Воздухоразделительные установки. 
Воздухоразделительные установки

Атмосферный воздух представляет собой смесь азота, кислорода, аргона и других газов. Составные части воздуха не связаны между собой химическим взаимодействием. Приближенно воздух можно рассматривать как смесь только азота и кислорода, так как содержание в воздухе аргона и других газов составляет менее 1%. В этом случае принимают объемное содержание в воздухе азота 79% и кислорода 21%.

Разделение воздуха на кислород и азот является сложной технической задачей. Наиболее просто это сделать, если предварительно сжижать воздух и использовать затем для разделения его на составные части различия температуры кипения кислорода и азота. Жидкий азот, при атмосферном давлением, кипит при температуре минус 195,8 ^оС, а жидкий кислород — при температуре минус 182,9 ^оС. Таким образом, между температурами кипения этих сжиженных газов существует разница почти в 13 ^оС. Поэтому, если постепенно испарять сжиженный воздух, то сначала будет испаряться преимущественно азот, обладающий более низкой температурой кипения. По мере испарения азота из жидкости она будет обогащаться кислородом. Повторяя этот процесс многократно, можно добиться желаемой степени разделения воздуха на азот и кислород требуемой чистоты. Этот способ получения азота и кислорода из воздуха называют способом (методом) глубокого охлаждения и ректификации.

В настоящее время получение азота и кислорода из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации является наиболее экономичным, поэтому он имеет широкое промышленное применение. Этот способ позволяет получать азот и кислород практически в любых количествах. При этом расход электроэнергии составляет 0,4 — 1,6 кВтч на 1 м ³ кислорода, в зависимости от размеров и технологической схемы установки.

Современные установки для получения азота, кислорода и редких газов из воздуха можно разделить на три группы:

• 1) Кислородные установки для производства технического кислорода (99,2% - 99,5% О ₂) и технологического кислорода (94% - 97% О ₂),
• 2) Азотно-кислородные и азотные установки,
• 3) Установки для получения редких газов.

Производительность различных установок колеблется в пределах от 65 до 158 000 м ³/ч перерабатываемого воздуха.

Разделение воздуха осуществляют путем его ректификации при температурах от -175 ⁰С до -190 ⁰С.

Для получения чистого азота в азотной промышленности применяются азотно-кислородные установки БР-6, БР-9 и построенные ранее аппараты типа Г-6800. Для получения технологического кислорода применяют блоки разделения типа БР-1, КТ-3600 и другие.

В настоящем методическом пособии приведены общие сведения о равновесном состоянии систем пар-жидкость азотно-кислородной системы, низкотемпературном разделении смеси методом ректификации и методов расчета этих процессов. Эти данные являются теоретической базой для выполнения курсовой работы.

Задача 1

Для процесса испарения жидкости азот-кислород в замкнутый объем при давлении Р и начальной концентрации азота в жидкости xо определить:

• 1) температуру начала и конца процесса (объяснить причину их отличия);
• 2) равновесный состав пара и жидкости в начале и конце процесса;
• 3) отношение количеств пара и жидкости при x=50%;
• 4) энтальпию пара и жидкости при x=50%.

Исходные данные.

Решение.

• 1. Для решения воспользуемся диаграммой равновесного состояния системы кислород-азот (T-x-y), рис. 1. На горизонтальной оси откладываем исходную концентрацию азота xо=77% и проводим вертикальную линию до пересечения с кривыми равновесия давления Р=0,1МПа. Находим точки пересечения (А) и (В), соответствующие процессу испарения. Проводим через эти точки горизонтали и на оси температур находим ТА=76К и ТВ=82К. Температура ТА соответствует началу процесса конденсации, а ТВ — концу процесса конденсации. Изменение температуры в процессе ДТ=82−76=6К. воздухоразделительный азот кислород ректификация
• 2. Продлим горизонталь, проходящую через точку (А) вправо до пересечения с верхней кривой (линией насыщения паров), получаем точку (1). Эта точка соответствует составу паров, находящихся в равновесном состоянии с жидкостью состава xо. Линия (А-1) является изотермой равновесного состояния пар-жидкость. Такое состояние возникает в начальный момент испарения, а первые порции паров должны иметь состав точки (1). Проведя вертикаль через точку (1) получим на горизонтальной оси значение концентрации азота в паре х 1=95,5%.

Концентрация кислорода в паре будет равна 4,5%.

На горизонтали, проходящей через точку (В) найдем точку пересечения с нижней кривой (равновесного состояния жидкости). Это точка (2), которая характеризует равновесную концентрацию последних порций испаряющейся жидкости. Проведя вертикаль через точку (2) получим на горизонтальной оси значение концентрации азота в жидкости х 2=39,5%. Линия (2-В) является изотермой равновесного состояния пар-жидкость в последний момент процесса испарения. Концентрация кислорода в жидкости в этот момент составит 60,5%.

3. Для дальнейших построений вновь вернемся к диаграмме равновесного состояния системы кислород-азот (T-x-y), рис. 1. Находим точки пересечения (А) и (В), соответствующие процессу испарения.

Для нахождения на линии процесса (А-В) точки, соответствующей заданной концентрации азота x=50% проводим вертикаль до пересечения с линией равновесного состояния жидкости. Находим точку (D), которая характеризует равновесное состояние жидкости в данный момент времени. Для нахождения равновесного состояния пара проводим через точку (D) горизонталь до пересечения с кривой равновесного состояния пара, находим точку (Е). Линия (DЕ) является изотермой равновесного состояния пар-жидкость в момент времени, когда концентрация азота в жидкости x=50%.

Точка пересечения линий (А-В) и (D-E), точка ©, соответствует состоянию системы в данный момент времени. В этом состоянии концентрация азота в жидкости x=50%, а концентрация азота в паре (точка Е) y=83,5%.

Обозначим отрезок (D-C)=а, (С-Е)=b, тогда соотношение количества азота в паре (V) и жидкости (M).

V/M=a/ b.

По рис. 1. отрезки a и b равны:

а=33мм, b=5мм.

Тогда V/M=33/ 5=6,6.

Принимаем начальное количество азота в жидкости М 0=100 молей.

Тогда, в рассматриваемый момент времени количество молей азота в паре и жидкости.

М=[a/(a+b)]Mo=[33/(33+50)]100=86,84,.

V=[ b /(a+b)]Mo=[5/(33+5)]100=13,16.

4. Для определения энтальпии воспользуемся диаграммой (T-i-x-y) системы азот-кислород рис. 2.

Левая часть диаграммы отображает параметры жидкости, а правая — параметры пара. Находим на левой части диаграммы точку пересечения концентрации азота x=50% и заданного давления Р=1Бар.

Это точка (1), проведя вертикаль до оси энтальпий жидкости, находим i1=1310 Ккал/моль или i1=1310×4,18=5475,8 КДж/моль.

Из точки (1) проведем изотерму на правую часть графика до пересечения с изобарой Р=1 Бар, находим точку (2). Проведем через эту точку вертикаль до пересечения с осью энтальпии паров, находим i2=2430Ккал/моль или i1=24 300×4,18=10 157,4КДж/моль.

Разность энтальпий равна удельной теплоте парообразования жидкости в данный момент времени.

r= i2- i1= 10 157,4- 5475,8=4681,6 КДж/моль.

Задача 2

Определить по методу Мак-Кэба и Тиле число тарелок в колонне двукратной ректификации для получения азота концентрации xА=99% N2 и кислорода концентрации xк=5% N2. Нижняя колонна работает при давлении Рн=5 ата с флегмовым числом хн=1,15. Часть жидкого азота из карманов отводится в аргонную колонну. Верхняя колонна работает при давлении Рв=1 ата с флегмовым числом хв=0,8. При получении чистого азота аргон относят к кислороду, поэтому состав воздуха принять: N2=78,1%, О 2=21,9%.

Решение Схема колонны двукратной ректификации показана на рис. 3.

Нижняя колонна Для решения используем (y-x) диаграмму кислород-азот для давления нижней колонны 5 ата. Диаграмма приведена на рис. 3. Заданная концентрация азота на выходе соответствует концентрации азота на выходе из колонны.

xА=xD=99% N2.

Отложим это значение на (y-x) диаграмме по оси x и проведем вертикальную линию до пересечения с диагональю диаграммы, получим точку 1.

Для заданной концентрации азота в воздухе N2=78,1% отложим это значение по оси y и проведем горизонталь до пересечения с равновесной кривой, получим точку 2, которой соответствует концентрация азота в жидкости остатка xR=59%.

Концентрация азота в разделяемой жидкости задана в исходных данных xМ=78,1%. Проведем вертикаль соответствующую этой концентрации.

Определяем положение рабочих линий для концентрационной и отгонной секций по зависимостям.

y=[хн/(хн+1)]x+xD/(хн+1), (1).

и y=[(э+х)/(х+1)]xR. (2).

Рабочие линии пересекают диагональ в точках.

• -концентрационной колонны x=xD=99%,(точка 1),
• -отгонной колонны x=xR=59%,(точка 3).

Абсцисса точки пересечения xM=78,1%.

Ордината точки пересечения при x=xM=78,1.

yМ=[1,15/(1,15+1)]78,1+99/(1,15+1)=87,8%.

Проведем горизонталь при этой концентрации до пересечения с вертикалью xM=78,1%, получим точку пересечения рабочих линий 4.

Соединим точки (1−4) и (4−3), получим линии рабочих процессов.

Число идеальных тарелок равно числу ступеней, построенных между рабочими линиями и кривой равновесия. Построение показано на рис. 4. Число тарелок концентрационной секции m1=5, число тарелок отгонной секции m2=3. Общее число тарелок.

m= m1+ m2=5+3=8.

Принимая коэффициент обогащения 0,5 действительное число тарелок m1=10, m2=6.

Общее действительное число тарелок m=16.

Верхняя колонна.

Из материального баланса xD=99%, xM=5%, xR=59%.

Для решения используем (y-x) диаграмму кислород-азот для давления нижней колонны 1 ата. Диаграмма приведена на рис. 5.

Графическое построение выполняем аналогично рис. 4.

Наносим линии концентраций xD, xM, xR.

Для концентрационной секции, учитывая, что G=D, флегмовое число хв=g/(D-g)=0,8. При этих условиях для уравнения рабочей прямой можно принять зависимость (1). Точка пересечения рабочей линии концентрационной секции с рабочей линией отгонной секции имеет абсциссу xM=59%.

Ордината этой точки из (1), yМ=[0,8/(0,8+1)]59+99/(0,8+1)=81,2%.

Наносим линию концентрации yМ=81,2, находим точку пересечения рабочих линий.

Число идеальных тарелок равно числу ступеней, построенных между рабочими линиями и кривой равновесия. Построение показано на рис. 5.

Число тарелок концентрационной секции m1=4, число тарелок отгонной секции m2=3. Общее число тарелок.

m= m1+ m2=4+3=7.

Принимая коэффициент обогащения 0,5 действительное число тарелок m1=8, m2=6.

Общее действительное число тарелок m=14.