Цех разделения воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕРГАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Факультет “Химеко-технологический”

Кафедра “Химическая технология”

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ:

Спроектировать цех разделения воздуха производительностью 36614 нм³/час по воздуху при ОАО Фергана азот с детальной разработкой верхней ректификационной колонны

Состав выпускной квалификационной работы:

Студент группы 57-10 КТр Соибжонова И.

Заведующий кафедрой к.т.н.Ш.Ш.Хамдамова

Руководитель выпускной работы к.х.н.,доц. С.Р.Мирсалимова

Фергана - 2014



Введение

Химическая промышленность является одной из базовых отраслей промышленности Узбекистана, которая была сформирована на основе нужд интенсификации сельскохозяйственного производства, путем создания производств минеральных удобрений. Химическая промышленность является ведущей отраслью экономики страны.

Президент Республики И.А. Каримов обратил особое внимание на развитие химической промышленности. В своей книге он пишет следующее:

«Важнейшей основой независимого развития страны явилось формирование национальной экономики и её реформирование. Перед республикой стала острая и жизненно высшая проблема надёжного обеспечения потребностей страны и населения, прежде всего топливно-энергетическими ресурсами, потребительскими и продовольственными товарами». [1]

Развитие техники разделения, воздуха методом глубокого охлаждения с целью получения кислорода, азота, аргона, и криптоно-ксеноновой смеси в последнее двадцатилетие привело к формированию самостоятельной отрасли промышленности. [2]

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество воздухоразделительных установок, перерабатывающих более 30 тыс. м3/ч воздуха в одном агрегате. [2]

Быстрое развитие кислородного машиностроения обусловлено высокой эффективностью использования кислорода, а также и других продуктов разделения воздуха, во многих важнейших отраслях современной техники. [2]

Народнохозяйственное значение и масштабы производства кислорода, азота и аргона определяются главным образом развитием черной и цветной металлургии и химической промышленности. [2]

Не меньшее значение имеет применение кислорода в цветной металлургии. Использование кислорода в процессах выплавки цинка, меди, свинца, никеля при конвертировании медных штейнов, шахтной плавке окисленных никелевых руд и свинцового агломерата, при обжиге цинковых концентратов в «кипящем слое» и в других процессах обеспечивает повышение производительности плавильных агрегатов на 50--70%. Химическая промышленность применяет кислород и азот в процессах производства аммиака, метанола, ацетилена, азотной кислоты и других химических продуктов. [3]

Кислород широко используется в процессах резки и сварки металла в машиностроении и металлообработке. Кислород в последние десятилетия сыграл немаловажную роль и в развитии авиации и ракетной техники, являясь одним из лучших окислителей топлива в реактивных двигателях и ускорителях.

Наряду с кислородом широкое применение в различных отраслях промышленности находит азот в газообразном и жидком виде. Газообразный азот используется в черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности в качестве инертной среды для выплавки специальных сталей и сплавов и при производстве различных продуктов. [3]

Благодаря низкой температуре кипения (-196°C) жидкий азот применяется как хладагент. Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами -- азот может успешно заместить воздух. [2]

В горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы. В металлургии при криообжиге и криозакаливании металлов, для вакуумной дегазации расплавов, в качестве инертной среды для непрерывной разливки стали, для травления холодом. Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей. [2]

В нефтедобыче как безопасный рабочий агент при газлифтном способе добычи нефти и при запуске скважин (заменитель сжатого воздуха), при авариях на нефтепроводах (замораживание порыва), для тушения пожаров на нефтяных и газовых скважинах, создание криоледяных платформ в открытом море или на слабых грунтах для ведения бурения. [2]

В химической и нефтехимической промышленности как инертная среда в химических процессах, для криогенного разделения продуктов химических реакций, в криохимии для получения полимеров высокого качества

- при производстве этилена, полиэтилена, пропилена, полиформальдегида и т. д., для очистки взрывчатых смесей, регенеративных катализаторов, для хранения и перевозки легковоспламеняющихся жидкостей. Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п. [3]

В сельском хозяйстве как инертная среда для хранения пищевых продуктов, для хранения спермы племенных животных, заморозка продуктов в полевых условиях. [3]

В медицине для сохранения крови и кровьсодержащих препаратов, для быстрого замораживания и хранения тканей и различных органов, в технологиях получения полноценных порошковых лекарственных препаратов, в криотерапии. [3]

Все большее значение приобретают выделяемые из воздуха инертные газы. Аргон широко используется в новых металлургических процессах выплавки сталей, в титаномагниевой промышленности, при производстве полупроводников, в процессах аргонодуговой сварки металлов. [3]

Достигнутые за последние годы успехи в развитии техники низких температур и расширение базы кислородного машиностроения позволили разработать и освоить промышленное производство широкой номенклатуры воздухоразделительных установок и кислородного оборудования с высокими технико-экономическими показателями. [3]



1.Технико-экономическое обоснование места строительства

Размещение строительного корпуса цеха «Разделение воздуха» соответствует основным требованиям к строительным площадкам такого типа:

- Удобство обслуживания и возможность демонтажа аппаратов и их деталей (объем помещения должен позволять производство демонтажа и ремонта); [4]

- Обеспечение максимально коротких трубопроводов между аппаратами (комплектовка блока разделения соответствует техническому решению) и между производителем и потребителями (подача азота в другие цеха, подача КИПовского воздуха, производство и подача других продуктов разделения воздуха потребителям соответствует данному техническому решению; работа компрессоров и заводского транспорта вполне обеспечивает потребителей нужным сырьем и продуктами); [4]

- Рациональное размещение и передвижение внутризаводского транспорта (используется только при монтаже и перевозке оборудования). [3]

Крайнее расположение цеха можно объяснить использованием технологического оборудования, создающего вибрацию и шум. Из-за того же оборудование устанавливается не на фундамент, а на специальные амортизирующие устройства, и оборудование снабжено звукоизолирующей перегородкой, двойным кожухом с внутренними контурами и глушителем.

Все это оборудование весит довольно много и требует установки на особом фундаменте, который тоже очень тяжел, поэтому для строительства выбрано именно здесь. [3]

Вся Ферганская долина представляет собой сейсмоактивную зону, довольно неустойчивую, но место почвенного движения в этой области фактически является бывшим морским дном и представляет собой тяжелый грунт не оседающий при сейсмических толчках и его уплотненный пласт располагается не слоисто, что тоже уменьшает воздействие сейсмических толчков и последствия сейсмоактивности. [4]

Грунтовые воды прилегают слишком глубоко, чтобы как-то повлиять на верхние слои почвы, поэтому размытие грунта тоже не угрожают постройке.

Фактор розы ветров также фактически не влияет на работу и постройку цеха, поскольку цех не имеет вредных выбросов.

Электро- и теплоснабжение обеспечивается благодаря соседнему предприятию - Ферганской тепло-электро-централи. Водными ресурсами предприятие обеспечивается городским водоканалом по промышленному тарифу. [4]

Необходимыми высококвалифицированными кадрами обеспечивает находящийся в области Ферганский Политехнический Институт и профессиональные колледжи. [4]

С точки зрения подвода транспортных путей и железнодорожных линий район строительства полностью располагается в уже застроенном районе, снабженном жилищными условиями, товарно-бытовыми и социальными секторами, в том числе и городской автомобильной базой, автобусными парками и железнодорожными станциями. Благодаря этому отпадает необходимость в проектировании дополнительных автомобильных и железнодорожных линий. Этот фактор полностью обуславливает отсутствие необходимости в создании дополнительных сфер обслуживания для снабжения сырьем и материалами. Кроме этого, уже существующий автопарк городского обслуживания может ориентироваться на работающих, обслуживать смены рабочих и оказывать дополнительную поддержку предприятию для ввоза и вывоза сырья, готовой продукции и оборудования.

Данный фактор также позволяет не беспокоится о социальном быте работающих, поскольку городской сектор социального обслуживания в районе Киргулей и близлежащих населенных пунктов полностью удовлетворяет потребностям населения в медицине, образовании, культурном обслуживании и т.д. [4]

2. Характеристика сырья и материалов

Воздух - сырье для получения азота и кислорода. Атмосферный воздух является основным источником сырья для получения азота, кислорода и редких (инертных) газов, для получения их методом глубокого охлаждения.

Кроме кислорода и азота воздух содержит в небольших количествах аргон, неон, гелий, криптон, ксенон, которые называют редкими газами. [5]

Довольно значительной примесью воздуха является двуокись углерода, содержание которой в приземных слоях атмосферы в среднем составляет 0,03% по объему. [5]

В табл.3.1. [6], приведено объемное содержание газов в составе

Таблица 3.1.

Газы	Содержание, в % об.
Азот	78,09
Кислород	20,95
Аргон	0,93
Неон	0,0018
Гелий	0,000524
Криптон	0,000114
Ксенон	0,0000087
Водород	0,00005
Двуокись углерода	0,03
Метан	0,00015
Закись азота	0,00005
Озон	0,00001 ч 0,000001

Атмосферный воздух содержит ряд примесей, вредных для процесса глубокого охлаждения: твердые частицы (пыль, сажу и т.д.), пары воды, двуокись углерода, предельные и непредельные углеводороды. [5]

С поверхностей морей и материков в атмосферный воздух попадает водяной пар, содержание которого является переменным и зависит от многих факторов. В небольших переменных количествах в состав воздуха входят такие примеси, как метан, окись углерода и другие природные промышленные газы, а также пыль, твердые частицы земного и космического происхождения разнообразного состава формы и размеров. [5]

Редкие газы, содержащиеся в воздухе широко применяют во многих важных производственных процессах, поэтому, несмотря на малое содержание их в воздухе, они попутно извлекаются при получении кислорода и азота, и после очистки от примесей используются по назначению. [5]

Атмосферный воздух содержит ряд механических примесей, вредных для производства: твердые частицы (пыль, сажа и другие), пары воды, двуокись углерода, предельные и непредельные углеводороды, поступающие вместе с атмосферным воздухом или являющиеся продуктами разложения смазочных масел. Эти примеси удаляются из при помощи фильтрации и адсорбции. [6]

Воздух, поступающий в воздушные фильтры компрессоров должен быть возможно более чистым. Если содержание примесей в окружающем воздухе выше установленных норм, то место забора воздуха переносят в район с менее загрязненной атмосферой.

К перечню материалов для работы установки следует отнести так же следующие компоненты:

1. Вода - тепло- и хладагент.

Применяется обычная, водопроводная.

Кроме того, в состав цеха входит установка по обессоливанию,

умягчению и очистке воды.

Температура 16° С.

Давление 0,9 кгс/смІ.

Содержание механических примесей не более 50 мг/л.

рН = 7-7,5. [5]

В основном вода применятся в компрессорном цеху в качестве хладагента в кожухотрубчатых теплообменниках.

Большая часть воды является оборотной при процессах теплообмена, некоторое ее количество сливается в производственную канализацию. [6]

2. Базальтовая крошка - фракции 4-10 мм составляют практически 98% всего нужного объема.

Применяется как насадка регенераторов. Обычно используют марки

ТУ-21У ГОСТ - 606-71. [6]

Плотность - 3070 кг/мі

Пористость - 2,2 % об.

Твердость по Шору - 79

Временное сопротивление сжатию - 300 Мн/мІ

Потери при истирании - 0,45 г/смІ

Теплоемкости: при 273 К - 0,525 кдж/(кг·град).

при 293 К - 0,67 кдж/(кг·град).

при 373 К - 0,735 кдж/(кг·град). [6]

3. Вата минеральная.

Используется в некоторых фильтрах, как изоляционный материал.

Обычно используется вата марки 150 по ГОСТ - 4640-84. [6]

4. Масло турбинное.

Используется марка ТП - 22 по отраслевой нормали ГОСТ - 21743-76.

Силикагель технический - сорбент для технической аппаратуры очистки воздуха, полупродуктов и продуктов установки разделения воздуха. Обычно используют марки КСМГ, сорт 1 ГОСТ - 3956-76. [6]

5. Сукно шерстяное - изоляционный материал.

Ширина 1600 мм.

Толщина 2-3 мм. [6]



3. Характеристика готового продукта

Готовой продукцией цеха разделения воздуха является следующие продукты [6]:

1. Азот;

2. Кислород;

3. Жидкий воздух;

4. Сжатый воздух;

5. Неоногелиевая смесь.

Газообразные продукты подаются потребителям по газопроводам или доставляются в баллонах под высоким давлением, предусмотренным ГОСТ и ТУ на данную продукцию. Сжиженные газы поставляются в сосудах Дьюара, резервуарах и цистернах различной емкости под давлением, близким к атмосферному.

1.Азот.

Химическая формула (N2), бесцветный газ, без запаха и вкуса, не горит и не поддерживает горение. Азот не является токсичным газом. Опасность азота заключается в том, что вытесняя из воздуха кислород, он вызывает удушье. [5]

Газообразный чистый азот используется:

- в производстве аммиака;

- в производстве хлорат - магниевого дефолианта;

- в производстве триацетата целлюлозы;

- в производстве карбамида;

- в кислородно-наполнительной станции для наполнения азотных баллонов;

- в производстве азотной кислоты и аммиачной селитры;

- на предприятиях ФНПЗ и ФЗХВ.

Азот жидкий технический - бесцветная жидкость, без запаха, при нормальных условиях имеет температуру кипения 77,4 K (-195,75єС). [6]

Азот жидкий технический поставляется потребителям в транспортных цистернах (резервуарах), для перевозки криогенных жидкостей ГОСТ 17518-72 или в сосудах Дьюара общего назначения с вакуумно-порошковой изоляцией по ГОСТ 16024-70 и ГОСТ 5.837-71. [6]

2. Кислород технологический.

Химическая формула - О2, бесцветный газ, без запаха и вкуса, обладает высокой химической активностью. С горючими газами (водород, ацетилен и др.) образует взрывоопасные смеси. Смазочные масла, их пары и продукты разложения способны окисляться при соприкосновении с чистым кислородом, а при определенных условиях и самовоспламеняться со взрывом. При повышении давления и температуры опасность самовоспламенения и взрыва смесей горючих веществ в кислороде возрастает. Кислород технический имеет аналогичные кислороду технологическому физико- химические свойства. Применяется при сварке и резке металла, в медицине для дыхания и в лечебных целях. [6]

Жидкий кислород выпускается двух видов: технологический и медицинский, которые согласно ГОСТ 6336-68 должны отвечать требованиям, представленным в табл. 4.1. [6]

Таблица 4.1.

Характеристики жидкого кислорода.

	Технический кислород	Медицинский кислород
	1 сорт	2 сорт	3 сорт
Содержание кислорода, %	99,7	99,5	99,2	99,2
Содержание ацетилена, мл/дм3	-	-	0,4	-
Содержание масла, мг/дм3	-	-	0,1	-
Содержание окиси углерода	Не норм.	Не норм.	-	Не норм.
Содержание влаги	-	-	-	Не норм.

3.Жидкий воздух.

На воздухоразделительной установке попутно с основной продукцией иногда также получают жидкий воздух. Под рациональным термином жидкий воздух обычно понимают кубовую жидкость, сливаемую из воздухоразделительного аппарата и используемую в качестве хладагента при лабораторных и производственных работах. Жидкий воздух содержит до 40% кислорода и остальное азот. [6]

4.Сжатый воздух.

Это атмосферный воздух, накаченный компрессором в баллоны под избыточным давлением до 165-200 кгс/смІ или доставляемый потребителю газопроводом под требуемым давлением. Воздух сжатый технологический применяется в воздухоразделительных установках, в установках осушки воздуха для нужд КИПиА, в цехе ХМД, в цехе НиОПСВ, для барботирования растворов и для хозяйственных нужд предприятия. [6]

5. Неоногелиевую смесь получают попутно с азотом и кислородом из атмосферного воздуха. Она содержит неона и гелия от 20% и более, кислорода не более 1%, остальное азот. Смесь отбирают из под крышки конденсатора воздухоразделительного аппарата двойной ректификации, где скапливаются газообразные неон и гелий, имеющие более низкую температуру конденсации, чем азот. Для обогащения неоногелиевой смеси неоном и гелием применяют специальный аппарат - трубчатку. Смесь используется в электроосветительной технике в качестве сырья для получения неона требуемого для производства сигнальных, газосветных ламп и других приборов. Неон особой чистоты (МРТУ

6-02-376-66) должен содержать азота 0,01 %, гелия не более 0,1 %, кислорода 0,001 %, водорода 0,001 %, паров воды не более 0,02 г/мі при 760 мм рт. ст. Гелий высокой чистоты поставляется по МРТУ 51-77-66 и должен содержать гелия не менее 99,985 %, кислорода не более 0,002 %, водорода 0,002 %, азота 0,05%, углеводородов 0,003 %. Наполняются в стальные баллоны малой и средней емкости по ГОСТ 4457-76 с мембранным вентилем. [6]



4. Характеристика и выбор методов технологического производства

Практически во всех технологических методах разделения воздуха для охлаждения и сжижения газов в технике глубокого охлаждения используют холодные циклы. [7]

Холодным циклом называется замкнутый процесс последовательного сжатия и расширения газа, сопровождающегося его нагреванием и охлаждением. На сжатие газа затрачивается внешняя механическая работа, которая частично отдается обратно при расширении газа. Во всяком холодильном цикле затрачиваемая работа всегда больше получаемой, так как отнятие теплоты от охлажденного тела происходит на более низком температурном уровне, чем передача его другому телу, являющемуся охладителем. [7]

Перенос теплоты с одного температурного уровня на другой, более высокий, осуществляется с помощью рабочего газа, каковым в циклах сжижения воздуха является сам воздух. В холодном цикле работа расходуется на сжатие хладагента в компрессоре. Холодный цикл замкнут, если начальное и конечное состояние газа в нем совпадают. Для этого отдельные процессы, из которых составляется цикл, должны протекать в определенном порядке, например, после сжатия газа (в компрессоре) и охлаждения (в водяном холодильнике) должно происходить расширение газа, сопровождающееся понижением его температуры, а затем нагревание газа до первоначальной температуры (в теплообменнике) при постоянном давлении. [7]

Поскольку идеальный холодный цикл, в котором нет потерь теплоты, можно представить себе чисто теоретически, но практически его осуществить нельзя, то существует два основных способа для уменьшения энтальпии воздуха:

1. Использование расширительных машин (детандера);

Использование эффекта Джоуля-Томпсона, выраженный в том, что при дросселировании сжатого воздуха, т.е. в адиабатном его расширении без совершения внешней работы в интересующей нас области взаимодействия давления и температур происходит понижение его температуры. [7]

Существует множество примеров работы холодного цикла:

Холодный цикл с дросселированием воздуха. Сжатый воздух проходит систему теплообменников и в охлажденном виде расширяется в дроссельном вентиле и в последствии сам служит хладагентом в теплообменниках системы охлаждения. [7]

1. Холодный цикл с дросселированием и предварительным охлаждением воздуха. Предварительное охлаждение воздуха перед теплообменником улучшает показатели холодильного цикла с дросселированием примерно в 2-3 раза, поскольку необходимое для сжатия количество холода уменьшается вследствие уменьшения энтальпии воздуха после предварительного охлаждения. [7]

2. Цикл с однократным дросселированием. В этом случае зависимость производительности характеризуется давлением сжатого воздуха. [7]

3. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией. В этом цикле эффективность повышена включением в цикл циркуляционного потока между конечным давлением сжатия и некоторым промежуточным давлением с соответствующим промежуточным дросселированием. [7]

4. Цикл с дросселированием и промежуточным охлаждением является усовершенствованием цикла 1,2,3. [7]

5. Цикл с двойным дросселированием, циркуляцией и промежуточным охлаждением - модернизация цикла 4. [7]

6. Масштабным усовершенствованием всех вышеперечисленных циклов является модернизированный цикл с дроссилированием и многоступенчатым промежуточным охлаждением. [7]

7. Циклы с детандером делятся на циклы высокого и низкого давления и имеют структуру охлаждения такую же, как и циклы с дросселированием. При цикле с поршневым детандером высокого давления, давление сжатого воздуха достигает 180-200 кгс/смІ.[7]

8. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы) основан на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в турбодетандере с производством внешней работы. Давление здесь достигает 6 ч7 кгс/смІ.[7]

Помимо разделения воздуха методом глубокого охлаждения, в основе которого лежит процесс ректификации существует еще и мембранный метод, основанный на разной величине молекул азота и кислорода.

Воздух прогоняют через фильтры из молекулярных сит, которые пропускают через себя лишь молекулы азота. Этот метод малоэффективен т.к. азот лишь газообразный, малой чистоты и плохого качества, также производительность этого метода недостаточен для химической промышленности. [7]

Кроме перечисленных методов был изобретен новый адсорбционный метод получение азота из атмосферного воздуха. Принцип действия этого метода состоит в том, что специальные цеолиты - адсорбенты, в которых есть молекулярные поры, имеют способность поглощать лишь молекулы азота, а молекулы кислорода не помещаются в эти поры. Этими адсорбентами заполняют емкости - адсорберы, пропускают воздух через слой цеолита, на выходе же выходит чистый кислород. [7]

Прямой поток пропускают до тех пор, пока поры адсорбента полностью не будут заполнены азотом. После этого проходит обратный поток. На выходе обратный поток обогащен азотом. Недостатком этого метода является высокая стоимость адсорбента. [7]

Наилучшим методом производства является метод глубокого охлаждения с циклом низкого давления и расширения воздуха в турбодетандере, поскольку он имеет большую производительность и относительно чистый выход азота и кислорода. [7]



5. Описание выбранного процесса технологического производства

5.1 Физико-химические основы процесса

разделение воздуха охлаждение цех

Разделение воздуха является достаточно сложной технической задачей. Этот процесс облегчается, если предварительно перевести воздух в жидкое состояние сжатием, расширением и охлаждением, а затем осуществить его разделения на составные части, используя разность температур кипения кислорода и азота. Если жидкий воздух постепенно испарять сначала будет испаряться преимущественно азот, обладающий более низкой температурой кипения; по мере улетучивания азота жидкость будет обогащаться кислородом. Повторяя процесс испарения и конденсации многократно, можно достичь желаемой степени разделения воздуха на азот и кислород требуемых концентраций. Такой процесс многократного испарения и конденсации жидкости и её паров для разделения их на составные части называется ректификацией. Поскольку данный способ основан на охлаждении воздуха до очень низких температур, он называется способом глубокого охлаждения. Для глубокого охлаждения воздуха используется холодильный цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере. [7]

Цикл основан на применении воздуха низкого давления, в нашем случае воздуха с абсолютным давлением 0,6ч0,65 МРа, и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (турбодетандере) с производством внешней работы. [7]

Данный цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере основан на ректификации воздуха и является полностью физическим массообменным процессом. [7]

Для полного разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот применяется процесс ректификации, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колонными.

Процесс ректификации осуществляется в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Ректификационная колонна представляет из себя цилиндрический аппарат, вертикальный с расположенными внутри горизонтальными перегородками (ситчатыми тарелками) со сливными устройствами. Процесс ректификации воздуха является физическим процессом. Сущность процесса, происходящего в колоннах, состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через слой жидкости с меньшим содержанием кислорода, находящейся на тарелке. Поскольку жидкость на тарелке содержит меньше кислорода и больше азота, она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар. Это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости и одновременно испарение из жидкости азота. Данный процесс происходит при непосредственном соприкосновении пара с жидкостью и повторяется много раз, в зависимости от количества тарелок, до получения в верхней части колонны пара состоящего почти из одного азота, а в нижней части колонны жидкости состоящей почти из одного кислорода. Такой процесс называется массообменом. На ВРУ цеха Разделения воздуха, для более полного извлечения кислорода из воздуха применена схема двукратной ректификации воздуха.

Ректификационный аппарат состоит из колонны высокого давления или нижней колонны, иногда называемой колонной предварительного разделения, работающей под избыточным давлением 0,6 ч 0,65МРа (6,0 ч 6,5 кгс/смІ) и колонны низкого давления или верхней колонны, избыточное давление в котором не превышает 0,06 МРа (0,6 кгс/смІ). [7]

Давление в нижней колонне устанавливается самопроизвольно, в соответствии с тепловой нагрузкой конденсаторов. Давление в верхней колонне обусловлено сопротивлением линий отвода продуктов разделения (кислорода и азота) из колонны. [7]

В нижней колонне происходит предварительное разделение воздуха с получением флегмы обогащенной кислородом. Поднимающийся с верхней

тарелки нижней колонны пар, обогащенный азотом, подается в конденсатор-

испаритель. Поскольку избыточное давление паров азота составляет не более

0,6 ч 0,65МРа (6,0 - 6,5 кгс/смІ), а паров кислорода около 0,06 МРа (0,6 кгс/смІ), температура конденсации паров азота на несколько градусов превышает температуру жидкого кислорода. [7]

Вследствие этого, азот конденсируется в конденсаторе и стекает в нижнюю колонну, орошая ее тарелку, и обеспечивает процесс ректификации.

Другая часть жидкого азота через азот дроссельный вентиль дросселируется до давления не более 0,06 МРа (0,6 кгс/смІ) и подается на орошение верхней колонны. [7]

В верхней колонне происходит окончательное разделение воздуха на кислород и азот. Благодаря тому, что в верхнюю часть верхней колонны подается почти чистый жидкий азот, то отходящий азот (при достаточном орошении верхней колонны) содержит не более 3-5 % кислорода. [7]

Следовательно, потеря кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации и процесс разделения воздуха при двукратной ректификации более экономичен, поскольку при двукратной ректификации обеспечивается почти полное извлечение кислорода и азота из воздуха. Ситчатая тарелка изготавливается из сплава листовой латуни, алюминия и нержавеющей стали толщиной 0,8 ч 1 мм, в которой в шахматном порядке на расстоянии 3 ч 2,5 мм друг от друга пробиты отверстия диаметром

0,9 ч 1,2 мм. На 1 мІ размещается 110000 таких отверстий. [7]

Поднимающийся пар легко проходит через отверстия, вспенивая находящийся на тарелке слой жидкости. Жидкость под действием подпора пара не протекает через отверстия. [7]

Переливание жидкости с одной тарелки на другую происходит только через сливные перегородки, высота которых определяет условную высоту слоя жидкости на тарелках. [7]

5.2 Описание технологической схемы

Для сжатия воздуха в цехе Разделения воздуха используются центробежные 6-ти ступенчатые компрессоры, марок К-350-61-1(ТКР №1,3), К-500-61-2 (ТКР №2,4), К-500-61-1(ТКР №5,6,7,9) и К-905-61-1(ТКР №8).

Приводом для компрессоров служат синхронные электродвигатели, марки СТМ. [6]

Каждый компрессор имеет промежуточные и концевой воздухоохладители, маслоохладители, где воздух охлаждается артезианской водой. Шесть ступеней сжатия компрессора разделены на три секции, по две ступени в каждой секции. [6]

Атмосферный воздух с ближнего или дальнего воздухозабора всасывается турбокомпрессорами через фильтр-камеры, где происходит очистка воздуха от механических примесей при прохождении через сетку фильтра. Сетка фильтра периодически очищается от пыли путем проворачивания, при этом она проходит через ванну, заполненную маслом. Здесь пыль смывается и остается в ванне. [6]

Воздух из общего коллектора поступает в систему АВО, где охлаждается и отделяется от влаги, после чего с давлением 0,5 ч 0,55 MПa (5,0 ч 5,5 кгс/смІ) и температурой не более 303 K (30єС) поступает в АКт-16-2. [6]

Большая часть воздуха поступает в один из азотных регенераторов (3), а остальное количество воздуха - в один из кислородных регенераторов (1). В регенераторах воздух охлаждается до состояния насыщения (-168) ч (-173) єС и одновременно очищается от влаги, двуокиси углерода и значительного количества углеводородов, которые вымерзают на каменной насадке. [6]

Обратными потоками в регенераторах являются:

- в азотных регенераторах - поток грязного азота, проходящий по насадке, потоки чистого азота и сухого воздуха, нагреваемые во встроенных в регенераторы змеевиках; [6]

- в кислородных регенераторах - поток технологического кислорода, проходящий по насадке, и нагреваемые в змеевиках потоки чистого азота. [6]

Для обеспечения незамерзаемости регенераторов, часть воздуха-

«петля» отбирается при температуре 148 K (-125 єС) из середины регенераторов направляется в один из двух попеременно работающих газовых адсорберов (5), где происходит очистка воздуха от двуокиси углерода и углеводородов. Очищенный от примесей воздух «петли» направляется в турбодетандер (25). [6]

Основное количество воздуха после регенераторов поступает в нижнюю колонну(6). Большая часть воздуха в нижней колонне подвергается предварительному разделению с получением:

- чистой азотной флегмы, c содержанием кислорода не более 0,02%;

- грязной азотной флегмы, с содержанием кислорода 5 ч 8%;

- кубовой жидкости, с содержанием кислорода 39 ч 40 %.[6]

Остальное количество воздуха промывается на «отбойных» тарелках нижней колонны от ацетилена и твёрдых частичек двуокиси углерода, унесённых из регенераторов, смешивается с воздухом «петли» из газовых адсорберов и направляется в турбодетандер (25). [6]

В результате смешивания потоков температура воздуха перед турбодетандером становится равной 127 K (-146 єС). В турбодетандере воздух расширяется с давления 0,5МРа (5,0 кгс/смІ) до давления 0,05 МРа (0,5 кгс/смІ), охлаждается до температуры 93 ч 88 K (-180 ч -185 єС), после чего подаётся на 14-ю тарелку верхней колонны. [6]

Небольшое количество воздуха после регенераторов поступает в подогреватель грязного азота (14), подогреватель чистого азота (16), подогреватель технологического кислорода (17), конденсируется в них за счёт холода отходящих продуктов (грязного, чистого азота и технологического кислорода), а затем в виде жидкости стекает в куб нижней колонны (6). [6]

Отбираемая из нижней колонны кубовая жидкость проходит один из переключающихся адсорберов кубовой жидкости (12), где очищается от

углекислоты, ацетилена и других углеводородов, после чего переохлаждается за счет холода потока грязного азота в переохладителе кубовой жидкости (13) и дросселируется на 17 тарелку верхней колонны. [6]

Грязная азотная флегма отбирается с 16 тарелки нижней колонны и дросселируется на 30 тарелку верхней колонны. [6]

Пары чистого азота из верхней части нижней колонны поступают на конденсацию в два основных конденсатора (8), выносной конденсатор (10) и конденсатор колонны технического кислорода (19). Поступающий в основные конденсаторы (8) азот вводится в межтрубное пространство и конденсируется на наружной поверхности трубок. [6]

Не сконденсировавшийся в основных конденсаторах газообразный азот поступает в межтрубное пространство выносного конденсатора (10), для дальнейшей конденсации. Не сконденсировавшиеся в выносном конденсаторе пары легкокипящих компонентов воздуха - неон, гелий и др. выбрасываются в атмосферу из верхней части межтрубного пространства выносного конденсатора. [6]

Азот сконденсировавшийся в основных и выносном конденсаторах поступает в карман нижней колонны, откуда большая часть жидкого азота идет на орошение нижней колонны, а часть проходит переохладитель чистой азотной флегмы (15), где переохлаждается потоком отходящего из верхней колонны чистого азота, затем дросселируется на 58 тарелку верхней колонны.

Чистый азот отбирается с верхней части верхней колонны, подогревается в переохладителе чистой азотной флегмы (15), подогревателе чистого азота (16) и при температуре 96 K (-177 єС) поступает одновременно в змеевики всех четырех регенераторов. В регенераторах чистый азот нагревается до температуры 298 K (25 єС) и далее направляется в коллектор азота низкого давления, с давлением 300 ч 800 мм.вод.ст. [6]

Грязный азот отбирается с 30 тарелки верхней колонны (7), подогревается в переохладителе кубовой жидкости (13) и подогревателе грязного азота (14) до температуры 98 K (-175єС) и поступает в один из азотных

регенераторов (3). Проходя по насадке регенераторов, грязный азот нагревается до температуры 298 K (25єС) и одновременно выносит из регенератора влагу, двуокись углерода и углеводороды, оставленные на насадке «прямым» потоком воздуха. Из регенераторов грязный азот выбрасывается в атмосферу. [6]

Жидкий кислород из нижней части верхней колонны (7) поступает в два основных конденсатора (8), прямотрубного типа с внутритрубным кипением жидкого кислорода. При кипении одна часть жидкого кислорода испаряется и возвращается в сборник верхней колонны. Другая часть жидкого кислорода отбирается из основных конденсаторов (8) в выносной конденсатор (10), где почти полностью испаряется. [6]

Газообразный кислород из выносного конденсатора смешивается с потоком газообразного кислорода из колонны технического кислорода (19) и из сборника верхней колонны подогревается до температуры 98 K (-175єС) в подогревателе технологического кислорода (17), затем направляется в один из кислородных регенераторов. [6]

В регенераторе поток технологического кислорода нагревается до температуры 298 K (25єС) и одновременно очищает насадку регенераторов от влаги, двуокиси углерода и углеводородов, оставленных «прямым» потоком воздуха. Из регенератора кислород подается в коллектор технологического кислорода, с давлением 300 ч 800 мм вод. ст. [6]

Для защиты выносного конденсатора (10) от накопления взрывоопасных примесей, принята система циркуляционной очистки жидкого кислорода с газлифтом (24). Жидкий кислород отбирается из выносного конденсатора с помощью газлифта и подается в отделитель пара (11). Пройдя один из переключающихся адсорберов жидкого кислорода (18) возвращается в выносной конденсатор. Часть жидкого кислорода направляется на верхнюю тарелку колонны технического кислорода КТК. [6]

КТК состоит из конденсатора и ректификационной колонны, которая установлена непосредственно на конденсатор. В трубном пространстве конденсатора кипит кислород, а в межтрубном пространстве - конденсируется азот. По мере стекания жидкого кислорода по 15-ти тарелкам колонны, из него выпариваются более легкокипящие остатки азота, за счет тепла поднимающихся из конденсатора паров кислорода, которые сами проходя через жидкость на тарелках отдают свое тепло остаткам азота в жидкости и переходят в жидкое состояние. [6]

Таким образом, в верхней части колонны получается пар с наибольшим содержанием азота, а в нижней части колонны, под 15-й тарелкой получается жидкий кислород с концентрацией 99,2 ч 99,7%. Жидкий обогащенный кислород стекает в конденсатор, где испаряется за счет конденсации азота из нижней колонны (6). [6]

Часть газообразного кислорода, поднявшаяся по колонне и обогащенная азотом выводится из верхней части КТК в линию технологического кислорода. [6]

Другая часть газообразного кислорода отбирается из середины КТК - над конденсатором, с концентрацией 99,2 ч 99,7% (технический кислород) и отводится в кислородный теплообменник (22), где подогревается за счет охлаждения воздуха, отбираемого из воздушных змеевиков азотных регенераторов. Воздух из теплообменника подается в линию после турбодетандеров (25). [6]

Технический кислород из теплообменника поступает в общую линию технического кислорода цеха и далее подается в кислородно-наполнительную станцию, с давлением 300 ч 800 мм вод. ст. [6]

Жидкий азот образовавшийся в конденсаторе КТК подается на 58-ю тарелку верхней колонны. Для обеспечения проточности конденсатора колонны технического кислорода кислород сливается в испаритель жидкого кислорода (23), в котором испаряется и далее присоединяется к потоку технологического кислорода из регенераторов. [6]



6. Расчет и описание основного аппарата в технологическом производстве

6.1 Материальный и тепловой расчет

1) Общий материальный баланс установки разделения воздуха АКт-

16-2. Исходя из того, что весь воздух вырабатываемый турбокомпрессорами в час составляет 100 % приходящего сырья. Составляем материальный баланс основных приходящих потоков:

1. Детандерный поток составляет 29,19 % от общего количества воздуха [5]. Это составит:

36614 · 0,2919 = 10688 нм3/ч (7.1.1.)

2. Грязная азотная флегма составляет 9,69 % от общего количества воздуха [5], что составит:

36614 · 0,0969 = 3547 нм3/ч (7.1.2.)

3. Кубовая жидкость составляет 32,26 % от общего количества воздуха [5]. Следовательно:

36614 · 0,3226 = 11812 нм3/ч (7.1.3.)

4. На долю чистого азота, поступающего с нижней колонны в верхнюю, приходится 28,86 % от общего количества воздуха [5]. Это составит:

36614 · 0,2886 = 10567 нм3/ч (7.1.4.)

По закону материального баланса, количество приходящего вещества в аппарат должно равняться количеству отходящих продуктов, следовательно

общий расход будет равен также 36614 нм3/ч. Составляем материальный баланс основных исходящих потоков:

1. Чистый азот составляет 33 % [5] от общего количества воздуха

36614 · 0,33= 12083 нмі/ч (7.1.5.)

2. Количество технологического кислорода составляет 17,1 % от общего количества воздуха [5], следовательно

36614 · 0,171 = 6261 нмі/ч (7.1.6.)

3. Количество технического кислорода равно 0,31% от общего количества воздуха [5], что составляет

36614 · 0,0031= 114 нмі/ч (7.1.7.)

4. На долю отбросного азота приходится 43,3% [5] от общего воздуха

36614 · 0,433= 15853 нмі/ч (7.1.8.)

5. Неоногелиевая смесь вырабатывается в количестве 6,29% от общего количества воздуха [5], это составит:

36614 · 0,0629= 2303 нмі/ч (7.1.9.)

Общий материальный баланс установки разделения воздуха АКт-16-2 с производительностью 36614 нмі/ч по воздуху, входящим, разделяющимся и отходящим потокам представлен в табл. 7.1.

Таблица 7.1.

Общий материальный баланс установки разделения.

Приход	Количество	Разделенные потоки	Количество	Расход	Количество
Наимен.	нмі/ч	%	Наименов.	нм3/ч	%	Наимен.	нмі/ч	%
Воздух	36614	100	Детандерный поток	10688	29,19	Чистый азот	12083	33
			Грязная азотная флегма	3547	9,69	Кислород технологический	6261	17,1
			Кубовая жидкость	11812	32,26	Кислород тех.	114	0,31
			Чистый азот из нижней колонны в верхнюю	10567	28,86	Неоногелиевая смесь	2303	6,29
						Азот отбросной	15853	43,3
Итого:	36614	100	Итого:	36614	100	Итого:	36614	100



2) Материальный баланс нижней ректификационной колонны установки разделения воздуха АКт-16-2.

Поскольку количество петлевого воздуха составит 16,5 % от общего количества воздуха [5], то количество воздуха, поступающего в нижнюю колонну составит:

36614 - (36614 · 0,165) = 30573 нм3/ч (7.1.10.)

Исходя из этого, находим количество воздуха, идущего из нижней колонны в турбодетандеры:

10688 - (36614 · 0,165) = 4647 нм3/ч (7.1.11.)

Имея данные общего материального баланса установки АКт-16-2, составляем материальный баланс нижней ректификационной колонны, представленный в табл. 7.1.2.

Таблица 7.1.2.

Материальный баланс нижней ректификационной колонны.

Приход	Расход
Наименование	нмі/ч	Наименование	нмі/ч
Воздух	30573	Детандерный поток	4647
		Грязная азотная флегма	3547
		Кубовая жидкость	11812
		Чистый азот	10567
Итого:	30573	Итого:	36614

3) Материальный баланс верхней ректификационной колонны установки разделения воздуха АКт-16-2.

Расчет основных приходящих потоков:

1. Детандерный поток составляет 29,19% [5] от общего количества воздуха:

36614 · 0,2919=10688 нмі/ч (7.1.12.)

2. Грязная азотная флегма из нижней колонны составляет 9,69% от общего количества воздуха [5], значит

36614 · 0,0969= 3548 нмі/ч (7.1.13.)

3. Кубовая жидкость из нижней колонны составляет 32,26% от общего количества воздуха [5]. Это составит:

36614 · 0,3226=11812 нмі/ч (7.1.14.)

4. На долю чистого азота, поступающего с нижней колонны приходится 18,55% от общего количества воздуха [5]. Это составит:

36614 · 0,1855=6792 нмі/ч (7.1.15.)

5.На долю газообразного кислорода из основных конденсаторов приходит 10,31% от общего количества воздуха [5], соответственно

36614 · 0,1031=3774 нмі/ч (7.1.16.)

По закону материального баланса, количество приходящего вещества в аппарат должно равняться количеству отходящих продуктов, следовательно, общий расход так же равен 36614 нмі/ч.

Расчет отходящих потоков:

1. Чистый азот составляет 33 % от общего количества воздуха [5], получаем

36614 · 0,33= 12083 нмі/ч (7.1.17.)

значит:

2. На долю отбросного азота приходится 43,3% от общего воздуха [5],

36614 · 0,433= 15854 нмі/ч (7.1.18.)

...