Разделение воздуха

Теоретически минимальная работа для разделения воздуха определяется как сумма работы изотермического сжатия каждого компонента от его парциального давления до давления смешения.

L_min= mRT S p_n ln 1/p_n (1.2.3.6)

p_{n –}парциальное давление компонентов n в смеси, ат;

mR- универсальная газовая постоянная, равная 8.314кДж/(кмоль град);

Т- температура,⁰К

Для разделения на кислород и азот, сжиженный воздух подвергается ректификации. В современных агрегатах ректификация жидкого воздуха происходит в колоннах двукратной ректификации. Число тарелок ректификационной колонны зависит от требуемой чистоты продуктов разделения. Используемый для сжижения и разделения воздух должен быть осушен, очищен от пыли, углекислоты и других примесей. Содержание пыли в воздухе должно быть не более 0.02 г/м³. Забор воздуха для разделительных установок производится вне территории предприятия, что обеспечивает большую его чистоту. Тщательная очистка от механических примесей необходима, так как они вызывают преждевременный износ компрессоров и регулирующей арматуры разделительных установок.

Для очистки воздуха от пыли служат самоочищающиеся фильтры с передвигающимися фильтрующимися сетками, матерчатые и суконные фильтры рукавного типа. Более тонкая очистка воздуха производится в масляных фильтрах, которые представляют собой камеры, состоящие из ряда кассет, заполненных кольцами Рашига. Периодически кассеты вынимают из камеры и промывают керосином, после чего снова погружают в сосуд с маслом и вставляют в камеру.

Содержание влаги в воздухе зависит от атмосферных условий. Необходима тщательная осушка воздуха, так как лед, образовавшийся при конденсации и последующем замерзании паров воды, забивает оборудование. Осушка воздуха производится следующими способами:

1. Путем адсорбции на силикагеле, содержание воды после него должно быть не более 0.03 г/м³ (точка росы -52 ⁰С), на цеолитах – влажность снижается до 0.005 г/м³ (точка росы -64⁰С). Регенерация адсорбента производится азотом, нагретым до 170-180⁰С при осушке силикагеля и 245-270⁰С при осушке цеолитом. Цеолиты применяются и для очистки воздуха от углекислоты, аргона.

2. Вымораживанием. В крупных разделительных установках вода вымораживается из воздуха в регенераторах. Воздух в регенераторах охлаждают до минусовой температуры. При температуре до 0⁰С на холодной поверхности насадки регенератора влага воздуха конденсируется в виде воды, при температуре до -30⁰С конденсируется переохлажденная вода. Для удаления осевшей влаги в регенератор в обратном направлении пропускают теплый сухой азот или кислород.

Газообразный диоксид углерода при глубоком охлаждении воздуха переходит в твердое состояние и оседает в теплообменниках, на тарелках ректификационной колонны, испарителях и т.д. Это приводит к нарушению технологического режима работы разделительных установок. Поэтому тщательная очистка воздуха от диоксида углерода имеет важное значение для нормальной работы разделительной установки. Очистка воздуха от углекислоты проводится или в скрубберах, орошаемых раствором гидроокиси натрия или в регенераторах, где углекислота вымораживается, отлагаясь на холодной насадке регенератора при прохождении через него воздуха и затем уносится обратным потоком кислорода или азота в период отогрева регенератора. Регенератор снабжен или насадкой в виде дисков из свернутой по спирали гофрированной алюминиевой ленты или в качестве насадки таких регенераторов применяется кусковой базальт или гранит. В регенераторы сверху вниз под давлением Р=6атм подается воздух (прямой поток), а через каждые 3-9 минут – кислород или азот (обратный поток) под давлением
Р=1.1-1.2атм. Чтобы предотвратить забивку (замерзание) регенератора, необходимо обеспечить удаление обратным потоком газа, всех примесей, накапливающихся на насадке. Чем больше отношение объема обратного потока газа к объему прямого потока и меньше разница температур между потоками, тем полнее происходит самоочистка регенератора. Большое значение для безопасной работы имеет очистка воздуха от ацетилена. Накопление больших количеств ацетилена может привести к взрыву. Вследствие малого парциального давления ацетилен не выделяется из воздуха в теплообменниках и регенераторах.

В настоящее время для получения чистого азота и технологического кислорода применяются воздухоразделительные установки различного типа. В РФ применяются установки низкого давления типов БР-6 или БР-9 Характеристика установок для получения азота и кислорода приведена в таблице

Типы установок	Производительность, м^3/ч	Количество перерабатываемого воздуха, м^3/ч
Высокого давления	Низкого давления	99.998% N2	92.98% O2	99.5% O2
КТ-3600
БР-5
БР-6
БР-9
БР-2

На большинстве предприятий азотной промышленности в основном применяются агрегаты БР-6, работающие по принципу низкого давления (цикл Капицы).

Принципиальная технологическая схема агрегата показана на рис.4

Воздух из турбокомпрессора под давлением Р=6атм поступает в азотные и кислородные регенераторы 1 и 2. Количество перерабатываемого в агрегате воздуха 48500м³/ч. Большая его часть (69%) направляется в один из азотных регенераторов, остальное – в один из кислородных регенераторов. По трубкам теплообменника, встроенным в азотный регенератор, проходит чистый азот. Теплообменники, размещенные в кислородных регенераторах, состоят из двух секций: в трубках одной секции движется чистый азот, в трубках другой – технический кислород. Межтрубное пространство регенераторов заполнено базальтовой насадкой. В регенераторах воздух охлаждается до 100⁰К, из него вымораживается вода и углекислота, осаждаемые на насадке регенератора. Воздух охлаждается за счет теплообмена с каменной насадкой и с азотом, нагревающимся в трубках змеевиков.

Рис. 4. Схема агрегата разделения воздуха типа БР-6:

/—азотные регенераторы; 2 — кислородные регенераторы; 3 — предвымораживатель; 4– вымораживателн; 5 —адсорбер ацетилена; 6 — фильтры-адсорберы; 7 —подогреватель азота; 8 —переохлалитель кубовой жидко­сти; 9 —верхняя ректификационная колонна; 10 — переохладитель чистой азотной флегмы; 11 — подогреватель технологического кислорода; 12 — по­догреватель чистого азота; 13 — отделитель жидкости; 14 — нижняя рек­тификационная колонна; 15— отделитель ацетилена; 16— выносной кон­денсатор; 17 — колонна технического кислорода; 18 —адсорбер ацетилена; / 9 — основные конденсаторы; 20 — фильтры; 21 — турбодетандеры.

Переключение азотных и кислородных регенераторов производится каждые 9 минут, полный цикл работы регенераторов составляет 18 минут. Чтобы обеспечить незамерзаемость регенератора, т.е., чтобы обратный поток удалял с насадки твердые отложения (лед и углекислоту), часть воздуха (10.6%) – так называемый петлевой поток – отбирается из середины азотных и кислородных регенераторов при температуре 180⁰К. Петлевой поток далее поступает в предвымораживатель 3,где охлаждается до 152⁰К, нагревая поток воздуха, идущего в турбодетандер 21. Затем петлевой воздух поступает в трубы одного из вымораживателей 4. Здесь при охлаждении воздуха до 111⁰К из него выделяется углекислота. Переключение вымораживателей производится через 20-30ч их работы. По выходе из вымораживателя петлевой поток соединяется с потоком воздуха, выходящего из регенераторов, и поступает в куб нижней колонны 14. В этой колонне большая часть воздуха подвергается предварительному разделению, в результате чего получается чистая азотная флегма, содержащая 99.998% азота, грязная азотная флегма, содержащая 95% азота, и кубовая жидкость, в которой содержится 40% кислорода. Примерно 27% воздуха проходит три нижние тарелки ректификационной колонны 14, очищаясь от твердых частиц двуокиси углерода, унесенных из регенераторов, и направляется частично в вымораживатель 4 и в предвымораживатель 3, затем смешивается с остальной частью воздуха, идущей непосредственно к турбодетандеру, и при 125⁰К, поступает в турбодетандер 21. Здесь воздух расширяется с 6 до 1.5 атм, при этом его температура снижается до 91⁰К. Далее воздух проходит адсорбер ацетилена 5 и поступает на 14 тарелку верхней ректификационной колонны 9.

Отбираемая из нижней колонны кубовая жидкость очищается от твердых частиц углекислоты и ацетилена в одном из фильтров – адсорберов 6, после чего переохлаждается потоком грязного азота в переохладителе 8 и дросселируется на 17 тарелку верхней колонны 9. С 14-ой тарелки нижней колонны 14 отбирается грязная флегма, содержащая до 5% кислорода, которая дросселируется на 30 тарелку верхней колонны 9. Пары чистого азота из верхней части колонны 9 поступают в межтрубное пространство двух прямоточных основных конденсаторов 19. Здесь происходит конденсация паров и испарение кислорода, кипящего в трубках конденсатора. Отсюда жидкий азот поступает в сборник при нижней колонне. Часть азота из сборника подается на орошение этой колонны, часть поступает в переохладитель 10, затем дросселируется на верхнюю тарелку ректификационной колонны 9. Из нижней колонны 14 часть газообразного азота поступает в выносной конденсатор 16 и в конденсатор колонны 17. Сконденсировавшийся в аппарате 16 азот проходит переохладитель 10 и дросселируется в верхнюю колонну 9, жидкий азот из конденсатора колонны 17 также дросселируется в верхнюю колонну.

В результате ректификации в верхней колонне 9 получается чистый азот, содержащий до 0.002% кислорода, грязный азот, содержащий до 5% кислорода и технологический 95% кислород. Чистый азот (15000м³/ч), выходящий из верхней ректификационной колонны, проходит переохладитель 10 и подогреватель 12, а затем при 95⁰К поступает в змеевики, встроенные в азотные и кислородные регенераторы 1 и 2, где нагревается до 302⁰К. По змеевикам всех регенераторов непрерывно проходит чистый азот, независимо от переключения потоков, движущихся по насадке регенераторов.

Грязный азот с 30 тарелки верхней колонны 9 последовательно поступает в переохладитель 8 кубовой жидкости и в подогреватель азота 7, а затем в один из азотных регенераторов 1, где охлаждает его насадку и уносит с собой углекислоту и влагу. По выходе из регенератора грязный азот отводится в атмосферу.

Жидкий кислород из нижней части колонны 9 поступает в два основных конденсатора 19, где кипит внутри трубок. Часть испарившегося жидкого кислорода возвращается в сборник верхней колонны, оставшаяся часть жидкого кислорода (0.102 м³/м³) из конденсаторов 19 поступает в выносной конденсатор 16, где почти полностью испаряется.

Далее пары кислорода проходят отделитель ацетилена 15 и смешиваются с потоком газообразного кислорода из сборника колонны 9 и из верхней части колонны 17. Общий поток кислорода (7300 м³/ч) подогревается до 97.6К в аппарате 11 и затем направляется в один из кислородных регенераторов 1.

В регенераторе поток технологического кислорода нагревается до 305.6 К и одновременно очищает насадку регенератора от влаги и двуокиси углерода, выделяющихся из потока воздуха. Из регенератора кислород поступает в газгольдер.

Для получения технического кислорода из потока жидкого кислорода, направляемого в выносной конденсатор 18, отбирается часть жидкости (600 м³/ч), которая дополнительно очищается от ацетилена в адсорбере 18 и поступает в верхнюю часть колонны 17, где происходит обогащение кислорода до концентрации 99.5%.

Технический кислород (150 м³/ч), отбираемый из нижней части колонны 17, поступает в змеевики кислородной секции, встроенные в кислородные регенераторы 1, нагревается и отводится в газгольдер.

Стоимость продуктов разделения воздуха зависит от схемы производства и производительности установки. Основными элементами себестоимости продукции являются стоимость электроэнергии (60-70%) и амортизационные отчисления (18-12%).

Основными регулируемыми параметрами в блоках разделения воздуха являются значения температуры в средней части насадок азотных регенераторов, составы газовых потоков и уровни жидкостей в нижней и верхней ректификационных колоннах и конденсаторах.

Технические характеристики установки
Количество перерабатываемого воздуха	48500м^3/ч
Давление	6 атм
Количество получаемого технологического кислорода	8850 м^3/ч
концентрация кислорода	95%
давление	500 мм рт.ст.
Количество получаемого технического кислорода	150м^3/ч
концентрация кислорода	99.5%
давление	165 атм
Количество получаемого чистого азота	16000м^3/ч
содержание кислорода в нем	н/б 0.002%
давление	500 мм рт.ст.
Концентрация отбросного азота	96.5%
Расход электроэнергии	0.425 квтч/м^3
технологического кислорода	0.668квтч/м^3
технического кислорода	0.072квтч/м^3
чистого азота

Дата добавления: 2015-07-26