KClO₃, которая при нагревании разлагается, выделяя O₂ в количестве 0,27 м³ на 1 кг соли. Окись бария BaO при нагревании до 540 °С сначала поглощает К. из воздуха, образуя перекись BaO₂, а при последующем нагревании до 870 °С BaO₂ разлагается, выделяя чистый К. Его можно получать также из KMnO₄, Ca₂PbO₄, K₂Cr₂O₇ и других веществ при нагревании и добавлении катализаторов. Химический способ получения К. малопроизводителен и дорог, промышленного значения не имеет и используется лишь в лабораторной практике.

Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения её электропроводности добавлен раствор едкого натра NaOH. При этом вода разлагается на К. и водород. К. собирается около положительного электрода электролизёра, а водород - около отрицательного. Этим способом К. добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2 м³ водорода и 1 м³ К. затрачивается 12-15 квтЇч электроэнергии.

Разделение воздуха является основным методом получения К. в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а затем уже разделяют на составные части. Такой способ получения К. называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (-180 °С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого К., основано на различии температуры кипения его компонентов [t_kип O₂ 90,18 К (-182,9 °С), t_kип N₂ 77,36 К (-195,8 °С)]. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается К. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий К. нужной чистоты (концентрации). В СССР выпускают мелкие (на несколько л) и самые крупные в мире кислородные воздухоразделительные установки (на 35000 м³/ч К.). Эти установки производят технологический К. с концентрацией 95-98,5%, технический - с концентрацией 99,2-99,9% и более чистый, медицинский К., выдавая продукцию в жидком и газообразном виде. Расход электрической энергии составляет от 0,41 до 1,6 квтЇч/м³.

К. можно получать также при разделении воздуха по методу избирательного проницания (диффузии) через перегородки-мембраны. Воздух под повышенным давлением пропускается через фторопластовые, стеклянные или пластиковые перегородки, структурная решётка которых способна пропускать молекулы одних компонентов и задерживать другие. Этот способ получения К. пока (1973) используется лишь в лабораториях.

73. Ректификация воздуха. Аппараты одно- и двукратной ректификации.

Ректификация — это процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых час­тичных испарений и конденсаций. Воздух в первом при­ближении можно рассматривать как двойную смесь, состо­ящую из азота и кислорода. Температура кипения и кон­денсации смеси зависит не только от давления, как для чистых компонентов, но и от состава смеси. Температура кипения азота ниже температуры кипения кислорода (соот­ветственно 77,4 и 90,19 К при давлении 0,1 МПа). Поэтому чем больше в смеси будет содержаться азота, тем ниже будет температура кипения смеси. Другой характерной особенностью двойных смесей является то, что пар, находящийся в равновесии с жидкостью, всегда содержит больше вещества с более низкой температурой кипения, чем жидКОСТЬ.

Процесс разделения жидкого воздуха производится в ректификационных колоннах однократной и двукратной ректификации. Воздухоразделительные аппараты однократной ректификации применяются в некоторых установках малой производительности и в установках для производства жидкого кислорода. В установках большой производительности применяется двукратная ректификация воздуха, осуществляемая в ректификационных колоннах. Эти колонны вместе со вспомогательным оборудованием располагаются в отдельном теплоизолированном блоке, называемом блоком разделения (БР).

В аппаратах двухкратной ректификации по­лучаются практически чистые продукты разделения — азот и кислород.

Аппарат состоит из двух частей: нижней — высокого давления и верхней — низкого давления. Давление в ниж­ней колонне составляет 0,55—0,6 МПа, в верхней 0,13—0,14 МПа.

Воздух, предварительно очищенный от вредных приме­сей, в виде сухого насыщенного пара поступает в нижнюю часть колонны 1. При входе в колонну воздух

Рис. IV.2. Схемы воздухоразделительных аппаратов двукратной ректификации при различном состоянии воздуха на входе в аппа­рат

конденсируется, отдавая тепло конденсации на испарение легколетучего компонента — азота. В результате испарения азота жидкий воздух обогащается кислородом до 39—40 % и через переохладитель 4 и дроссельный вентиль 6 направ­ляется как исходная смесь в верхнюю часть колонны 3. Пары азота поднимаются по нижней части колонны к кон­денсатору-испарителю 2, где конденсируются в трубном пространстве. В межтрубном конденсаторе-испарителе на­ходится жидкий кислород, который кипит за счет тепла конденсации азота.

Жидкий азот, стекая из конденсатора-испарителя вниз, разделяется на два потока. Один поток орошает тарелки нижней части колонны, другой собирается в карманах и затем направляется для орошения в верхнюю часть колон­ны через переохладитель 5 и дроссельный вентиль 7.

При дросселировании жидкого воздуха R и азота N их давление снижается, что позволяет получить дополнитель­ное количество холода для покрытия холодопотерь и сни­жения температуры в верхней части колонны.

В верхней части колонны происходит окончательное раз­деление воздуха на азот А и кислород К. Газообразный азот с концентрацией 97—98 % проходит через переохладитель азотной флегмы 5 и переохладитель жидкого воздуха 4 (кубовой жидкости), где охлаждает азотную флегму и жидкий воздух. Кислород с концентрацией 99,8—99,7 % может отбираться из колонны как в жидком, так и в газо­образном виде.

В случае, если воздух подается на разделение с давле­нием больше 0,6 МПа, он предварительно ох­лаждается в змеевике, а затем дросселируется до давления 0,55—0,6 МПа и в виде жидкости подается на орошение в среднюю часть нижней части колонны. Такая схема по­зволяет повысить концентрацию кислорода в кубовой жид­кости и увеличить количество азотной флегмы, что улучша­ет процесс ректификации вверхней части колонны.

Если в установке получается только жидкий кислород (рис. 1У.2, в), то в нижнюю часть колонны, как правило, подаются два потока: воздух газообразный Д (низкого дав­ления) и жидкий В—Д (высокого давления). Жидкий воз-_: дух перед подачей в среднюю часть нижней части колонны дросселируется до давления 0,55—0,6 МПа.

Кроме приведенных на рис. 1У.2 схем аппаратов, в тех­нике применяются и другие схемы, которые позволяют по­высить эффективность процесса разделения воздуха.

Материальный баланс для колонны двукратной ректи­фикации воздуха имеет следующий вид:

В = К + А,

где В— количество разделяемого воздуха, кг/ч; К и А — соответственно количество получаемого кислорода и азота,

кг/ч.

ДРУГОЙ ВАРИАНТ. Ректификация воздуха в кислор установках.

Ректификация - это процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых час­тичных испарений и конденсаций. Воздух в первом при­ближении можно рассматривать как двойную смесь, состо­ящую из азота и кислорода. Температура кипения и кон­денсации смеси зависит не только от давления, как для чистых компонентов, но и от состава смеси. Температура кипения азота ниже температуры кипения кислорода (соот­ветственно 77,4 и 90,19К при давлении 0,1 МПа). Поэтому чем больше в смеси будет содержаться азота, тем ниже будет температура кипения смеси. Другой характерной осо­бенностью двойных смесей является то, что пар, находя­щийся в равновесии с жидкостью, всегда содержит больше вещества с более низкой температурой кипения, чем жид­кость.

Процесс разделения жидкого воздуха производится в ректификационных колоннах однократной и двукратной ректификации. Воздухоразделительные аппараты однократ­ной ректификации применяются в некоторых установках малой производительности и в установках для производст­ва жидкого кислорода. В установках большой производи­тельности применяется двукратная ректификация воздуха, осуществляемая в ректификационных колоннах. Эти колон­ны вместе совспомогательным оборудованием располага­ются в отдельном теплоизолированном блоке, называемом блоком разделения (БР).

В аппаратах двукратной ректификации получаются практически чистые продукты разделения - азот и кислород. Аппарат состоит из двух частей: нижней - высокого давления и верхней - низкого давления. Давление в ниж­ней колонне составляет 0,55-0,6 МПа, в верхней 0,13-0,14 МПа.

Воздух, предварительно очищенный от вредных приме­сей, в виде сухого насыщенного пара поступает в нижнюю часть колонны 1. При входе в колонну воздух конденсируется, отдавая тепло конденсации на испарение легколетучего компонента - азота. В результате испарения азота жидкий воздух обогащается кислородом до 39-40 % и через переохладитель 4 и дроссельный вентиль 6направ­ляется как исходная смесь в верхнюю часть колонны 3. Пары азота поднимаются по нижней части колонны к кон­денсатору-испарителю 2, где конденсируются в трубном пространстве. В межтрубном конденсаторе-испарителе на­ходится жидкий кислород, который кипит за счет тепла конденсации азота.

Жидкий азот, стекая из конденсатора-испарителя вниз. разделяется на два потока. Один поток орошает тарелки нижней части колонны, другой собирается в карманах и затем направляется для орошения в верхнюю часть колонны через переохладитель 5 и дроссельный вентиль 7. Здесь происходит окончательное разделение воздуха на азот и кислород.

74. 2.Вакуум, его классификация и использование в металлургическом производстве.

Вакуумом (от лат. Vacuum – пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в системе СИ служит Паскаль (1 Па = 1 Н/м2). В практике вакуумных измерений широко используется другая внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133 Н/м2).

Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины свободного пробега л к характерному (определяющему) линейному размеру сосуда. Это отношение называется числом Кнудсена Кn и оно положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий:

Низкий вакуум характеризуется давлением газа при котором средняя длина свободного пробега молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда L << л. Низкому вакууму обычно соответствует область давлений 760 ч 1 мм.рт.ст.

Средний вакуум: характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пробега соизмерима с линейным размером сосуда (л. L). Область давлений 1 ч 10-3 мм.рт.ст.

Высокий вакуум: средняя длина свободного пробега много больше линейных размеров (л >> L). Область давлений 10-3 ч 10-7 мм.рт.ст.).

Сверхвысокий вакуум: характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Обычно этому соответствует область давлений меньше 10-7 мм.рт.ст. Вакуумная система, или вакуумная установка, представляет собой ёмкость, соединённую с вакуумными насосами, и включает в себя вакуумметры,вакуумную арматуру, течеискатели и др. устройства. Выбор типа вакуумного насоса для поддержания вакуума при обеспечении заданного процесса определяется рабочим диапазоном давлений насоса и его предельным давлением; быстротой откачки насоса в заданном диапазоне. Порядок получения высокого вакуума следующий: механическими форвакуумными насосами от атмосферного давления до 10^-1 н / м ²(10^{-3 мм рт. ст.} ); диффузионными насосами до 10^-5 н / м ²(10^{-7 мм рт. ст.} ); ионно-сорбционными насосами до 10^-9 н / м ² (10^{-11 мм рт. ст} .). Достижение давлений порядка 10^-6—10^-7 н / м ²(10^-8 — 10^{-9 мм рт. ст.} ) и меньше невозможно без предварительного удаления газа со стенок откачиваемого объёма.

В металлургии в вакууме восстанавливают металлы из руд и их химических соединений, производят плавку, рафинирование и дегазацию металлов. Процессы плавки, испарения и перегонки металлов в вакууме лежат в основе получения материалов высокой чистоты. Для этого в металлургии применяют высокопроизводительные многопластинчатые пароэжекторные насосы и бустерные (пароструйные и механические) с рабочим давлением до 10^-2 н / м ²(10^{-4 мм рт. ст.} ).

Вакуумная плавка, плавка металлов и сплавов под пониженным давлением, чаще всего 10^-1—10^-4 н / м ² (10^-3—10^{-6 мм рт} . ст.). Позволяет эффективно очищать металл от газов (азота, кислорода и водорода), примесей цветных металлов и неметаллических включений; успешно используется в производстве металлов для особо ответственных изделий. Эту плавку осуществляют в вакуумных электропечах. В. п. металлов и сплавов получила промышленное применение в начале 50-х гг. 20 в.

Все вакуумные насосы можно разделить на высоковакуумные и низковакуумные, а по физическому принципу действия – на механические, сорбционные, ионные. Среди механических насосов выделяют объёмные и молекулярные, основанные на передаче количества движения молекулам газа от движущихся поверхностей.
Насосы объёмного типа осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных насосов появился раньше остальных и получил широкое применение в различных конструкциях: поршневая, жидкостно-кольцевая и ротационная.
Среди насосов с передачей количества движения молекулам газа различают: водоструйные, эжекторные, диффузионные и молекулярные. Их характеристики можно рассчитать на основании закономерностей внутреннего трения в газах.
Сорбционные явления в вакууме широко используются для откачки газов из вакуумных систем. На принципе хемосорбции основана работа испарительных насосов. Физическая адсорбция и конденсация используются для откачки газов криосорбционными насосами: адсорбционными и конденсационными.
Направленное движение предварительно заряженных молекул газа под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Принцип ионной откачки совместно с сорбционным используется в конструкциях ионно-сорбционных насосов.
Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.

---

Дата добавления: 2015-07-14