Воздухоразделительные установки

Воздухоразделительные установки (ВРУ) — установки для разделения воздуха на компоненты, а именно на: кислород, азот, аргон, неон, ксенон, криптон. Газовый состав воздуха на земле одинаков, за исключением углекислого газа, углеводородов и аммиака, концентрация которых на несколько (3 и более) порядков меньше, чем содержание кислорода и азота.

Воздухоразделительные установки подразделяются по давлению цикла разделения: P = 15 ÷ 20 МПа — высокое давление, P = 4 ÷ 7 МПа — среднее давление, P = 0,5 ÷ 1,2 МПа — низкое давление.

История

Исторически существовали несколько способов разделения воздуха.

• Фракционная конденсация паров воздуха
• Фракционное испарение жидкого воздуха
• Ректификационный
• Адсорбционный
• Мембранный

Первоначалом для существующих ВРУ, были ожижители воздуха. Первые ожижители представляли собой четырёхкаскадную систему охлаждения, с несколькими контурами охлаждения на базе аммиака, борного спирта и некоторых фракций природного газа (пропан, бутан, этан).

Первым, кто получил кислород из воздуха путём ректификации был Карл Линде в 1895 году. Он создал криогенный цикл, по которому работала установка разделения, в последующем её назвали установка Линде, а цикл разделения воздуха — цикл Линде. В данном цикле применялся изотермический дроссель эффект, который создавался за счет изотермического сжатия в компрессоре и последующего расширения через дроссельный вентиль. Установка работала по циклу высокого давления P = 10 ÷ 15 МПа, с производительностью V_к = 100 (м³ O₂)/час и концентрацией x_к = 99,5 ÷ 99,7 % O₂. Линде впервые создал аммиачную холодильную машину, которую в последующем включил в цикл разделения воздуха (в 1902 год).

Установку низкого давления изобрел советский ученый П. Л. Капица в 1939 году. Установка была предназначена для получения газообразного кислорода и работала по циклу низкого давления P = 0,6 ÷ 0,7 МПа снижение давления было достигнуто путём применения в цикле турбодетандера, а также увеличением на порядок по сравнением с циклом Линде (от 3000 м³ воздуха в час и выше) потребляемого воздуха.

Принцип работы и устройство

Устройство

ВРУ состоит из 2-х секций. Ожижительной и разделительной. Ожижительная секция предназначена для получения жидкого воздуха, вернее, жидкой флегмы, в которой массовая доля кислорода чуть выше, чем в воздухе, за счет более высокой температуры кипения, как следствие при испарении в парах над флегмой больше низкокипящих компонентов, таких как азот.

Ожижительная секция состоит из блока комплексной очистки и осушки (БКОО), компрессора, ряда теплообменников, расширителя, в роли которого выступает дроссель или детандер, и оканчивается резервуаром для скопления сжиженной флегмы. Чаще всего, резервуаром для флегмы является дно ректификационной колонны.

Как правило, в системе стоит от 2-х и более теплообменников. Первый теплообменник работает при положительных температурах, и предназначен для охлаждения сжатого компрессором воздуха, окружающим воздухом. Последующие теплообменники охлаждают сжатый воздух путём теплообмена с исходящими продуктами: кислородом, азотом или флегмой.

Разделительная секция чаще всего состоит из ректификационной колонны, конденсатора-испарителя и ряда азото-кислородных теплообменников. Количество ректификационных колонн зависит от того какой газ или жидкость получается в установке. Так при получении только газообразного азота в установке находится 1 колонна. При получении кислорода в установке будет находится: верхняя и нижняя колонны и конденсатор испаритель между ними . При получении аргона в установке будет находиться 4 колонны: нижняя, верхняя, сырого аргона, чистого аргона. Остальные газы (ксенон, криптон, неон) находящиеся в воздухе получают в крупных ВРУ в виде смесей, из которых далее, в специальном оборудовании, выделяют эти газы в чистом виде. Неон и гелий при работе ВРУ накапливаются в конденсаторе-испарителе в виде некондесируемой фракции и начинают мешать процессам конденсации азота, для их удаления предусмотрен вентиль стравливания.

Принцип работы

Воздух, прошедший ряд фильтров механической фильтрации, попадает в компрессор, где сжимается до давления цикла, далее воздух поступает в БКОО, где с помощью абсорбентов из него удаляются влага, двуокись углерода и углеводороды, после чего воздух попадает в теплообменники. После них он попадает в нижнюю ректификационную колонну, где ректифицирует на кубовую жидкость (~ 35 % O₂, 2 % Ar, остальное — азот) и газообразный азот с чистотой ~99,99 %.

Если установка получает помимо азота ещё и кислород, то кубовая жидкость подается в середину верхней ректификационной колонны, а жидкий азот в верх верхней ректификационной колонны. Из верха верхней ректификационной колонны отбирается газообразный азот, внизу собирается жидкий кислород. Жидкий кислород попадает в конденсатор-испаритель, который производит теплообмен с газообразным азотом нижней ректификационной колонны. Со временем в конденсаторе-испарителе накапливается неон и гелий, что предусматривает установку вентиля для стравливания этих газов.

Классификация ВРУ

Существуют три метода разделения воздуха: адсорбционный, мембранный и криогенный. Отсюда и типы установок: адсорбционные, мембранные и криогенные.

Криогенные ВРУ

подразделяются:

• по давлению цикла разделения: P = 15 ÷ 20 МПа — высокое давление, P = 4 ÷ 7 МПа — среднее давление, P = 0,5 ÷ 1,2 МПа — низкое давление. Основано на классификации компрессоров по давлению нагнетания. Тем же образом классифицируют адсорбционные и мембранные установки разделения воздуха.
• по производительности:
  • малой V_к = 30 ÷ 300 (м³ N₂ или O₂)/час при нормальных условиях (T₀ = 273 K, P₀ = 760 мм рт.ст. = 101325 Па = 1 атм);
  • средней V_к = 300 ÷ 3000 (м³ N₂ или O₂)/час при нормальных условиях;
  • высокой V_к > 3000 (м³ N₂ или O₂)/час при нормальных условиях;
• по состоянию получаемого продукта:
  • Для получения газообразных продуктов;
  • Для получения жидких продуктов;
  • Для одновременного получения продуктов в жидкой и газообразной фазах;

Существуют малые ВРУ в которых в качестве ожижительной части используется газовая криогенная машина, работающей по обратному циклу Стирлинга. Рабочим газом в такой машине в большинстве случаев является гелий.

Расшифровка названия:

После тире в названии ВРУ указывается её производительность по первому продукту в тыс.м³/ч или тыс.кг/ч если речь идет о жидких продуктах.

• А — получение газообразного азота
• Кд — получение газообразного кислорода
• Аж — получение жидкого азота
• Кж — получение жидкого кислорода
• Ар — получение газообразного аргона
• Кт — получение технологического (чистота 95 %) кислорода

Пример: установка АжКж-0,6 получает жидкий азот в количестве 0,6 тыс.кг/ч, а также жидкий кислород. Установка КА-5 производит газообразный кислород в количестве 5 000 м³/ч, а также газообразный азот.

См. также

• Криогеника

Литература

• Справочник Кислород том 1 и том 2, в 2 томах, под ред Глизманенко Д. Л., М: «Металлургия», 1967 г.
• Установки, машины и аппараты криогенной техники часть 1 и 2, в 2 частях, Усюкин И. П., М.: Пищевая промышленность, 1976 г.

Ссылки

• История Института кислородного машиностроения