1.1 Воздух, продукты разделения воздуха

Состав воздуха зависит от географической широты, местоположения точки забора и в среднем включает следующие элементы – табл.1.1.

Табл.1.1/ 3/

Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли

Компонент	Доля компонента в воздухе, %		Температура кипения, К
	объемная	массовая
Азот N2	78,09	75,52	77,36
Кислород О2	20,95	23,15	90,19
Аргон Аr	0,93	1,28	87,29
Двуокись углерода СО2	0,03	0,05	194,60
Неон Ne	0,18 • 10-2	1,25 • 10-3	27,11
Гелий 4Hе	5,24 • 10-4	0,72 • 10-4	4,22
Ацетилен и др.высоко-кипящие углеводороды	2,03 • 10-4	1,28 • 10-4	-
Метан СН4	1,5 • 10-4	0,8 • 10-4	111,70
Криптон Кr	1,14 • 10-4	3,3 • 10-4	119,80
Водород Н2	0,5 • 10-4	0,035 • 10-4.	20,39
Закись азота N2O	0,5 • 10-4	0,8 • 10-4	184,60
Ксенон Хе	0,08 • 10-4	0,36 • 10-4	165,05
Озон О3	0,1 • 10-5	0,015 • 10-4	161,25
Радон Rn	6 • 10-18	4,5 • 10-17	211,35

Содержание в воздухе водяных паров зависит от температуры и относительной влажности, которую определяют как отношение иассы водяных паров, содержащихся в воздухе к массе паров, насыщающих его при данной температуре (рис.1.1).

Рис. 1.1. Зависимость влагосодержания воздуха при полном насыщении от температуры и давления

Основными продуктами разделения воздуха в современных воздухоразделительных установках (далее ВРУ) являются следующие промышленные газы:

кислород технический, 99,2 - 99,7 % (1-й сорт — 99,7 ; 2-й сорт— 99,5 %, 3-й сорт— 99,2 %) и технологический, 92 - 98 % (в среднем 95 %);

азот особой чистоты (не менее 99,996 %); высшего сорта (99,994 %), 1-го сорта (99,6 %), 2-го — (99 %);

аргон высшего сорта (99,993 %), первого сорта (99,987 %); сырой (86 - 90 %), содержащий до 4 % О₂ и до 10 % N₂; технический (86...88 %) с примесью 12-14 % азота;

первичный криптоноксеноновый концентрат (объемная доля криптона и ксенона до 0,5 %);

неоногелиевая смесь (объемная доля неона и гелия до 40...60 %; возможна до 95...98 %).

Очистку сырого аргона от кислорода осуществляют методом каталитического гидрирования при высоких температурах (720-770 К) в специальных установках вне блока разделения. После очистки от кислорода технический аргон возвращается на ректификацию в блок разделения ВРУ для очистки от азота.

При проектировании ВРУ нового поколения (после 1995г.) предусматривают очистку аргона от кислорода методами низкотемпературной ректификации и адсорбции. При этом весь процесс комплексного разделения воздуха становится технологически единым и более безопасным в эксплуатации, так как исключается применение водорода для связывания кислорода при каталитическом гидрировании.

Очистку первичного криптоноксенонового концентрата от углеводородов методами выжигания при 920 - 950 К и адсорбции при температуре окружающей среды, а также вторичное концентрирование криптоноксеноновой смеси до 99,7 % методом низкотемпературной ректификации смеси Кr-Хе-О₂ при Т ≈ 110 К осуществляют в специальных установках типа УСК (установка концентрирования криптона и ксенона), которыми обычно дополнены все крупные ВРУ. Разделение чистой (99,7 %) криптоноксеноновой смеси с целью получения криптона и ксенона осуществляют методами фракционированного испарения, адсорбции или ректификации в небольших установках. В России разработан криогенный адсорбционно-ректификационный метод переработки первичного криптоноксенонового концентрата.

Неоногелиевую смесь подвергают переработке с целью извлечения неона, например, методами фракционированной конденсации, вымораживания.

Продукты особой чистоты (с содержанием примесей 10^-5 % и менее) получают методами ректификации, криоадсорбционной и химической очистки или их комбинацией.

Основные продукты разделения воздуха получают в газообразном состоянии при небольшом давлении (0,105 - 0,12 МПа), в сжатом газообразном состоянии при давлении 0,2-20 МПа (и даже до 40 МПа) и в жидком состоянии при давлении 0,105 - 0,5 МПа. В жидких продуктах, как правило, объемная доля основного компонента превышает 99,5%. Давление и степень чистоты продуктов разделения задают по соответствующему (на этот продукт) ГОСТу. В некоторых случаях чистота продуктов может быть при проектировании ВРУ увеличена исходя из условий оптимизации технологического процесса. Так, разработка новых технологий в электронной промышленности потребовала применения при изготовлении микросхем азота с содержанием кислорода не более 10 ppb (1•10^-6 %) с перспективой снижения этой цифры до 1 ppb (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Динамика повышения требований к степени чистоты азота на рынке промышленных газов/ 5/

43