Словарь научных терминов
Воздуха разделение

ВОЗДУХА РАЗДЕЛЕНИЕ, проводится с целью выделения из воздуха О2, N2 и благородных газов. Применяют криогенный, адсорбционный и диффузионный методы. Два последних, несмотря на определенные достоинства, имеют ограниченное распространение из-за трудности создания разделит. установок большой производительности.

Криогенный метод. В. р. осуществляется при криогенных т-рах (ниже — 150°С) в т. наз. воздухоразделит. установках (ВРУ) путем ректификации; воздух предварительно подвергают сжижению. Теоретически миним. работа, необходимая для В. р., при обратимом процессе определяется только начальным состоянием воздуха и конечным состоянием продуктов разделения: LМИН =http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/4/7/4/4474.jpeg, где Т - т-ра окружающей среды,http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/4/7/5/4475.jpeg-изменение энтропии системы. Действит. расход энергии в ВРУ намного больше, что объясняется потерями холода в окружающую среду, недорекуперацией (необратимостью теплообмена между воздухом и продуктами разделения), гидравлич. сопротивлениями и др. Так, расход энергии на получение 1 м3 99,5%-ного О2 достигает 0,38-0,42 кВт*ч, тогда как LMИH = 0,067 кВт*ч.

В атм. воздухе возможно присутствие углеводородов (ацетилена, пропилена, пропана и др.), к-рые при криогенных т-рах затвердевают и образуют с жидким О2 взрывоопасные смеси. Поэтому для обеспечения полной взрыво-безопасности ВРУ снабжены спец. системами очистки воздуха и продуктов его разделения от орг. примесей. Ректификацию воздуха обычно проводят в аппарате двукратного действия, к-рый состоит из двух расположенных одна над другой колонн (рис. 1) со встроенным между ними по высоте или выносным конденсатором-испарителем. Трубное пространство последнего сообщается с ниж. колонной, и в нем конденсируются пары азота, образующие флегму для обеих колонн. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верх. колонной, являясь одновременно ее кубом и испарителем. Давление в верхней колонне (0,14 МПа) обусловливается в осн. гидравлич. сопротивлениями, к-рые должны преодолеть продукты разделения, отводимые из ВРУ. Давление в ниж. колонне (0,55 МПа) соответствует т-ре конденсации паров азота жидким кислородом, кипящим в кубе верх. колонны. Принятому перепаду давлений между трубным и межтрубным пространством конденсатора отвечает разность т-р 2,5°С. Давление, необходимое для проведения процесса, обусловливается требуемой холодопроизводительностью, агрегатным состоянием продуктов разделения и указанными выше необратимыми потерями. В соответствии с этим различают ВРУ низкого и среднего давления.
http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/4/7/6/4476.jpeg

Рис. 1. Аппарат двукратной ректификации: 1, 2-ректификац. колонны; 3 - конденсатор-испаритель.

ВРУ низкого давления (рис. 2) применяют для получения газообразных продуктов разделения. Очищенный от мех. примесей воздух сжимают компрессором до давл. 0,55 МПа, а требуемая холодопроизводительность достигается расширением части его в турбодетандере до давл. 0,14 МПа. По этой схеме, основоположником к-рой был П. Л. Капица, строится большинство крупных отечеств. и зарубежных ВРУ. Решающим фактором, определившим возможность их создания, явилась разработка П. Л. Капицей высокоэффективного реактивного турбодетандера.
http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/4/7/7/4477.jpeg

Рис. 2. Принципиальная схема воздухе раздели т. установки низкого давления: 1-турбокомпрессор; 2-концевой холодильник; 3 -реверсивные теплообменники; 4-турбодетандер; 5, 7-соотв. нижняя и верхняя ректификац. колонны; 6-конденсатор-испаритель; 8, 9-охладители соотв. азотной флегмы и кубовой жидкости: 10-адсорбер; 11 и 12, 13-клапаны соотв. автоматического и принудительного переключения потоков.

Сжатый в компрессоре воздух охлаждается затем продуктами разделения до - 170°С в переключающихся регенераторах или реверсивных пластинчатых теплообменниках. Одновременно с понижением т-ры воздуха вымораживаются содержащиеся в нем водяные пары и СО2. Затвердевшие примеси сублимируются и выносятся при рекуперации холода продуктами разделения и при соответствующем переключении теплообменных аппаратов. Далее
http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/4/7/8/4478.jpeg

Рис. 3. Принципиальная схема воздухоразделит. установки среднего давления: 1-компрессор; 2-концевой холодильник; 3, 6-соотв. предварительный и основной теплообменники; 4-отделитель влаги; 5-блок комплексной адсорбц. очистки воздуха; 7 - детандер; 8- теплообменник-ожижитель; 9, 11-соотв. нижняя и верхняя ректификац. колонны; 10-конденсатор-испаритель; 12, 13-охладители соотв. азотной флегмы и кубовой жидкости; 14-дроссельный вентиль.

воздух подвергается адсорбц. очистке от ацетилена и др. взрывоопасных примесей и делится на три потока. Первый (большая часть воздуха) поступает на разделение в ниж. колонну. Второй подогревается в теплообменниках и смешивается с третьим потоком; смесь после расширения в турбодетандере направляется на разделение в верх. колонну. В ниж. колонне происходит предварит. ректификация воздуха на 97,0-99,9%-ный N2 и жидкость, содержащую 36-40% О2; последняя окончательно разделяется на N2 и О2 требуемой концентрации в верх. колонне. В обеих колоннах в результате массообмена между поднимающимися вверх парами N2 и О2 и стекающей вниз флегмой (жидким N2) пары обогащаются азотом (конденсируется высококипящий О2), а жидкость-кислородом (испаряется низкокипящий N2). При этом азот отводится из верх. колонны сверху, а кислород - из ее куба.

ВРУ среднего давления (рис. 3) используют для получения жидких продуктов разделения. В этих установках в отличие от ВРУ низкого давления большая часть сжатого (до 3 МПа и выше) воздуха расширяется до 0,55 МПа в турбодетандере, благодаря чему обеспечивается необходимое увеличение холодопроизводительности. В. р. также производится в аппарате двукратной ректификации.

Получение Аг. При В.р. содержащийся в воздухе Аr(0,93%) распределяется между N2 и О2. При получении чистого азота осн. кол-во Аг отводится с кислородом (до 4%), при получении чистого кислорода - с азотом (до 1%). Наличие в N2 и О2 примеси Аг не всегда допустимо. Напр., при синтезе NH3 из элементов Аr как инертный газ накапливается в системе, что снижает эффективное давление процесса. Кроме того, поддержание в цикле содержания Аr на допустимом уровне приводит к необходимости непрерывного вывода (путем продувки) из системы части циркулирующей азотоводородной смеси. Чистые азот и кислород получают отбором из верх. колонны фракции N2-O2-Ar, а Аг как целевой продукт - ректификацией данной фракции в дополнит. колонне (рис. 4, а). Отводимый из этой колонны сырой Аr, содержащий 2-5% О2 и 1-2% N2, смешивают (для связывания О2) с водородом и подвергают очистке от О2 на палладиевом катализаторе. От азота и нек-рого избытка водорода аргон освобождают ректификацией в спец. колонне (рис. 4,6).
http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/4/7/9/4479.jpeg

Рис. 4. Схема получения аргона: a-блок выделения сырого аргона, где 1. 2-соотв. нижняя и верхняя ректификац. колонны, 3-дополнит, колонна, 4-конденсатор; б-блок выделения азота, где 1-ректификац. колонна, 2 - конденсатор.

Получение Ne, Кr и Хе. Неон в составе азото-неоногелиевой смеси вместе с Н2 накапливается под крышкой конденсатора-испарителя. Далее эта смесь обогащается противоточной дефлегмацией в спец. концентраторе, расположенном над тарелками верх. ректификац. колонны в сборнике жидкого азота. Смесь неона с гелием отбирается из-под крышки концентратора. Криптон и ксенон, накапливаемые в кубе верх. колонны, выделяются при получении больших кол-в кислорода и азота. Смесь О2-Кr-Хе разделяется в дополнит. колонне, из куба к-рой отбирается жидкий О2, содержащий небольшие кол-ва Кr и Хе (т. наз. первичный концентрат). Ne из неоно-гелиевой смеси и Кг и Хе из обогащенного первичного концентрата выделяются адсорбц. методом.

Адсорбционный метод. Основан на избират. адсорбции молекул разл. газов. Селективная адсорбция N2 наиб. сильно проявляется на синтетич. цеолитах типа СаА, у к-рых соотношение А = SiO2/Al2O3 не превышает 2, а также на прир. морденитах и клиноптилолитах. Движущая сила процесса - перепад давлений газа над цеолитом при адсорбции и десорбции. Адсорбцию проводят, как правило, при 20-30°С и 0,1-0,6 МПа, десорбцию - при 20-30°С снижением давления до атмосферного с послед. промывкой частью продукта или путем вакуумирования. Целевой продукт-воздух, обогащенный О2 (30-95%). Он образуется в газовой фазе и отбирается из ВРУ под тем же давлением, что и воздух, к-рый поступает на разделение. Продукт, содержащий до 80% О2, обычно производят в одну ступень, более концентрированный экономичнее получать в две ступени. Коэф. извлечения продукта из воздуха зависит от требуемой степени его чистоты и давления процесса и колеблется в пределах 0,3-0,8; при этом расход энергии составляет от 0,2 до 1,0 кВт*ч/м3 продукта.

В ВРУ с селективной адсорбцией О2 при т-ре окружающей среды применяют активные угли типа молекулярных сит (напр., угли, получаемые карбонизацией поливинилиденхлорида). Преимуществ. адсорбция О2 происходит вследствие большей скорости диффузии его в поры угля, диаметр к-рых соизмерим с диаметром молекул О2 (2,8-10-10 м). Более крупным молекулам N2 для проникновения в поры угля требуется гораздо больше времени. Напр., для нек-рых типов углей объемное насыщение N2 через 2 мин после контакта адсорбента с воздухом составляет лишь 2%, для О2 - 40%; через 5 мин-соотв. 4 и 77%. В результате осн. масса кислорода оказывается адсорбированной, а азот, оставшийся в газовой фазе, отводится из адсорбера под давл. 0,1-0,6 МПа как один из продуктов разделения, содержащий 0,5-3,0% О2. Затем давление снижают до атмосферного и отбирают др. продукт - адсорбат, обогащенный кислородом. При этом в одноступенчатом процессе получают продукт, содержащий 50-60% О2, в двухступенчатом - 90-95%. Уд. производительность ВРУ по обогащенному воздуху достигает ок. 30 м3/ч на 1 м3 адсорбента.

Адсорбц. метод широко применяется для разделения смесей Ne - Не и Кг - Хе. Смесь, содержащую до 50% неона и гелия, предварительно очищают от N2 с помощью активного угля при т-рах от — 190 до — 200 °С и вводят в адсорбер, где на слое угля подвергают термич. разделению. При этом многократно происходят десорбция в нагретых слоях и послед. адсорбция в холодных, в результате чего Ne практически полностью вытесняет Не из адсорбиров. фазы. Сначала из адсорбера выводится почти чистый Не, затем фракция He-Ne и, наконец, чистый Ne, содержащий 0,1-0,2% Не. Коэф. извлечения Ne в зависимости от степени его чистоты составляет 0,6-0,8.

Первичный концентрат Kr-Хе, отбираемый из ВРУ, представляет собой смесь кислорода с 0,1-0,2% криптона и ксенона и примерно таким же кол-вом углеводородов. Для предотвращения взрывов этот концентрат очищают от углеводородов, окисляя их на катализаторе (напр., активном А12О3) при 650-750°С и поглощая цеолитом в адсорбере продукты окисления. Затем концентрат подвергают ректификации для очистки от О2, благодаря чему содержание смеси Кr-Хе в исходном концентрате увеличивается в 500-1000 раз. Одновременно повышается содержание углеводородов, поэтому необходима повторная очистка от них на катализаторах и от продуктов окисления - на цеолитах. Далее смесь Kr-Хе сжижают и разделяют в аппарате двукратной ректификации (см. выше). Применение адсорбц. метода позволяет существенно упростить по сравнению с традиц. методами обогащения технологию получения Кг и Хе.

Криогенная ректификация экономичнее, чем адсорбция, при получении продуктов разделения в больших масштабах. Для ВРУ малой и средней производительности упомянутые методы сопоставимы по энергозатратам; по металлоемкости, простоте конструкции, удобству обслуживания и возможности полной автоматизации установок адсорбц. метод значительно превосходит криогенное ректификац. В. р.

Диффузионный метод. Заключается в разделении компонентов воздуха благодаря различию между их коэф. газопроницаемости через спец. мембраны. Движущая сила процесса - разность парциальных давлений компонентов воздуха и диффундирующей смеси по обе стороны мембраны. По одной схеме воздух, очищенный от пыли на фильтре, направляется вентилятором при атм. давлении в мембранный аппарат, где в зоне под мембраной с помощью вакуум-насоса создается разрежение; по другой - вместо вентилятора используют компрессор, к-рый подает воздух в аппарат под повыш. давлением. В обоих случаях воздух в аппарате разделяется на два потока: проникающий (пермеат) и не проникающий (нонпермеат) через мембрану. Кислород проникает через мембрану в неск. раз быстрее, чем азот, поэтому пермеат обогащается кислородом, а нонпермеат - азотом.

Содержание О2 в отбираемой смеси зависит от соотношений потоков и давлений воздуха и пермеата, а также от разделяющей способности (селективности) мембраны. При максимальных упомянутых соотношениях содержание О2 в пермеате возрастает; для получения смеси, обогащенной N2, необходимо поддерживать миним. соотношение потоков и макс. соотношение давлений воздуха и пермеата. Содержание О2 и N2 в продуктах разделения тем больше, чем выше селективность мембран. В пром-сти применяют мембраны из поливинилтриметилсилана, обладающие хорошей селективностью и высокой газопроницаемостью.

Диффузионный метод В. р. нашел практич. применение в тех случаях, когда требуются относительно небольшие кол-ва воздуха, умеренно обогащенного О2: в медицине для кислородной терапии, в рыборазведении для насыщения кислородом воды прудов и др. водоемов, на электростанциях при сжигании газообразных топлив (гл. обр. прир. газа в спец. газогенераторах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую), при биол. очистке сточных вод, в городском х-ве при сжигании бытовых отходов и др. Полученный этим методом 90-97%-ный N2 используется для создания инертной среды во многих химико-технол. процессах, а также при хранении и транспортировке горючих и взрывоопасных в-в, при хранении плодов, овощей, семян и т.д. См. также Защитный газ.

В. р. с применением мембран осуществляется непрерывным способом, при т-ре окружающей среды без фазовых превращ., что наряду с простотой аппаратурного оформления определяет экономичность этого метода. См. также Мембранные процессы разделения.

Лит.: Разделение воздуха методом глубокого охлаждения, под ред. В.И. Епифановой, Л.С. Аксельрода, 2 изд., т. 1-2, М., 1973; ХвангС.-Т., Каммермейер К., Мембранные процессы разделения, пер. с англ., М., 1981; Беляков В. П., Криогенная техника и технология, М., 1982; Кельцев Н. В., Основы адсорбционной техники, 2 изд., М., 1984. В.П.Беляков.


1-винил-2-пирролидон В массе Вагнера реакция Вагнера-меервейна перегруппировки Вазелины Вазопрессин Вакуум Вакуумметры Вакуумформование полимеров Валентность Валентные углы Валентных связей метод Валериановые кислоты Валин Валлаха перегруппировка Вальденовское обращение Вальтерилацетат Вальцевание полимеров Ван слайка метод Ван-дер-ваальса уравнение Ван-дер-ваальсово взаимодействие Ван-дер-ваальсовы кристаллы Ван-дер-ваальсовы радиусы Ванадатометрия Ванадаты Ванадий Ванадийорганические соединения Ванадия галогениды Ванадия оксиды Ванилаль Ванилин Вариантность системы Вариационный метод Велера реакция Верапамил Вербенол и вербеной Вердазильные радикалы Вестерберга реакция Весы Ветиверилацетат Ветиверкетон Ветинон Вещества Вещество Взвешивание Взрыв Взрывоопасность Взрывчатые вещества Вибрационная техника Викасол Вильгеродта реакция Вильсмайера реакция Вильямсона синтез Винилазолы Винилацетат Винилацетилен Винилиденфторид Винилиденхлорид Винилиденхлорида сополимеры Виниловые мономеры Виниловые эфиры Виниловый спирт Винилогия Винилпиридиновые каучуки Винилпиридины Винилсульфоновые красители Винилфторид Винилхлорид Винилхлорида сополимеры Винипласт Винные кислоты Вириальное уравнение Вирирование фотографического изображения Висбрекинг Вискоза Вискозиметрия Вискозные волокна Висмут Висмута галогениды Висмута оксиды Висмута сульфиды Висмутолы Висмуторганические соединения Витамин Витамин d Витамин u Витамин в12 Витамин в2 Витамин в3 Витамин в6 Витамин вс Витамин е Витамин к Витамин н Витамин рр Витамин с Витамины Виттига реакция Виц.. Влагомеры и гигрометры Влагопроницаемость Влажность Внедрения реакция Внутреннее вращение молекул Внутренняя энергия Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия Вода Водно-угольные суспензии Воднодисперсионные краски Водоподготовка Водоразбавляемые лакокрасочные материалы Водород Водорода пероксид Водородная энергетика Водородный показатель Водородоподобные атомы Водостойкость Водоэмульсионные краски Возбужденные состояния Возгораемость Воздух Воздуха разделение Возмущений теория Волновая функция Волокна природные Волокна химические Волокниты Вольта-потенциал Вольтамперометрия Вольфа перегруппировка Вольфрам Вольфрама галогениды Вольфрама гексафторид Вольфрама карбиды Вольфрама оксиды Вольфрама сплавы Вольфрама сульфиды Вольфраматы Вольфрамовые кислоты Вольфраморганйческие соединения Воля-циглера реакция Воски Воспламенение Воспламенение в пожарном деле Воспламенительные составы Восстановители Восстановительное аминйрование Восстановление Вращательные спектры Вревского законы Всесоюзное химическое общество Вспышки температура Втор.. Второе начало термодинамики Вуда сплав Вудворда реактив Вудворда реакция Вудворда-хофмана правила Вулканизация Вымораживание Выпаривание Вырождение энергетических уровней Высаливание Высокомодульные волокна Высокомолекулярные соединения Высокочастотное титрование Высокоэластическое состояние Высшие жирные кислоты Высшие жирные спирты Выщелачивание Вюрца реакция Вяжущие лекарственные средства Вяжущие материалы Вязкость Вязкотекучее состояние