Файл: Софронов А.Л. Технология связанного азота курс лекций.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.07.2024
Просмотров: 106
Скачиваний: 2
- 76 -
Кроме того, в воздухе может содержаться значительное количество пыли (0,002-0,02 г/м3) и влаги (при ^ = 100/ и 20°С-Г7,22 г/м3).
Очистку от пыли обычно производят в масляных фильтрах. Уда ление влаги может быть осуществлено по следувдим методам:
1.Адсорбция силикагелем (ОіОг Нг О ) . После осушки по этому способу содержание влаги в воздухе не превышает 0,03 г/м3.
2.Адсорбция активным глиноземом (92/ Д?г 03 Нг О ) . Остаточ ное содержание влаги после адсорбции не более 0,005 г/м3.
3.Осушка вымораживанием при температуре -45°С в регенера
торах.
Очистка воздуха от углекислоты обычно производится в скруб берах, орошаемых раствором Na ОН или в регенераторах.
Большое значение имеет предварительная очистка воздуха от ацетилена, накопление которого в разделительных аппаратах созда ет опасность взрыва. В настоящее время очистку от ацетилена про изводят посредством адсорбции его кремнегелем. Разработан способ каталитического окисления ацетилена при І50°С на марганцевом ка тализаторе по реакции
гсгиг + 02= 4СОг + 2нг о.
Теоретические основы разделения воздуха
Теоретическая минимальная работа для разделения воздуха оп ределяется как сумма работы изотермического сжатия каждого ком понента от его парциального давления до давления смеси:
L . |
- R T T P Сп-— / |
ГП1.П |
П П |
|
Г) |
где Р - давление смеси;
R - универсальная газовая постоянная (8,314 кда/кмоль«граи Т - температура, °К.
Необходимая для разделения чоздуха (20,9/ + 79,І/лр при 290°К и Р = I ат минимальная работа
" W * '2 â 0 (° '2D9enö jö §
= − 1230кѲж/кмо/tb = − |
=-D,Q5Mdmfü* |
- 77 -
где 24,5 - мольный объем воздуха при 290°К и I ат (м3/моль).Знак минус показывает, кто энергия должна быть подведена со стороны.
Разделение воздуха с минимальными затратами работы может быть осуществлено при полной обратимости процессов, протекающих
вразделительных аппаратах. Работа действующих установок всегда сопряжена с большей или меньшей необратимостью практически всех процессов тепло- и массообмена. Поэтому затраты энергии в промыш ленных установках всегда больше минимально необходимых.
Следует учитывать, что расход энергии на разделение газовых смесей
взначительной степени определяется
чистотой получаемых продуктов. При разделении газов на фракции затраты работы всегда меньше, чем при полу чении чистых компонентов.
.Зля разделения газовых и жидких смесей в настоящее время промышлен ное применение получили следующие ме тоды:
1) испарение іез отвода пара |
|
|
(простая перегонка) или конденсация |
|
|
без отвода конденсата; |
|
|
2) испарение с отводом пара или |
|
|
фракционная конденсация; |
|
|
3) ректификаций. |
|
|
Для рассмотрения применимости |
Рис.І8. Равновесные кривые |
|
того или иного способа при разделе |
||
системы кислород - азот в |
||
нии воздуха необходимо знание равно |
координатах Т-Х |
|
весных составов жидкой и паровой фаз |
|
при различных температурах.
Экспериментально определенные Доджем и Денбаром кривые рав новесия системы кислород - азот показаны на рис.18. Как видно из рисунка, с повышением давления разница составов жидкой и паровой фаз уменьшается. Она полностью исчезает при критическом давлении.
Рассмотрим изменение состава жидкого воздуха в процессе его перегонки по равновесной диаграмме жидкость - пар, построенной для атмосферного давления (рис.19).
Точка I на диаграмме соответствует составу жидкого воздуха (20,9$ ф . Сообщим системе такое количество тепла, которое при-
- 78 -
ведет к началу испарения воздуха, а температура его останется практически неизменной. В этом случае в равновесии с жидким воз духом будет находиться пар с содержанием 6,2# кислорода (точка І)
Поскольку в паре содержится больше азота, чем в жидкости, жидкость в процессе испа рения будет обедняться азотом и обогащать ся кислородом. При простой перегонке жид кого воздуха в паре в конце процесса бу дет содержаться газообразный воздух с содержанием 20,9# кислорода (точка Й , а в
|
равновесии с ним бесконечно малое количе |
|
ство жидкости, содержащей 50,2# кислорода |
Содержание а,, % |
(точка 2). |
Таким образом, простая перегонка не |
Рис.19. Диаграмма равмохе,г быть использована для разделения
новесия системы кисловоздуха на чистые компоненты, так как со
род - азот в координа гласно равновесной диаграмме в ходе про тах Г-х(/>= I ат)
цесса возможно получение лишь бесконечно
фмалых количеств азота, содержащего 6,2# кислорода и жидкости, обогащенной кислородом (50,2#(7г). При перегонке с отводом пара равновесие в системе не устанавливается, поэтому в последней бес конечно малой капле жидкости может быть долучен чистый ‘кислород.
|
Этот процесс также неприемлем для разделе |
||
|
ния воздуха, но дробная конденсация может |
||
|
быть использована для выделения водорода |
||
|
из коксового газа. |
|
|
|
В настоящее время получение азота и |
||
•І |
кислорода осуществляет посредством ректи |
||
фикации жидкого воздуха. Для получения |
|||
|
технического азота, |
загрязненного кисло |
|
|
родом, в промышленности использует |
одно |
|
|
колонные аппараты, а чистый азот произво |
||
|
дят посредством двухколонной ректификации. |
||
|
Схема работы одноколонного раздели |
||
|
тельного аппарата приведена на рис.20. |
||
Й ^ ’І2іойаТд а ^ д е - |
Сжатый В0здух “Р020^ |
по змеевику, |
у м а |
ления воздуха |
новленному в кубовой части ректификацион |
||
ной колонны, и отдает свое тепло кипящей жидкости. Охлажденный воздух дросселируется до атмосферного давления, сжижается и на
Г 79 -
правляется на орошение верхней тарелки колонны. Таким образом в колонне осуществляется противоток жидкости, стекающей сверху вниз, и пара, поднимающегося снизу вверх. Ha/z-ю тарелку ректификацион ной колонны поступает холодная жидкость с (.п - І)-й тарелки и бо лее нагретый пар с (/? + І)-й тарелки. На тарелке система стремит
ся к установлению равновесия, в результате |
чего жидкость нагрева |
||
ется, а пар охлаждается. При этом из па |
йзот |
||
ра конденсируется высококипящий компо |
|
|
|
нент (кислород), а из жидкости испаряет |
|
||
ся низкокипящий компонент (азот); |
жид |
|
|
кость обогащается кислородом, а пар - |
|
|
|
азотом. Такое многократное чередование |
|
|
|
процессов испарения и конденсации может |
|
|
|
привести к разделению воздуха на чистые |
|
|
|
компоненты. |
|
|
|
При одноколонной ректификации пар, |
|
|
|
выходящий из верхней тарелки, находится |
|
|
|
в равновесии с жидким воздухом. Поэтому |
|
|
|
в данном случае,согласно равновесной |
|
|
|
диаграмме (см.рис. 19), невозможно полу |
|
|
|
чить азот с содержанием менее 6,2$ кис |
|
|
|
лорода. В практических условиях в полу |
|
|
|
чаемом азоте содержится около 7$ Ог ■ |
|
|
|
Для получения чистого азота исполь |
|
||
зуют двухколонную ректификацию (рис.21). |
|
|
|
Разделительный аппарат состоит из ниж |
|
|
|
ней и верхней колонн. Нижняя колонна |
|
|
|
служит для предварительного разделения |
|
|
|
воздуха на азот и воздушно-кислородную |
|
|
|
смесь, содержащую 35-40$^. В верхней |
|
|
|
колонне происходит окончательное разде |
|
|
|
ление воздушно-кислородной смеси |
на |
|
|
азот и кислород. Между колоннами распо |
|
|
|
ложен конденсатор-испаритель, который |
|
|
|
для нижней колонны служит конденсато |
|
|
|
ром азота, а для верхней - испарителем |
Рис.21. Двухколонный рек |
||
кислорода. |
|
тификационный аппарат для |
|
|
разделения воздуха: / - |
||
Воздух под давлением 120-200 ат |
верхняя колонна; г - кон |
||
проходит через змеевик,установленный |
денсатор; 3 - карманы кон |
||
денсатора;^- нижняя.колон |
|||
в кубе нижней колонны,охлаждается,дрос- |
|
на |
|
- 80 -
селируется до давления 6 ат и подается на нижние тарелки колон ны 4. Пары его, содержащие до 20$ азота, поднимаются вверх, жид кость, в которой находится 60-65$ азота, стекает в куб. Этот жид кий воздух дросселируется и подается на соответствующую тарелку колонны I. Пары, выходящие с верхней тарелки колонны 4, конденси руются в конденсаторе 2 за счет холода кипящего кислорода, полу чаемого в верхней колонне. Азот (98-99,5$ азота) стекает в в:цп флегмы в нижнюю колонну и частично попадает в карманы 3 конденса тора, откуда дросселируется и направляется на орошение гераней колонны. Поступивший в среднюю часть верхней голонны обогащенный воздух ректифицируется, причем кислород стекает в ког .~нсатор,ис паряется и отводится из пространства над конденсатором; газообраз ный азот отводится из верхней части колонны.
Давление в верхней колонне зависит от сопротивления аппара тов, трубопроводов и арматуры и обычно находится в пределах 1,3-1,5 ат. При этом .давлении температура кипения кислорода равна примерно - І80г0.
Следовательно, чтобы происходила конденсация азота, в нижней колонне необходимо создать давление, соо етствупцее температуре конденсации азота (около -Г77°С), т.е. обеспечивающее перепад тем ператур примерно 3°. Указанная температура конденсации азота соот ветствует давлению 6 ат, которое обычно и поддерживается в нижней колонне.
В СССР для получения чистого азота используются промышленные установки ЕР-6 и БР-9. На ряде заводов работают еще старые уста новки типа Г-6800.
Любая технологическая схема разделения воздуха состоит из раз делительного аппарата и установки для компенсации холодопотерь.
Установка БР работает по циклу низкого давления с турбодетан дером, установка Г-6800 - по циклу двух давлений с предварительным аммиачным осаждением.
Наряду с получением азота и кислорода в промышленных установ ках для разделения воздуха часто предусматривается выделение ред ких газов, которые в настоящее время находят все большее примене ние.
Аргон используют в качестве защитной среды в процессах сварки и резания металлов, при производстве титана, вольфрама, циркония, полупроводниковых материалов. Криптон и ксенон, обладающие высокой плотностью и низкой теплопроводностью, применяются для заполнения
- 81 -
электрических ламп. При этом получаются малогабаритные лампы,по треб// ицие электроэнергии на 15-20% меньше. Неон используют в сигнальных и газосветных лампах.
Распределение редких газов в разделительных аппаратах опре деляется их температурой кипения (табл.З). Неоногелиевая смесь
накапливается в виде газа под крышкой конденсатора, аргон - в средней части верхней колонны. Криптон и ксенон концентрируются в жидком кислороде.
Переработку неоногелие вой смеси обычно ведут толь ко для получения неона, так как гелий более целесообраз но добыватьиз гелионосных природных газов.
Разделение коксового газа
При коксовании каменных углей из I т угля получается около 300 м3 коксового газа. Посредством разделения коксового газа полу чают водород, направляемый на синтез аммиака, и выделяют другие ценные компоненты. В ряде случаев применяется также конверсия кок сового газа.
Коксовый газ, поступающий с коксохимических |
заводов, должен |
||
иметь следующий состав (ГОСТ 8330-57): |
|
||
Компоненты |
Содержание, |
Компоненты |
Содержание, |
н2 |
объемные,% |
СОг |
объемные,% |
57-61 |
Не более 3 |
||
СО |
5-8 |
нг з |
0,3-1,4 |
снч |
24-27 |
0г |
Не более 0,8 |
Nа |
Не более 5 |
N0 |
0,4-0,8 cmjm* |
сп нт |
1,8-3,2 |
Бензол |
4 г/м3 |
|
0,1-0,5 |
Нафталин |
0,2 2/м3 |
Перед поступлением в разделительную установку коксовый газ должен быть очищен от вредных примесей, в присутствии которых на рушается нормальный ход процесса разделения газа и осложняется по следующее использование выделяемых компонентов.