Производство азота и кислорода методом глубокого охлаждения

Для ряда процессов в азотной промышленности требуются значительные количества чистого азота и технологического кислорода. Их получают методом сжижения воздуха и его ректификацией. Попутно при ректификации могут быть выделены аргон, криптоноксеноновая фракция и неоногелиевая смесь.

В 1877 г. почти одновременно французский физик Л.Кальете и щвейцарский физик Р.Пикта разными методами впервые получили капли жидкого воздуха. В большем количестве жидкий воздух получен в 1883г. польскими учеными Ольшевским и Вроблевским. Вскоре после этого были сжижены и остальные газы.

В 1895 г. К.Линде построил первую установку для сжижения воздуха, действие которой было основано на использовании эффекта дросселирования и регенерации теплоты в противоточном теплообменнике. В 1902г. Ж..Клод для сжижения воздуха впервые применил расширительную машину (детандер).

Применение газообразного технологического кислорода (95-97%) в химической и металлургической промышленности, технического кислорода (99.5%) для сварочных работ, жидкого кислорода в авиации и ракетной технике, чистого азота (99.998%) для синтеза аммиака привело к широкому развитию строительства крупных установок для разделения воздуха.

Результаты работ, выполненных в течение последних десятилетий акад. Капицей и коллективом института криогенного машиностроения, дали возможность создать мощные воздухоразделительные установки с применением высокоэффективных турбодетандеров, работающих по циклу низкого давления.

Рассмотрим качественный и количественный состав воздуха. Содержание азота – 78.09% (об), кислорода – 20.95%, диоксида углерода – 0.03%, инертных газов – 0.93%. Кроме перечисленных компонентов, воздух может содержать незначительные количества водорода и водяного пара.

Для выделения из воздуха азота и кислорода высокой чистоты применяется метод ректификации жидкого воздуха. Воздух, охлаждая, переводят в жидкое состояние, а затем для получения отдельных компонентов последовательно испаряют при различных температурах. Жидкий воздух при атмосферном давлении кипит при температуре -192⁰С.

Температура ожижения газа зависит от давления. Чем меньше давление газа, тем ниже температура его ожижения. Температура, выше которой газ не переходит в жидкое состояние ни при каком, даже очень высоком давлении, называется критической. Давление, при котором происходит ожижение газа при критической температуре, также называется критическим. Каждый газ имеет свои определенные значения критической температуры и давления. Некоторые физические константы воздуха приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Показатели	Величина
азот	кислород	воздух
Температура кипения при нормальных условиях, ^0К Критическая температура, ^0К Критическое давление, атм	77.35   126.1 34.6	90.19   154.4 51.3	81.15   132.55 38.4

При низких температурах, близких к критическим, и высоких давлениях уравнение состояния газов Клайперона-Менделеева дает большие погрешности. Для определения основных параметров – давления, объема и температуры реальных газов наиболее применимо уравнение Ван-дер-Ваальса:

(Р + а/v²) (v - b) = RT

В отличие от уравнения Клайперона в это уравнение входит поправка а/V², учитывающая силы взаимного притяжения молекул и член b, учитывающий несжимаемый объем собственно молекул.

Таблица 3.

	а	в
азот	1.347	38.52
кислород	1.360	31.9
воздух	1.330	36.6
водород	0.425	26.6
аргон	1.350	32.3

Жидкий воздух разделяют на жидкий кислород и газообразный азот многократным испарением жидкости и конденсацией ее паров. Такой процесс называется многократной ректификацией. При испарении жидкого воздуха испаряется преимущественно азот, имеющий более низкую температуру кипения. По мере испарения и удаления паров азота жидкость все более и более обогащается кислородом. Повторяя процесс испарения и конденсации многократно, получают азот и кислород определенной степени чистоты. Процесс ректификации осуществляю в специальных аппаратах, так называемых ректификационных колоннах.

Дата добавления: 2015-07-26