Очистка воздуха от механических примесей

Осуществляется в фильтрах. При расходах воздуха до 2000м³/ч очистка в фильтрах, где кассета из колец Рашига, смоченных в масле. Скорость воздуха, отнесенная к свободному сечению фильтра 0,3…0,5м/с. При работе фильтров вне помещений следует применять масло низкотемпературное (трансформаторное). При расходах воздуха более 2000м³ могут быть параллельно установлены несколько фильтров. Критерий оценки качества работы фильтра – его сопротивление. При достижении предельного сопротивления 0,3…0,4кПа кольца Рашига промываются керосином с последующей сушкой и смазкой свежим маслом. В последнее время для очистки воздуха применяются сухие фильтры с пористыми насадками и электрические фильтры.

Для осушки существует два способа: адсорбционную осушку и осушку вымораживанием. При кислородном производстве в качестве адсорбентов – селикогель, активный глинозем (Al₂O₃ H₂O=92%, остальное SiO₂, Na₂O, FeO) , активная часть алюминия или цеолиты (алюмосиликаты Ca и Na). Адсорбционный узел осушки: фильтр-влагопоглотитель (для улавливания капельной влаги после компрессирования воздуха), адсорбер, фильтр для очистки пыли и системы регенерации адсорбента нагретым до 280С азотом (адсорбент – активный глинозем). Окончание регенерации определяется по температуре на выходе из узла сушки. Для нагрева азота используют электропривод.

Осушка вымораживанием – воздух после компрессора проходит через два теплообменника рекуперативного типа. В первом теплообменнике-ожижителе воздух охлаждается до 5С, при этом удаляется остальная часть выделенного пара, а во второй охлаждается до –40С – вымораживатель. Влага, выделяющаяся в теплообменниках, отводится с помощью влагоохладителя. Для непрерывной работы требуется третий теплообменник (вымораживатель), который во время работы второго освобождается от усвоенной влаги. Для этого теплообменник обогревается и влагу от таяния льда удаляют с помощью продувки. Все три теплообменника монтируются в одном блоке. Для охлаждения воздуха используют продукты разделения воздуха, поступающего из колонны.

При работе воздухонагревателя, содержащаяся в воздухе двуокись углерода около 0,03% образующихся при низких температурах может переходить в твердое состояние, минуя жидкое, мешает нормальной работе оборудования.

12.3 Очистка воздуха от СО₂

Химический способ поглощение СО₂ водным раствором едкого натра NaOH. На поглощение 1кг СО₂ расходуется 1,82 кг NaOH . Аппараты для очистки работают под избыточным давлением 1,8Мпа и включается между ступенями сжатия компрессора (вертикальный декарбонизаторы – скрубберы, работа которых сводится к пропусканию воздуха через насадки из колец Рашига, смачиваемую циркулирующим раствором щелочи).

Недостаток очистки – громоздкость оборудования, сложность эксплуатации, дорогой NaOH. Адсорбционный - более дешевый. Адсорбент – селикогель или активированный уголь. При работе воздух осушается и охлаждается до температуры менее –135С.

Регенерация адсорбентов осуществляется продуктами разделения воздуха при температуре 20С. Для охлаждения воздуха и нагревания продуктов разделения воздух используются трубчатые теплообменники, которые должны надежно работать в условиях большой разницы давлений и температур. Материал для изготовления таких аппаратов – медь, алюминий, латунь.

Требования к аппаратам:

· коррозионная устойчивость

· сохранение ударной вязкости металлов при –195С

· малое гидравлическое сопротивление не более 20-30кПа

· небольшие размеры

Машины для промышленного разделения воздуха – компрессоры, детандеры, насосы сжиженных газов, специальные компрессоры. Воздушные компрессоры служат для компрессирования воздуха. При необходимости получения высокого давления воздуха (16…20Мпа) применяется схема многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха перед подачей его в каждую последующую ступень компрессора.

Детандеры предназначены для охлаждения воздуха за счет его адиабатного расширения с получением внешней работы. Подразделяются на поршневые (на установках небольшой производительности среднего и высокого давления) и турбодетандеры (в установках большой производительности и невысокого начального давления).

Насосы в кислородном производстве применяются для забора жидкого кислорода из ректификационных колонн и подачи его в теплообменник для перекачивания кислорода из одной колонны в другую. В теплообменнике используется холод жидкого кислорода и осуществляется превращение его в газообразную фракцию высокого давления. Насосы для перекачивания жидкостей из одной колонны в другую работают по центробежному принципу, для них характерны высокая производительность и малый напор. Насосы жидкого кислорода (насосы-газификаторы и др.) имеют высокое давление нагнетания (до 20Мпа) и малую производительность (до 0,15м³/ч); тип насосов – плунжерный.

При перекачивании жидкостей из ректификационной колонны, где жидкость находится при температуре кипения, необходимо осуществлять ее предварительное охлаждение с помощью газообразного азота, отбираемого из ректификационной колонны. Низкая температура перекачиваемой жидкости обуславливает необходимость создания хорошей теплоизоляции, что достигается путем пропускания газообразного азота через охлаждающую рубашку цилиндра. В насосах не должны применятся смазочные материалы, присутствовать трущиеся поверхности на органической основе, что может привести к загоранию или взрыву. С целью уплотнения плунжера применяются графитовые сальники и ли лабиринтные уплотнения.

Для наполнения баллонов сжатым кислородом, для транспортировки газообразного кислорода по трубопроводам и подачи газообразного кислорода в реципиенты (емкости для покрытия пиковых нагрузок) применяются кислородные компрессоры. Подразделяются они на поршневые (применяют для наполнения транспортных баллонов, т.к. давление в последних достигает 5…17МПа) и турбокомпрессоры (для остальных перечисленных случаев). При конечном давлении до 2Мпа могут применяться как поршневые, так и турбокомпрессоры (повышается прочность, проще по конструкции и более надежны в эксплуатации).

Для смазки поршневых компрессоров в газообразный кислород на всасе подают воду или специальную эмульсию, либо применяют поршневые кольца из антифрикционных материалов. При подаче воды в качестве смазки снижается число ступеней сжатия, а температура кислорода в конце сжатия достигает 130С. Давление во всасывающем патрубке компрессора должно быть больше атмосферного, чтобы предотвратить подсос воздуха из окружающей среды. Недостатком поршневых компрессоров с применением воды или эмульсии в качестве смазочного материала является загрязнение кислорода, что исключается при применении турбокомпрессоров. В турбокомпрессорах подшипники вала смазываются маслом, а корпус компрессора охлаждается водой.

По производительности установки для получения газообразного кислорода делятся на три группы:

· малой производительности до 250м³/ч

· средней производительности 250…3600м³/ч

· высокой производительности более 3600м³/ч.

По составу получаемого продукта различают кислородные установки, в которых получают кислород концентрации 99,2…99,5% и концентрации 95…98%. В некоторых установках одновременно с кислородом или воздухом, получают азот высокой концентрации.

Общий принцип работы

Основной элемент схем промышленного разделения воздуха – разделительная (ректификационная) колонна однократной или двукратной ректификации.

Рисунок 12.1 - Принципиальная схема ректификационной колонны непрерывного действия.

Рисунок 12.2 - Принципиальная схема ректификационной колонны непрерывного действия.

Разделяемая смесь в виде жидкости, пара или смеси поступает в среднюю часть колонны. В нижней части колонны, где перед началом работы разделяемая смесь находится в виде жидкости, находится трубчатый испаритель 4.

За счет подвода теплоты в испаритель 4, стекающая сверху по тарелкам жидкость Ж испаряется. Пары жидкости П поднимаются вверх по колонне и попадают в конденсатор КР, в котором осуществляется отвод теплоты. Образующаяся при конденсации жидкость стекает по тарелкам вниз, контактируя при этом с восходящим потоком паров. Таким образом, в колонне осуществляется непрерывное противоточное движение паров и жидкости.

В испаритель в начале работы в первую очередь испаряется более легкокипящая жидкость (сжиженный азот), а жидкость, остающаяся в испарителе, насыщается более высококипящим компонентом (сжиженным кислородом). Температура кипения в испарителе при этом возрастает и начинается испарение более тяжелокипящей жидкости. В конденсаторе пары конденсируются, и конденсат стекает вниз по колонне, насыщаясь при этом более тяжелокипящей компонентом (кислородом). Температура конденсации паров снижается за счет обогащения их азотом.

Таким образом, из верхней части колонны может быть отобран либо газообразный азот АГ, либо жидкий АЖ, а из нижней части – газообразный кислород КГ, либо жидкий КЖ. Колонна однократной ректификации позволяет получить чистый кислород, а также кислород, разбавленный 7…10% азота.

1. Установка состоит из двух колонн:

· верхней, работающей при избыточном давлении 0,12…0,14Мпа

· нижней, работающей при избыточном давлении 0,1…0,5Мпа

В средней части расположен конденсатор-испаритель. В трубах конденсатора испарителя конденсируется азот при давлении 0,5…0,6Мпа, а в межтрубном пространстве испаряется кислород при Р=0,12…0,14Мпа. Сжатый воздух испаряется в змеевик, расположенный в нижней части установки, и испаряет жидкость, содержащую 40…55% О₂ Пройдя змеевик воздух дросселируется до давления 0,5…0,6Мпа и поступает в среднюю часть нижней колонны, в которой происходит предварительное разделение на чистый азот и кислород с концентрацией 40…55%.

Одна часть азота, образующаяся в конденсаторе испарителе, служит флегмой в верхней колонне, а другая часть стекает вниз, обогащаясь при этом кислородом, а затем через дроссельный вентиль поступает в среднюю часть верхней колонны. Флегма, состоящая из конденсата азота, через дроссельный вентиль подается в верхнюю часть верхней колонны. Обе жидкости стекают по тарелкам верхней колонны, обогащаясь при этом кислородом, и в виде чистого кислорода, собираются в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя. Часть паров кислорода отводится из установки в виде готового продукта, а часть взаимодействует со стекающей флегмой. Азот в газообразном состоянии отбирается в самой верхней части верхней колонны.

Пары кислорода и азота в дальнейшем проходят теплообменники для охлаждения воздуха перед его разделением.

Технологическая схема кислородной установки.

Атмосферный воздух очищается от твердых примесей в масляном фильтре, а затем разделяется на два потока. Большая часть воздуха 75% компремируется в компрессоре низкого давления (до 0,45…0,6Мпа) пропускается через маслоохладитель 1 и переключающихся масляных фильтров 2, и подается в азотные регенераторы 8.

В регенераторах воздух низкого давления охлаждается до температуры насыщения, очищается от двуокиси углерода, осушается и поступает в нижнюю часть ректификационной установки 13. Регенераторы работают попеременно через каждые 3 минуты и охлаждаются азотом, поступающим из ректификационной колонны через переохладитель жидкого азота 11. Влага и углекислота в твердом виде остаются в насадке регенератора (в результате вымораживания), а затем удаляются нагревающимся (обратным) азотом.

Оставшаяся часть воздуха (25 %) проходит первую ступень сжатия компрессора высокого давления 3, где компремируется до давления 0,3-0,4 Мпа, очищается от двуокиси углерода в скрубберах 4 и последующих ступенях сжатия компремируется до давления 9-10 Мпа. Воздух высокого давления проходит влагоохладитель 5, два попеременно работающих адсорбера 6 и разделяется на два потока.

Один поток воздуха направляется в теплообменник 9, где охлаждается кислородом К, отбираемым из ректификационной колонны, дросселируется в вентиле 10 до давления 0,45-0,6 Мпа и поступает в нижнюю часть колонны 13. Часть воздуха высокого давления (35 %) поступает из адсорбера в поршневой детандер 19, где его давление падает до 0,45-0,6 Мпа, а температура – до –90…-105 ⁰С и через один из переключающихся детандендерных фильтров 18 вместе с воздухом, выходящим из дросселя 10 поступает в испаритель нижней колонны ректификационной установки. Воздух разделяется в установке двойной ректификации. Жидкий азот АЖ из нижней колонны проходит охладитель азота 11 и через дроссельный вентиль 12 поступает на верхнюю тарелку верхней колонны. Жидкость испарителя подается в один из двух переключающихся фильтров-адсорберов 15 для очистки от твердой двуокиси углерода и ацетилена, а затем, через дроссельный вентиль 14 – в среднюю часть врехней колонны. В схеме предусмотрены подогреватель воздуха 17 и подогреватели 6 и 7 для регенерации адсорбционных фильтров продуктами разделения воздуха.

Следовательно, рекуперация холода, отходящего газообразного азота, осуществляется в переохладителе азота 11 и регенераторах 8, а кислорода – в теплообменнике 9.

Рисунок 12.3 – Технологическая схема кислородной установки

Трубопроводы

По трубопроводам передаются газы и жидкости, высокотемпературные и низкотемпературные трубопроводы теплоизолируются.

В зависимости от назначения и места прокладки различают:

1.внутриблочные трубопроводы, соединяют узлы и части аппаратов;

2.цеховые трубопроводы, соединяют отдельные аппараты, прокладываются по стенам, колоннам, в траншеях и каналах;

3.межцеховые трубопроводы, служат для транспортировки газов и жидкостей между цехами, выполняются подземными и надземными.

В зависимости от рабочей температуры применяют трубы из следующих материалов:

от –30 до +300⁰С - сталь 3СП, сталь 10, 20

от –40 до –30⁰С - сталь 10, 20

от –70 до –40⁰С - сталь 10Г2

ниже –70 - 10Х18Н10Т, латунь Л62 (сплав меди с цинком), медь М3.

При выборе материала для кислородопроводов следует учитывать возможность загорания стали в кислороде при наличии в трубах окалины, сварочного грата, угля, кокса и их ударе при больших скоростях о стенку трубы.

При давлении выше 6,4 МПа кислородопроводы изготавливаются только из меди и латуни. Для меньших давлений на участках местных сопротивлений используют медные вставки-рубашки.

Трубопроводы и арматуру для щелочи и аммиака изготавливают только из низкоуглеродистой стали, так как цветные металлы в этих средах разрушаются.

Длинные трубопроводы снабжают компенсаторами.

Не допускается совместная прокладка кислородопроводов с силовыми, осветительными и телефонными кабелями. Кислородопроводы должны быть надежно заземлены.

При давлении до 6,4 МПа на кислородопроводах устанавливают чугунную или стальную арматура, отдельные элементы для предупреждения искрообразования изготавливают из цветных сплавов на основе меди.

При давлении более 6,4 МПа применяется арматура из латуни и бронзы.

Вся арматура подвергается тщательному обезжириванию, прокладки изготавливают из меди или фторопласта, сальниковые уплотнения-из прокаленного шнурового асбеста или фторопласта.

Трубопроводы и шланги для кислорода обезжиривают при изготовлении и после ремонта, затем тщательно продувают.

Используется обширная номенклатура арматуры: задвижки, запорные, дроссельные вентили, обратные и предохранительные клапаны. Имеется ряд специальных требований к материалам, точности регулировки, надежности запирания.