Установки для получения азота из воздуха: проблемы и перспектвы

 

УХАНОВ А.В.

Азот сегодня широко используется в виде газа и жидкого раствора во многих отраслях промышленности. который перед применением переводят в газообразное состояние при помощи специального оборудования — газификатора. Используется технический азот для обеспечения безопасности работы с легковоспламеняющимися веществами, в установках пожаротушения и для создания определенной среды, необходимой для осуществления технологических процессов.

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что автоматизация воздухоразделительных установок, кроме снижения трудозатрат на обслуживание и повышения надежности действия установки, дает технико-экономический эффект за

Анализ его свойств современными специалистами помог развитию различных современных технологий. Соответствующий ГОСТ устанавливает параметры, какими должен обладать азот для различных областей применения. Сегодня данный технический газ получают, используя современные установки воздухо- и газоразделения.

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 158000 м ³/ч перерабатываемого воздуха

Производственные процессы в различных отраслях промышленности представляют собой совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующими как единое целое машин и аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций.

\ Современное производство требует постоянного контроля технологических параметров, их своевременного и точного регулирования и поддержания в заданных пределах. Эффективное решение этой задачи возможно только с использованием автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Конечной целью автоматизации является создание полностью автоматизированных производств, где роль человека сводится к составлению режимов и программ протекания технологических процессов, контролю за работой приборов и их наладке.

Основные преимущества автоматизированного производства: облегчение труда, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, повышение общего культурного уровня жизни человека, улучшение технико-экономических показателей, повышение качества продукции, повышение производительности труда, снижение себестоимости продукции.

Данная работа посвящёна усовершенствованию существующего стандартного процесса разделения воздуха с целью получения азота, путем внедрения автоматической системы регулирования (АСР) давления сжатого воздуха на входе в блок разделения установки воздухоразделительной

Рассмотрим основные методы получения азота из воздуха

1. Адсорбционный метод разделения воздуха основан на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами и получил широкое применение из-за следующих преимуществ:

- высокая разделительная способность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;

- быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными установками;

- большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;

- автоматическое регулирование режима;

- возможность дистанционного управления;

- низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;

- простое аппаратурное оформление;

- низкие затраты на обслуживание;

- низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Адсорбционный способ используется для получения азота и кислорода, так как он обеспечивает при низкой себестоимости отличные параметры качества..

Принцип получения азота при адсорбционном методе прост, но эффективен. Воздух подается в адсорбер - углеродные молекулярные сита при повышенном давлении и температуре внешней среды. В ходе процесса кислород поглощается адсорбентом, в то время как азот проходит через аппарат. Адсорбент поглощает газ до состояния равновесия между адсорбцией и десорбцией, после чего адсорбент необходимо регенерировать, т.е. удалить с поверхности адсорбента поглощённые компоненты. Это можно сделать либо путём повышения температуры, либо путём сброса давления. Обычно в короткоцикловой адсорбции используют регенерацию посредством сброса давления. Чистота азота по этой технологии 99,999 %.

Установка воздухоразделительная Аж-0,6-3 предназначена для производства азота жидкого особой чистоты по ГОСТ 9293-74 именно адсорбционным методом [3].

Разделение воздуха является одним из наиболее важных и ответственных технологических процессов на заводе. Основным технологическим оборудованием является блок разделения воздухоразделительной установки

2.Метод криогенного разделения базируется на тепло-массообменных процессах, в частности процессе низкотемпературной ректификации, основывающейся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов, находящихся в равновесии жидких и паровых смесей.

В процессе разделения воздуха при криогенных температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, осуществляется массо- и теплообмен. В результате паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (компонентом, имеющим более низкую температуру кипения), а жидкая - высококипящим компонентом.

Таким образом, процесс выглядит так: воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, проходит влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат - декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубопроводы, и приходится останавливать установку для оттаивания и продувки

Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. При постепенном испарении жидкого Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород, азот и аргон нужной чистоты. Возможность успешной ректификации основывается на довольно значительной разности(около

13 °С) температур кипения жидких азота (минус 196 °С) и кислорода (минус 183 °С). Несколько сложнее отделить аргон от кислорода (минус 185 °С). Далее разделенные газы отводятся для накопления в специальные криогенные емкости [3].

3. Мембранный метод

Промышленное использование технологии мембранного разделения газов началось в 70-х годах и произвело настоящую революцию в индустрии разделения газов. Вплоть до сегодняшних дней эта технология активно развивается и получает все большее распространение благодаря своей высокой экономической эффективности. Устройство современных мембранных газоразделительных и воздухоразделительных установок исключительно надежно. В первую очередь это обеспечивается тем, что в них нет никаких подвижных элементов, поэтому механические поломки почти исключены. Современная газоразделительная мембрана, основной элемент установки, представляет собой уже не плоскую мембрану или пленку, а полое волокно. Половолоконная мембрана состоит из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Суть работы мембранной установки заключается в селективной проницаемости материала мембраны различными компонентами газа. Разделение воздуха с использованием селективных мембран основано на том, что молекулы компонентов воздуха имеютразную проницаемость через полимерные мембраны. Воздух фильтруется

сжимается до желаемого давления, осушается и затем подается через мембранный модуль. Более «быстрые» молекулы кислорода и аргона проходят через мембрану и удаляются наружу. Чем через большее количество модулей проходит воздух, тем больше становится концентрация азота N2. Наиболее эффективно по затратам получать азот с содержанием основного вещества 93-99,5 % [3

Анализ процесса разделения воздуха как объекта управления

Производственные процессы в различных отраслях промышленности представляют собой совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующими как единое целое машин и аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций.

Производственные процессы рассматривают как последовательную смену состояний технологических операций во времени.

Разделение воздуха является одним из наиболее важных и ответственных технологических процессов на заводе. Основным технологическим оборудованием является блок разделения воздухоразделительной установки Аж-0,6-3

Анализ процессов, протекающих в блоке разделения, позволяет выделить основные входные, выходные параметры, а также возмущающие воздействия.

Возмущающими воздействиями являются:

- температура охлаждающей воды;

- давление сжатого воздуха;

- число оборотов турбодетандера.

Управляющими воздействиями являются:

- расход сжатого воздуха;

- расход воды;

- расход адсорбера.

Выходными показателями являются:

- расход жидкого азота;

- концентрация кислорода в жидком азоте.

2.2 Выбор и обоснование контролируемых и регулируемых параметров процесса разделения воздуха

Контролю подлежат технологические параметры, по которым можно наиболее полно оценить правильность протекания технологического процесса.

При выборе контролируемых величин необходимо руководствоваться тем, чтобы при минимальном их числе обеспечивалось наиболее полное представление о процессе. Контролю подлежат, прежде всего, те параметры, текущие значения которых облегчают ведение технологического процесса.

Анализ технологического процесса разделения воздуха позволяет определить основные контролируемые и регулируемые параметры.

Контролируемыми параметрами являются:

- температура воздуха перед входом в турбодетандер 1;

- давление воздуха, поступающего в турбодетандер 1;

- температура воздуха после турбодетандера 1;

- температура воздуха после турбодетандера 2;

- давление воздуха, поступающего в турбодетандер 2;

- давление воздуха после турбодетандера 2;

- уровень жидкости в кубе колонны;

- уровень жидкости в теплообменнике.

Регулируемыми параметрами являются:

- давление сжатого воздуха;

Контроль за температурой воздуха обоснован тем, что возникают так называемые «пиковые нагрузки», появляющиеся в момент переключения адсорберов.

Регулирование давления сжатого воздуха обусловлено тем, что некоторые конструкции блока очень чувствительны к нарушению гидродинамического режима: даже незначительные изменения скорости газа в колонне ведут к неустойчивым режимам ее работы.

Контроль уровня жидкости в кубе колонны и теплообменнике позволяет предотвратить аварийные ситуации перелива жидкости и прекращения снабжения технологического процесса сырьём.

Передвижные азотные компрессорные станции ТГА ®– надёжные и эффективные системы по получению азота (инертного газа) под высоким давлением из атмосферного воздуха. Передвижные компрессорные станции - это автономный источник сжатого воздуха, сжатого азота. Станции монтируются на грузовое шасси от личительные особенности азотных передвижных компрессорных станций ТГА®:

· высокая мобильность;

· полн ая автономность;

· быстрота развертывания.

Область применения станций ТГА®:

· Испытание и ремонт трубопроводов;

· Удаление взрывоопасных веществ из оборудования и емкостей;

· Создание безопасной среды при работе с жидкими углеводородами;

· Бурение, освоение и ремонт нефтяных и газовых скважин;

· Участие в колтюбинговых операциях;

· Предотвращение и тушение подземных пожаров в шахтах.

ребуемой проходимости, либо на прицеп.

Азотные станции ТГА® состоят из следующих основных блоков: система воздухоподготовки, система сжатия воздуха (компрессор, привод компрессора), мембранный блок воздухоразделения (для азотной станции), автоматика станции, шасси.
Каждая из представленных в каталоге станций на шасси может быть выполнена в блочно-модульном исполнении - в контейнере, оборудованном салазками, либо смонтированном на прицепе - для перевозки тралом.
Станции в блочном исполнении оснащаются либо дизельным, либо электрическим приводом компрессора

Преимущества:

· Увеличена концентрация азота – до 95-99% - за счёт применения мембран 5-го поколения;

· Блок охлаждения компрессора имеет меньшие массо-габаритные показатели и повышенную теплоотдачу;

· Система подготовки воздуха перед газоразделительным блоком включает в себя охладитель и подогреватель, что значительно снижает влажность подаваемого воздуха и как следствие увеличивает ресурс работы ГРБ;

· Увеличен ресурс работы компрессора за счет инновационных решений в сальниковых уплотнениях цилиндро-поршневой группы, клапана с ресурсом 5000 часов и более;

· Кольца цилиндро-поршневой группы выполнены по эксклюзивной технологии с напылением композитными материалами;

· На входе в компрессор установлен фильтр MANN (Германия), имеющий высочайшие показатели по соотношению «производительность-площадь». При этом попадание посторонних частиц в полость цилиндров компрессора практически исключено;

· Газоразделение происходит после 3-й ступени компрессора, что позволило снизить потребляемую мощность и расход топлива станций ТГА®;

· В системе смазки механизмов компрессора используется высококачественное синтетическое масло, позволяющее производить запуск компрессора без предварительного подогрева при температурах до -30 С;

· Система смазки цилиндров (лубрикатор) имеет встроенный ТЭН, обеспечивающий подогрев масла. Также установлен увеличенный бак для масла с автоматическим доливом;

· Для передачи крутящего момента от силовой установки к компрессору используется высоко-эластичная муфта BoWex (Германия);

· Погруженный датчик уровня топлива;

· Новая конструкция съёмного капота с применением современных шумо-тепло изоляционных материалов;

· Увеличенные топливные баки от 750 до 1200 литров (24 часа непрерывной работы);

· Освещение подкапотного пространства осуществляется светодиодными лампами «ТЕГАС»®;

· Гарантийный срок продлен до 24 месяцев;

· Автоматические конденсатоотводчики;

· Подогрев подкапотного пространства системой типа Webaс

 

 

В результате проведённого анализа рассмотрена автоматизация процесса разделения воздуха при производстве азота.также

рассмотрена технология разделения воздуха, основные методы получения азота и технологическое оборудование для данного процесса. Показаны области применения азота,,достоинства и недостатки различных методов получения азота из воздуха.

. Основным технологическим оборудованием является блок разделения воздухоразделительной установки Аж-0,6-3 Анализ процессов, протекающих в блоке разделения, позволил выделить основные входные, выходные параметры, а также возмущающие воздействия.

 

Список использованных источников

·

2 Усюкин, И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники, часть 1: учебное пособие для вузов. М. Пищепром, 1976 г. - 344 с.

3 Епифанова, В.И. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения/В.И. Епифанова, Л.С. Аксельрод; под ред. В.И. Епифановой, Л.С. Аксельрода. - М.: Машгиз, 1973. - 257 с.

4 Руководство по эксплуатации установки воздухоразделительной Аж - 0,6 - 3. - 198 с.

5 Инструкция по эксплуатации блока разделения воздуха установки Аж-0,6-3. - 26 с.

6 Лапаев, И.И. Автоматизация технологических процессов металлургических предприятий: учебно-метод. пособие / И.И. Лапаев, А.А. Буралков. - Красноярск: «ГАЦМиЗ», 1998. - 136 с.

7 Интеллектуальные датчики давления Метран-150 [Электронный ресурс]: Каталог продукции. - Режим доступа: http://www.metran.ru/netcat_files/973/941/150.pdf - Загл. с экрана.

8 Двухпроводный радарный уровнемер Rosemount серии 5400 [Электронный ресурс]: Лист технических данных; каталог 2008-2009. - Режим доступа: http://metratech.ru/file/Rosemount_5400.pdf - Загл. с экрана.

9 Компактный вибрационный сигнализатор уровня Rosemount 2110 [Электронный ресурс]: Лист технических данных; каталог 2006-2007. - Режим доступа: http://www.metran.ru/netcat_files/960/927/Rosemount_2110_PDS_00813_0107_4029_RevBA_rus.pdf - Загл. с экрана.

10 Интеллектуальный измерительный преобразователь температуры Rosemount 3144P [Электронный ресурс]: Лист технических данных; каталог 2008-2009. - Режим доступа: http://www.metran.ru/netcat_files/469/369/Rosemount_3144P_PDS_00813_0107_4021_RevNA_rus.pdf - Загл. с экрана.

12 Буралков, А.А. Автоматизация технологических процессов металлургических предприятий: учебно-метод. пособие / И.И. Лапаев, А.А. Буралков: ГАЦМиЗ - Красноярск, 1998. - 136 с.

13 Теория автоматического управления: учеб. для вузов / В. Н. Брюханов [и др.]; под ред. Ю. М. Соломенцева. - Изд. 3-е, стер. - М.: Высш. шк., 2000. - 268 с.

МиЗ», 2003. - 52 с.

25 ГОСТ 2.105-95. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. - Введ. впервые; дата введ. 08.08.1995. - М.: Госстандарта РФ, 1995. - 47 с.

26 ГОСТ 21.404-85 СПДС. Автоматизация технологических процессов. - Введ. впервые; дата введ. 01.01.1986. - М.: Госстандарта РФ, 1986. - 36 с.

 

ВАРИАНТЫ ИСПО

 

Анализ его свойств современными специалистами помог развитию различных современных технологий. Соответствующий ГОСТ устанавливает параметры, какими должен обладать азот для различных областей применения. Сегодня данный технический газ получают, используя современные установки воздухо- и газоразделения. Анализ его свойств современными специалистами помог развитию различных современных технологий. Соответствующий ГОСТ устанавливает параметры, какими должен обладать азот для различных областей применения. Сегодня данный технический газ получают, используя современные установки воздухо- и газоразделения.

Рассмот

Рим основные характеристики азота. Данное вещество является нетоксичным газом, который не имеет цвета. Также он характеризуется отсутствием запаха и вкуса. Азот существует в природе и является невоспламеняющимся при нормальном давлении и температуре газом. Поскольку азот немного легче воздуха, с высотой в атмосфере его концентрация увеличивается. Если азот охладить до точки кипения, он из газообразного состояния перейдет в жидкое. Сжиженный азот представляет собой бесцветную жидкость, которая способна при определенной температуре и под воздействием соответствующего давления преобразовываться в кристаллическое твердое и бесцветное вещество. Азот является слабым проводником тепла Производство азота для использования в промышленности

Азот технический в наши дни используется во многих отраслях промышленности. Анализ его свойств современными специалистами помог развитию различных современных технологий. Соответствующий ГОСТ устанавливает параметры, какими должен обладать азот для различных областей применения. Сегодня данный технический газ получают, используя современные установки воздухо- и газоразделения. Научно-производственная компания «Грасис» является лидером в разработке и производстве оборудования для воздухоразделения и создания газовых сред. Мы разрабатываем и производим стационарные и мобильные установки, которые позволяют получать необходимый объем азота. Наша компания предоставляет свои услуги не только в России и странах СНГ, но и имеет множество клиентов в Восточной Европе.