36

Системы и установки обеспечения промышленных предприятий кислородом, азотом, аргоном и другими продуктами разделения воздуха

Конспект лекций по курсу

Технологические энергоносители

промпредприятий

Часть 4

1. Общие сведения

1.1. Состав воздуха, продукты его разделения и их использование

Состав атмосферного воздуха не постоянен. Содержание компонентов зависит от географической широты, высоты над поверхностью, солнечной активности и других факторов. Существенно неодинакова загрязненность воздушного бассейна, где содержание примесей может меняться в течение суток, например, под влиянием метеорологических условий.

Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности земли приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Усредненный состав атмосферного воздуха

Газ	Молекулярная масса	Объемное содержание в воздухе, %	Массовое содержание, %	Нормальная температура кипения, К
Азот N2	28,016	78,09	75,52	77,36
Кислород O2	32,00	20,95	23,15	90,19
Аргон Ar	39,944	0,93	1,28	87,29
Диоксид углерода CO2	44.01	0,03	0,05	194,6
Неон Ne	20,183	1,810-3	1,2510-3	27,0
Гелий He	4,003	5,2410-4	0,7210-4	4,22
Криптон Kr	83,8	114-4	3,310-4	119,0
Водород H2	2,016	510-5	0,03510-4	20,4
Закись азота N2O	44,016	510-5	810-5	184,60
Ксенон Xe	131,3	810-5	3,610-5	165,0
Озон O3	48,00	110-6	1,510-6	161,25
Радон Rn		610-18	4,510-17	211,35

Кроме того, в зависимости от производственной деятельности в регионе, в воздухе содержится незначительное количество метана, ацетилена и других высокомолекулярных углеводородов.

Содержание в воздухе водяных паров зависит от температуры и относительной влажности . Значение относительной влажности обычно усредняется для определенного региона. Для средней полосы России=0,7-0,8.

В табл. 1.2. приведено насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от его температуры при нормальном атмосферном давлении.

При сжатии воздуха содержание влаги в нем при полном насыщении уменьшается.

Таблица 1.2. Насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от температуры при атмосферном давлении

Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг	Температура воздуха, С	Влагосодержание, г/кг
30	25,40	0	3,73	-30	0,229	-60	0,00695
25	19,07	-5	1,7	-35	0,133	-65	0,00286
20	14,17	-10	1,59	-40	0,077	-70	0,00163
15	10,35	-15	1,01	-45	0,043	-75	0,00073
10	7,48	-20	0,63	-50	0,024	-80	0,00032
5	5,313	-25	0,39	-55	0,013	-90	0,000082

Основными продуктами разделения предварительно осушенного воздуха в современных воздухоразделительных установках (ВРУ) являются следующие так называемые промышленные газы:

кислородтехнический – 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 %, остальное азот);

азотособой чистоты – не менее 99,996 %, высшего сорта – 99,994; 1-го сорта – 99,5; 2-го сорта – 99 и 3-го сорта – 97 %;

аргонвысшего сорта – 99,993 и 1-го сорта – 99,987 %; сырой аргон – 86-90 %, содержащий до 4 % О₂и до 10 %N₂; технический – 86-87 % с примесью 12-14 % азота;

первичный криптоноксеноновый концентратс объемной долей криптона и ксенона до 0,2 %;

неоногелиевая смесьс объемной долей неона и гелия от 40 % и выше.

В дальнейшем сырой аргон и криптоноксеноновый концентрат подвергаются очистке и дополнительной ректификации.

Применение основных продуктов разделения воздуха – кислорода и азота, является одним из важных направлений технического прогресса в ряде отраслей промышленного производства. Это черная и цветная металлургия, химическая, нефтехимическая и пищевая промышленность, энергетика, медицина, машиностроение и пр. Использование этих продуктов позволяет интенсифицировать технологические процессы в этих отраслях. Это способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества, снижению себестоимости.

По данным США использование кислорода в различных отраслях промышленности распределяется приблизительно следующим образом (в % от общего производства кислорода):

черная и цветная металлургия 60;

химическая промышленность 25;

ракетная техника и энергетика 10;

нефтепереработка 3;

прочие отрасли 2 %.

В течение последних 25 лет ежегодный прирост производства кислорода составляет 12-15 %.

Примерные удельные расходы кислорода на единицу продукции составляют:

в доменном производстве – 100-150 м³на 1 т чугуна;

при конверторной выплавке стали – 55-60 м³/т кислорода 1-го и 2-го сорта;

в электроплавильном производстве – 15-20 м³/т, кислорода того же качества;

в производстве азотной кислоты – 155 м³/т, кислорода 1-3 сортов.

При аэрации и осветлении сточных вод воздухом, обогащенным кислородом, в зависимости от степени их загрязнения расходуется от 2 до 24 м³/м³.

С каждым годом все большее применение находит азот. В химической промышленности на производство аммиака, этилена, пропилена, азотных удобрений расходуется до 1000 м³азота на каждую тонну продукта.

Особое развитие нашла так называемая "азотная технология". Она стремительно расширяет области своего внедрения:

в машиностроении, например, это азотирование поверхностей деталей, что обеспечивает повышение прочности и износостойкости. Закалка инструмента в жидком азоте повышает его стойкость до 90 раз. Значительно надежнее и прочнее становятся неразъемные соединения, полученные с помощью жидкого азота, например, запрессовка бандажей, втулок и пр.;

в пищевой промышленности– азот наилучший охладитель и консервант продуктов питания;

в легкой промышленности– обработка кож, различного сырья. Замораживание жидким азотом тканей позволяет роботизировать и автоматизировать процессы раскроя и пошива одежды;

в медицине– безболезненные и быстрые операции на коже, глазах. Консервация органов пересадки, крови и др.

Жидкий азот является важнейшим хладоносителем для предварительного охлаждения газов в криогенных установках. С его помощью получают жидкий водород, гелий и др. редкие газы. На него возлагают большие надежды энергетики – разработчики высокотемпературной сверхпроводимости.

Аргон применяют как защитную среду для расплавленных металлов от окисления при плавке, разливе и электросварке нержавеющих сталей, титана, магния, алюминия. При плазменно-дуговой резке легированных сталей, сплавов алюминия, меди. При получении чистых металлов – титана, циркония, ниобия, молибдена и др.

Широко используется аргон в электроламповой промышленности для заполнения ламп накаливания и газоразрядных ламп. Лампы накаливания с аргоном имеют повышенные срок службы и светоотдачу. Аргон препятствует диффузии вольфрама, помутнению колб, уменьшают тепловые потери, так как позволяют повысить температуру нити накаливания.

В полупроводниковой промышленности аргон используется как защитная среда при производстве монокристаллов титана, бария, кремния и др. полупроводниковых материалов.

Сжижаются не только воздух и его компоненты. На практике широко применяются многие газы в сжиженном и твердом виде, например, CO₂,CH₄,H₂,F₂, и др. Некоторые из них применяются как хладагенты, другие как горючее и окислители. В ряде случаев сжижение ведется с целью перевоза и хранения.

Процессы сжижения газов довольно энергоемки. Например: для получения 1 т сухого льда (СО₂) затрачивается 125-150 кВтч электроэнергии;

1 т жидкого кислорода (О₂) – 1200-1500 кВтч;

1т жидкого водорода (Н₂) – 60000-80000 кВтч.

Эксергетический КПД процессов сжижения, реализуемых в технических установках не превышает 20-25 %, а часто 10-15 %.