- •1. Введение
- •1.1. Состав воздуха, продукты его разделения, их характеристики и использование
- •1.2. Классификация криогенных установок
- •1.3. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты
- •2. Термодинамические основы сжижения газов
- •2.1. Основные процессы для получения низких температур в воздухосжижительных установках
- •2.1.1. Дросселирование
- •2.1.2. Расширение газа в детандере
- •Лекция 16
- •2.2. Теоретические процессы сжижения газов (воздуха)
- •3. Технические процессы сжижения газов
- •3.1. Цикл высокого давления с однократным дросселированием
- •3.2. Цикл высокого давления с однократным дросселированием и дополнительным охлаждением
- •3.3. Квазицикл высокого давления с расширением газа в детандере (процесс ж. Клода)
- •3.4. Схема и квазицикл установки высокого давления (процесс п. Гейландта)
- •3.5. Схема и квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс п.Л. Капицы)
- •4.2. Ректификация жидкого воздуха
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Колонна однократной ректификации (для получения кислорода)
- •4.2.3. Колонна однократной ректификации для получения азота
- •4.2.4. Колонна двукратной ректификации
- •4.3. Получение аргона и других инертных газов
- •4.4. Хранение и транспортирование криогенных веществ
- •4.4.1. Тепловая изоляция криогенных систем
- •4.4.2. Криогенные емкости
- •Часть 5
- •5. Общие сведения о газовом топливе
- •5.1. Свойства газового топлива
- •5.2. Структура газопотребления
- •5.3. Основные пути экономии газа по отраслям
- •6. Назначение, состав и схемы систем газоснабжения
- •6.1. Схема сбора и транспорта газа
- •6.2. Прием и распределение газового топлива
- •6.2.1. Неравномерность потребления и методы ее выравнивания
- •6.2.2. Система газоснабжения промышленного предприятия
- •6.2.3. Прием и распределение природного газа
- •6.2.4. Прием и распределение искусственного газообразного топлива
- •6.2.5. Схемы внутрицеховых газопроводов
- •6.2.6. Схемы газорегуляторных пунктов и установок (грп и гру)
- •7. Основы проектирования систем газоснабжения
- •7. 1. Расчет газовых сетей
- •7.2. Устройство наружных газопроводов
- •Литература
4.3. Получение аргона и других инертных газов
Содержание инертных газов в воздухе мало (см. табл. 1.1). Однако их широко применяют в народном хозяйстве. Поэтому, несмотря на малое содержание в воздухе, их извлечение попутно при получении азота и кислорода экономически целесообразно на крупных воздухоразделительных установках с расходом воздуха свыше 100000 м3/ч. Газы очищают от примесей и используют по назначению.
Все инертные газы одноатомны, их электронные оболочки предельно заполнены и прочны. Они безвредны, лишены запаха, диамагнитны.
В колонне двукратной ректификации эти газы распределены соответственно их температурам кипения (см. рис. 4.1). В газообразном виде остаются неон и гелий, так как их температуры кипения значительно ниже температур кипения кислорода и азота при тех же давлениях. Поэтому они постоянно скапливаются под крышкой конденсатора (см. рис. 4.9).
Рис. 4.9. Схема распределения компонентов воздуха в колонне двукратной ректификации
Криптон и ксенон, температуры кипения, которых выше температуры кипения кислорода, вместе с кубовой жидкостью поступают в верхнюю колонну. Вместе с кислородом они скапливаются в конденсаторе.
Аргон, температура кипения которого находится между азотом и кислородом, распределяется между ними и выводится из аппарата вместе с ними. Близость температур кипения аргона, кислорода и азота затрудняет получение чистого азота и кислорода, а также и выделение самого аргона.
В нижней колонне аргона мало (не более 1,5 % в паре и 2,5 % в жидкости), а в верхней – концентрация аргона переменна по высоте колонны. Схематично она распределяется практически во всех аппаратах так, как показано на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Распределение концентраций аргона, кислорода и азота по высоте верхней части колонны двукратной ректификации воздуха
Поэтому отбор аргонной фракции осуществляют в таком месте, чтобы его концентрация была наибольшей и как можно меньше было азота. На диаграмме видно, что отбор аргонной фракции ведется ниже максимальной его концентрации. Обычно в этой фракции 8 – 12 % аргона, до 0,5 % азота и не более 89,5 % кислорода.
Из полученной фракции получают сырой аргон в специальной аргонной колонне, в которой происходит его обогащение. Подключают ее к колонне двукратной ректификации в соответствии со схемой на рис. 4.11.
Для обеспечения процесса ректификации в межтрубное пространство конденсатора подается часть кубовой жидкости. Предварительно она переохлаждается азотом.
Пары фракции, поднимаясь вверх по колонне 2, обогащаются аргоном. Его бόльшая часть, конденсируясь, стекает флегмой вниз, а часть из-под крышки конденсатора отводится в виде сырого аргона. Флегма обогащенная кислородом, отводится снизу колонны 2 обратно в колонну 1. Пары кубовой жидкости тоже отводятся в колонну 1.
Рис. 4.11. Упрощенная схема подключения аргонной колонны к колонне двукратной ректификации воздуха:
1 – колонна двукратной ректификации; 2 – колонна сырого аргона
Сырой аргон содержит: 80–95 % Ar; 3–10 % N2; остальное – кислород.
Состав и степень извлечения аргона зависят от типа воздухоразделительного аппарата. Коэффициент извлечения аргона составит для:
- установок высокого давления – 0,7 – 0,9;
- установок двух давлений – 0,5 – 0,55;
- низкого давления – 0,3 – 0,2.
Сырой аргон очищают от кислорода (его может быть до 10 %) либо химическим поглощением кислорода активными металлами, либо каталитическим окислением водорода.
Полученная смесь Ar+N2 (5 – 10 %) – конечный продукт для электроламповой промышленности. Если нужно получить чистый аргон, то смесь подвергают опять низкотемпературной ректификации.
Существуют промышленные установки типа БРА с производительностью от 60 до 120 м3/ч. Кроме воздуха сырьем для получения аргона могут быть продувочные газы заводов синтетического аммиака.
Неоно-гелиевую смесь отводят из-под крышки конденсатора-испарителя колонны 1 (см. рис. 4.9) непрерывно или периодически. Состав смеси – 5 – 10% (Ne + He) (зависит от скорости отбора), остальное азот.
Азот конденсируют, при этом концентрация смеси доводится до 50 %, а коэффициент извлечения достигает значений 0,5-0,7. Соотношение гелия и неона в смеси 1 : 3,4 – как в составе воздуха. При необходимости смесь можно еще обогатить и очистить от азота адсорбцией. Разделяют газы конденсацией или адсорбцией. Получают неон с чистотой 99,9 %.
Гелий пока в промышленных масштабах извлекают из природного газа, где доля гелия гораздо выше, чем в воздухе (около 0,1 %, в некоторых месторождениях больше). Выделять гелий из этого газа экономически выгодно уже при объемной доле гелия в природном газе более 0,05 %.
Добыча гелия из воздуха дороже чем из природного газа в 20 – 30 раз.