Атмосферный воздух представляет собой смесь, содержащую по объёму кислорода 20,93% и азота 78,03%, остальное - аргон и другие газы нулевой группы, углекислота и пр. Указанные цифры относятся к осушенному воздуху без влаги. Содержание водяных паров в воздухе может меняться в широких пределах в зависимости от температуры и степени насыщения. Для получения технически чистого кислорода воздух подвергается глубокому охлаждению и сжижается (температура кипения жидкого воздуха при атмосферном давлении-194,5°). Полученный жидкий воздух подвергается дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. Возможность успешной ректификации основывается на довольно значительной" разности (около 13°) в температурах кипения жидких азота (-196°) и кислорода (-183°).
Схема заводской установки для производства кислорода из воздуха показана на фиг. 118. Воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, затем проходит последовательно ступени компрессора (на фигуре изображён четырёхступенчатый компрессор). За каждой ступенью компрессора давление воздуха возрастает и доводится до 50-220 атм в зависимости от системы установки и стадии производства. После каждой ступени компрессора воздух
проходит злагоотделитель, где осаждается зода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Между второй и третьей ступенями компрессора для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат - декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Сжатый воздух из компрессора проходит осушительную батарею из баллонов, заполненных кусковым едким натром, поглощающим влагу и остатки углекислоты. Возможно полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубки кислородного аппарата сравнительно малого сечения и заставляют прекращать работу установки, останавливая её на оттаивание и продувку кислородного аппарата.
Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый кислородный аппарат, где происходит охлаждение и сжижение воздуха и его ректификация с разделением на кислород и азот. Нормальный кислородный аппарат включает две ректификационные колонны, испаритель, теплообменник, дроссельный вентиль. Сжатый воздух охлаждается в теплообменнике отходящими из аппарата кислородом и азотом, дополнительно охлаждается в змеевике испарителя, после чего проходит дроссельный вентиль, расширяясь и снижая давление. Вследствие эффекта Джоуля-Томсона температура воздуха при расширении резко падает и происходит его сжижение.
Жидкий воздух испаряется в процессе ректификации, процесс - испарения и отходящие газообразные продукты ректификации ■- азот и кислород - охлаждают новые порции сжатого воздуха, поступающего из компрессора, и т. д. Газообразный азот чистотой 96-98% обычно не используется и из теплообменника выпускается в атмосферу. Газообразный кислород чистотой 99,0-99,5% направляется в резиновый газгольдер, откуда засасывается кислородным компрессором и подаётся для наполнения кислородных баллонов под давлением 150 атм.
Установка работает непрерывно круглосуточно до замерзания аппарата или появления каких-либо неисправностей, требующих остановки для ремонта. По замерзании аппарата работа прекращается и начинается период отогрева аппарата тёплым воздухом, подаваемым компрессором. По окончании отогрева производятся продувка аппарата, необходимый текущий ремонт, и установка готова к новому пуску.
Полный производственный цикл установки называется «кампанией», нормальная продолжительность которой около 600 час., из них полезной работы с выдачей кислорода 550-560 час. В пусковой период, когда требуется интенсивное охлаждение аппарата и скорейшее создание запаса жидкого воздуха, компрессор подаёт воздух под давлением около 200 атм, когда же устанавливается нормальный ход процесса, расход холода уменьшается и рабочее давление компрессора снижается до 50-80 атм. Сказанное отно-
сится к получению из аппарата газообразного кислорода, который уносит с собой немного холода из аппарата, отдавая большую часть холода в испарителе и теплообменнике аппарата. В настоящее время часто значительная часть кислорода отбирается из аппарата в жидком виде. С жидким кислородом, имеющим температуру -183°, из аппарата уносится много холода, и для возможности нормальной работы установки необходимо усилить охлаждение системы. Это достигается двумя путями: 1) повышением рабочего давления воздушного компрессора; 2) совершением внешней работы при расширении воздуха.
При работе установки для получения жидкого кислорода рабочее давление воздушного компрессора поддерживается около 200 атм на протяжении всей кампании, вместо 50--80 атм, достаточных для производства газообразного кислорода. При производстве жидкого кислорода сжатый воздух из компрессора разделяется на два примерно одинаковых потока, один из которых направляется непосредственно в кислородный аппарат, как было описано выше, другой же предварительно поступает в специальную поршневую машину, так называемую расширительную машину или детандер. В детандере поступающий сжатый воздух расширяется, совершая внешнюю работу, и снижает давление с 200 до 6 атм. Расширение в детандере с совершением внешней работы охлаждает воздух значительно сильнее, чем расширение в дроссельном вентиле кислородного аппарата за счёт эффекта Джоуля-Томсона. Воздух охлаждается на выходе из детандера примерно до -120° и поступает в кислородный аппарат, смешиваясь с частью воздуха, поступающего в кислородный аппарат помимо детандера. Указанные изменения позволяют непрерывно отбирать жидкий кислород из аппарата без нарушения процесса производства.
1 м3 кислорода при 760 мм рт. ст. и 0° весит 1,43 кг, а при 20° - 1,31 кг.
1 л жидкого кислорода весит 1,13 кг и, испаряясь, образует 0,79 м3 газообразного кислорода при 0° и 760 мм рт. ст. 1 кг жидкого кислорода занимет объём 0,885 л и, испаряясь, образует 0,70 м3 газообразного кислорода при 0° и 760 мм рт. ст. Технические данные стандартных кислородных установок, изготовляемых в Советском Союзе, приведены в табл. 15.
Установки на 5 и 30 м3/час изготовляются не только стационарными, но и передвижными.
В последние годы в Советском Союзе академик П. Л. Капица разработал новый процесс производства кислорода из воздуха. От всех существующих этот способ отличается низким рабочим давлением сжатого воздуха, всего 6 атм. Сжатие воздуха производится турбокомпрессором, основным производителем холода служит турбодетандер, предварительное охлаждение воздуха производится в регенераторах. Установка даёт жидкий кислород.
По действующему в СССР стандарту технический кислород 1-го сорта для сварки и резки металлов должен иметь степень чистоты не ниже 99%.
|
Таблица 15 Технические данные кислородных установок, изготовляемых в СССР
|
Производство кислорода из воздуха ведётся непрерывно круглосуточно, в малых масштабах оно нерентабельно. Обычно лишь предприятия с большим потреблением кислорода, не менее 400- 500 ж3 в сутки, могут иметь собственные кислородные установки, основная же масса потребителей со средним и малым потреблением кислорода получает его со специальных кислородных заводов. Поэтому существенное значение приобретает транспорт и хранение кислорода, часто обходящиеся дороже его производства. Кислород обычно хранится и транспортируется в газообразном виде в стальных баллонах под давлением 150 атм.
Кислородный баллон (фиг. 119) представляет собой цилиндр со сферическим днищем и горловиной для крепления запорного вентиля. На нижнюю часть баллона насаживается башмак, позволяющий ставить баллон вертикально. На горловину насаживается кольцо с резьбой для навёртывания защитного колпака. Горловина имеет
внутреннюю коническую резьбу для ввёртывания вентиля. По ГОСТ баллоны изготовляются из стальных цельнотянутых труб углеродистой стали с пределом прочности не ниже 65 кг/мм2, пределом текучести не ниже 38 кг! мм2 и относительным удлинением не ниже 12%. Кислородные баллоны изготовляются для разных целей ёмкостью от 0,4 до 50 л. В технике применяются главным образом баллоны ёмкостью 40 л. Такой баллон имеет наружный диаметр 219 мм, длину корпуса 1390,лш, толщину стенки 8 мм; весит баллон без кислорода около 67 кг.
Баллоны из углеродистой стали для рабочего давление 150 атм имеют вес тары 1,6-1,7 кг/л ёмкости. В последнее время начато освоение баллонов из легированных сталей с пределом прочности 100-120 кг/мм2, что даёт возможность повысить рабочее давление баллонов и снизить их вес в 2-2,5 раза для той же ёмкости и рабочего давления. Чтобы избежать опасных ошибок при наполнении и использовании, баллоны для разных газов окрашиваются в различные цвета, кроме того, присоединительный штуцер запорного вентиля имеет различные размеры и устройство. Кислородные баллоны окрашиваются снаружи в голубой цвет и имеют надпись чёрными буквами кислород. Через каждые пять лет кислородный баллон подвергается обязательному испытанию в присутствии инспектора Котлонадзора, что отмечается клеймом, насекаемым на верхней сферической части баллона. Производится также гидравлическое испытание на полуторное рабочее давление, т. е. на 225 атм. Вентиль кислородного баллона изготовляется из латуни. Присоединительный штуцер вентиля имеет правую трубную резьбу Во время хранения вентиль защищается предохранительным колпаком, который навёртывается на наружное кольцо горловины баллона. Баллон, заполненный кислородом под давлением 150 атм, при нарушении правил обращения с ним может дать взрыв значительной разрушительной силы. Поэтому при обращении с кислородными баллонами необходимо строго соблюдать установленные правила безопасности. В особо ответственные или опасные цехи рекомендуется вообще не вносить кислородных баллонов, а располагать их вне цеха в отдельной пристройке, и подавать в цех по трубопроводу редуцированный кислород пониженного давления, обычно 10 атм.
Простейшая пристройка в форме железного шкафа у наружной стены цеха показана на фиг. 120. Обычно в цехе не должно находиться одновременно более 10 баллонов. В цехе баллоны должны прикрепляться хомутом или цепью к стене, колонне, стойке и т. п. для устранения возможности падения. На территории завода баллоны нужно переносить на носилках или лучше перевозить на специальных тележках; переносить баллоны на руках или на плечах запрещается. При перевозке баллонов на автомашинах или подводах необходимо обязательно применять деревянные подкладки, устраняющие перекатывание и соударения баллонов. Погрузка и выгрузка баллонов должны производиться осторожно, без толчков и ударов. Баллоны необходимо защищать от нагревания, например
от печей, вызывающего опасное повышение давления газа в баллонах. При работах летом на открытом воздухе в солнечную погоду следует прикрывать кислородные баллоны мокрым брезентом. Нельзя допускать загрязнения баллона, в особенности его вентиля, маслами и жирами, которые самовозгораются в кислороде, что может привести к взрыву баллона. Баллоны с кислородом должны храниться в специально отведенных отдельных складах.
Транспортирование газообразного кислорода в баллонах обходится дорого, иногда дороже стоимости самого кислорода.
Нормальный баллон ёмкостью 40 л, весящий около 67 кг, вмещает 4x150 = 6000 л = 6 м3 кислорода, весящего всего 6х 1,3=
7,8 кг, так что на вес полезно - го груза 7,8 кг приходится пере-
возить тару 67 кг, т е. вес тары ФнГ ш пристройка для кислород-
составляет почти 90%, а полез - ных баллонов,
ный груз-10%. Если учесть
ещё содержание, ремонт и амортизацию баллонов, то часто стоимость кислорода на месте у потребителя в два-гри раза превышает отпускную его стоимость на кислородном заводе. Поэтому значительный экономический интерес представляет доставка кислорода с кислородного завода потребителям в жидком виде, при котором вес тары составляет около 50% общего веса груза, и при том же весе перевозимого груза доставляется жидкого кислорода в пять раз больше, чем при перевозке его в газообразном виде.
Для возможности пользования жидким кислородом необходимы:
1) транспортный танк для перевозки жидкого кислорода, установленный на автомашине, обычно принадлежащий кислородному заводу; 2) газификатор, служащий для превращения жидкого кислорода в газообразный и устанавливаемый обычно у потребителя кислорода.
Транспортный танк для перевозки жидкого кислорода в основном представляет собой шар из листовой латуни, заключённый в стальной кожух; пространство между шаром и кожухом заполнено теплоизоляционным материалом - порошкообразной углекислой магнезией. Жидкий кислород заливается в танк через приёмно-спускной вентиль, заполняет латунный шар, а забирается из него через гибкий шланг, присоединённый к вентилю. Так как окружающая температура воздуха всегда выше его критической температуры, то жидкий кислород неизбежно испаряется, т. е. происходит непрерывная потеря кислорода в окружающую атмосферу вследствие испарения. При хорошем состоянии теплоизоляции танка
эта потеря может быть сведена до 0,3% в час. На случай повышения давления танк снабжён предохранительным клапаном.
Потребители жидкого кислорода должны иметь газификаторы. Кислородные газификаторы разделяются на стационарные и переносные, а также на: а) низкого давления или холодные, подающие кислород в распределительную трубопроводную сеть при давлении до 15 атм, и б) высокого давления или тёплые, дающие кислород, для наполнения баллонов под давлением 150-165 атм.
Наиболее распространён на наших заводах стандартный стационарный холодный газификатор ёмкостью 1000 л жидкого или 800 м3" газообразного кислорода. Газификатор устанавливается в отдельном помещении. Установка рассчитана на рабочее давление до 15 атм и состоит из газификатора, испарителя н реципиента. Газификатор" состоит из толстостенного стального шара, внутри которого помещается тонкостенный латунный шар для жидкого кислорода. Шар - газификатора находится в кожухе; пространство между кожухом и шаром заполняют магнезией, как в кислородных танках. Наполняется газификатор жидким кислородом из транспортного танка через вентиль и гибкий шланг. Из газификатора жидкий кислород поступает в змеевик испарителя и оттуда газообразный кислород направляется в сеть кислородных трубопроводов. Для выравнивания колебаний давления приключается рессивер ёмкостью - около 10 м3.
Процесс получения кислорода происходит следующим образом. Воздух, засасываемый компрессором, проходит через фильтр, заполненный кольцами Рашига, смоченными висциновым маслом, и очищенный от механических примесей и пыли поступает в первую ступень компрессора. Воздух после каждой ступени компрессора проходит промежуточные холодильники с маслоотделителями. В верхней части декарбонизатора находится сепаратор, в котором воздух освобождается от щелочного раствора, а затем направляется в щелочеуловитель, где выпадают капельки щелочи, уносимой воздухом из декарбонизатора. Далее воздух сжимается последовательно в третьей и четвертой ступенях компрессора.
Кислородный цех специализируется на выпуске технических газов: кислорода, аргона, жидкого азота, сжатого воздуха. Готовая продукция цеха поставляется в баллонах, специальных транспортных цистернах и автомобильных установках в соответствии с требованиями к перевозке опасных грузов.
Продукцией кислородного цеха обычно обеспечивают потребность того предприятия, в состав которого входит цех. Если же кислород отпускают другим потребителям и он является основной товарной продукцией, то в этом случае организуют самостоятельное предприятие, являющееся кислородным заводом.
Всякие простои и перерывы в процессе получения кислорода ведут к нарушению нормального режима работы кислородной установки, способствуют более быстрому замерзанию аппарата, вызывают дополнительные потери времени на восстановление режима и пр.
Основные характеристики установки
Тип воздухоразделительной установки- схема с частичным производством под давлением с криогенным насосом. Производительность составляет 1908 т/д, а производство жидкости составляет 47 т/д воздуха.
Энергоресурсы, подающиеся на установку: влажный воздух, охлаждающая и подпиточная воды, электричество, технический газообразный воздух (только для пуска) и продувочный газообразный азот.
Энергоресурсом, поступающим из установки, является технический газообразный воздух.Продуктами производства являются: газообразный кислород низкого давления, газообразный кислород высокого давления, жидкий кислород, газообразный азот среднего давления, газообразный азот низкого давления, жидкий азот, жидкий аргон, смесь He-Ne, смесь Kr-Xe и воздух КИП.
Общие данные
Воздух подается на границу проектирования от существующих воздушных компрессоров. Установка по производству кислорода содержит один блок разделения воздуха с блоком комплексной очистки воздуха и системой предварительного охлаждения. Схема процесса основана на принципе частичного внутреннего цикла сжатия. Процесс и технология соответствует самой передовой и образцовой международной практике.
Предложенная воздухоразделительная установка может быть в основном разделена на следующие технологические единицы:
1 концевой холодильник
1 технологическая воздушно/водяная башня с холодильной машиной 1/2/3), азотно/водяная башня и насосы воды
1 блок очистки воздуха с двойным слоем алюмината и молекулярных сит
1 воздушный бустер компрессор
1 электрический регенерационный
1 комплект холодных блоков для разделения N2/O2/Ar в основном включающих:
1 линию теплообменников;
1 турбодетандер с бустером и концевым холодильником;
1 конденсатор сырого аргона;
1 переохладитель жидкости;
1 He/Ne конденсатор;
1 конденсатор чистого аргона;
1 испаритель чистого аргона;
1 испаритель;
1 Kr/Xe испаритель;
2а насоса жидкого кислорода;
2а насоса жидкого кислорода;
1 насос жидкого кислорода;
1 насос сырого, жидкого аргона;
2а фильтра кислорода.
1 колонна среднего давления;
1 колонна низкого давления;
1 колонна чистого азота;
1 колонна смеси сырого аргона;
1 колонна чистого аргона;
1 колонна бедной смеси Kr/Xe;
1 колонна He/Ne.
В дополнение установка включает в себя следующее дополнительное оборудование:
КИП и Система Управления
нагреватель для отогрева;
Хранилища для жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона и станцию наполнения баллонов.
Когда говорят о «деньгах из воздуха» невольно приходят в голову мысли о каком-то не совсем честном виде бизнеса. Но это только если понимать это выражение в переносном смысле. А вот в прямом смысле – зарабатывать деньги, выделяя из воздуха самый важные его компонент – кислород – вполне респектабельный, а главное прибыльный бизнес.
Многие думают, что производства кислорода обслуживает только несколько специфических отраслей, типа металлургии и химической промышленности, но это не так.
Действительно, 8 из 10 литров промышленно производимого кислорода используются в этих целях, однако пятая его часть приходится на самые разные отрасли: кислород широко используется в медицине, в том числе в смежным с ней рекреационным направлением; при сварке или резке металлов; при водоподготовке (добавление кислорода в воду аналогично действию хлора, добавляемого в целях ее обеззараживания); при разведении рыбы в промышленных масштабах – то есть в неволе, в искусственных водоемах.
Кроме всего прочего, небольшие по глобальным меркам, но вполне достойные для занятия такой ниши начинающим предпринимателем количества кислорода используются в специфических операциях по производству специальных стекол и даже в общепите – в моду входят т.н. «кислородные коктейли» – весьма перспективное направление бизнеса, построенное и постоянно растущее вследствие пропаганды здорового образа жизни и маниакальной озабоченности многих людей несуществующими проблемами со здоровьем.
Разумеется, идеальным случаем открытия бизнеса по производству кислорода является его открытие с прицелом на моментальный и стопроцентный сбыт расположенному неподалеку металлургическому или химическому заводу.
Однако металлургические и химические заводы существуют не то что не во всех городах, но и далеко не во всех регионах нашей страны, поэтому на такое удачное соседство рассчитывать не приходится. Но это не должно вас смущать – все предприятия, владельцы которых когда-то решились вложить деньги в производство кислорода продолжают функционировать и по сей день, не уменьшая, а намного увеличивая объемы производства – сбыть кислород несложно, а сырье к нему – бесплатное, что и привлекает бизнесменов.
Кроме того, требования, предъявляемые как к продукции (а они обозначены в ГОСТ 5583-78, ТУ 2114-001-05798345-2007 или, если говорить об экспорте, в ISO 2046-73) весьма просты и не требуют сколько-нибудь больших вложений в дополнительное контрольное оборудование, тем более, что все современное оборудование для производства кислорода, о котором пойдет речь в статье, уже оборудовано контрольными приборами, а количество персонала, обслуживающего производство – минимально, даже если присчитать нерабочий персонал (бухгалтеры, менеджеры, уборщики и т.п.).
Технология и оборудование для производства кислорода
Для получения кислорода используются специальные аппараты, которые называют кислородными генераторами или кислородными концентраторами, что, в принципе, одно и то же (хотя второе наименование немного точней – кислород не производится ими, а лишь увеличивается его концентрация).
Но на существующем рынке кислородными концентраторами обычно называют маломощное оборудование, предназначенное для обслуживания медицинских учреждений и оборудованное дополнительными очистными фильтрами (впрочем, не всегда), кислородными же генераторами называются промышленные установки повышенной производительности, зачастую – с регулировкой содержания кислорода в получаемой газовой смеси – многим заказчикам не нужен кислород концентрацией 99%, для технических, например, целей, хватит и 90%, а в некоторых случаях – и того меньше. В этой статье речь пойдет, конечно, о промышленных кислородных генераторах.
Само собой разумеется, что стоимость кислородного генератора напрямую зависит от его производительности и чистоты выпускаемого кислорода (имеется в виду максимальная чистота). Производительность (мощность) измеряется в кубических метрах кислорода заданной концентрации на выходе за час (иногда в литрах в минуту; чтобы получить количество литров вырабатываемое в минуту кислородным генератором, если известна производительность в кубических метрах в час, нужно умножить это число на 162/3 и наоборот), чистота – в процентном соотношении или диапазоне процентных значений, тогда для получения фиксированной цифры берется средняя из указанных в спецификации и документам на оборудование.
Например, кислородный генератор китайского производства производительностью 10 куб. метров в час и чистотой кислорода 90-96% обойдется в 6000 долларов США (190 тыс. руб. в пересчете по текущему курсу), а производительностью 100 куб. метров в час той же чистоты кислорода, что и предыдущий – уже 900000 долларов США (28380 тыс. руб. в пересчете по текущему курсу).
Однако у такого оборудования есть и слабое место – оно не использует атмосферный воздух, ему потребуется сжатый воздух в баллонах (он называется синтетическим, так как очищен от пыли и водяных паров). С одной стороны, часть использованных баллонов из-под воздуха можно заполнять кислородом (а один 40-литровый баллон стоит более 4000 руб., новый – более 6000 руб.), с другой – тогда придется платить и за воздух (а он стоит 300-350 руб. за кубический метр), который можно очистить и сжать самостоятельно, вложив относительно небольшую сумму, и за аренду большей части баллонов (более 200 руб. за единицу).
Для этого необходимо лишь приобрести компрессор производительностью большей, чем потребность кислородного генератора. Большая, а не равная производительность нужна для запаса – в случае неисправности или технической остановки компрессора генератор не будет простаивать, а в обратном случае – компрессор просто накопит запас в ресивере.
Потребляемого кислородным генератором воздуха, разумеется, должно быть больше, чем выпускаемого им же кислорода. Например, кислородный генератор производительностью 10 куб. метров кислорода в час нуждается в 2,2 куб. метрах воздуха ежеминутно, т.е. за час уходит 132 куб. метра; в случае с генератором мощностью 100 куб. метров пропорции изменятся, соответственно, в 10 раз – 22 и 1320 куб. метров.
Качественный винтовой компрессор для первого варианта обойдется всего в 7-8 тыс.руб., для второго – в 52-53 тыс.руб.; осушитель с внутренним охладителем, сепаратором и воздушным фильтром 1250 и 7400 евро (53 тыс.руб. и 312 тыс.руб. в пересчете по текущему курсу) соответственно. В принципе, можно увидеть, что вложения не так велики, что бы экономить на таком важном в плане независимости от поставщиков оборудовании.
Если же не выходить на сколько-нибудь большой уровень, а равно и не вкладывать в бизнес большие деньги, можно обойтись и оборудованием, которое напрямую работает с атмосферным воздухом. Оно маломощно по сравнению с вышеперечисленным, зато кроме покупки и монтажа ничего и не требует.
Образчик такого кислородного генератора производительностью 10-60 литров в минуту (0,55-3,5 куб. метров в час) с чистотой 90%, обойдется соответственно в 600-10000 долларов США (20-315 тыс.руб.).
Неободимые помещение и персонал для производства кислорода
Производство кислорода в не требует особо оборудованного помещения – разве что местные пожарные и смежные службы могут потребовать усиленной пожарной защиты – например, большего, по сравнению с другими предприятиями количества брандмауэров, пожарных щитов, гидрантов и огнетушителей. В остальном же единственное условие для такого помещения – наличие подведенной электроэнергии требуемого оборудованием стандарта (220 или 380 V).
Относительно персонала можно сказать практически то же самое – с кислородным генератором справится и неквалифицированный работник, достаточно лишь правильно смонтировать и настроить его, что может быть сделано сторонней организацией.
Однако в цех потребуется и мастер-технолог (инженер с образованием 240301 «Химическая технология неорганических веществ», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий» или 240801 «Машины и аппараты химических производств» по ОКСО).
Рентабельность производства кислорода
Говорить о рентабельности производства кислорода достаточно трудно – все зависит от выбранной схемы работы (на «чужом», т.е. покупном или собственном сгущенном воздухе). Но порядок цифр назвать можно, если посчитать суммарные затраты на производство (фонд оплаты труда, электроэнергия, арендная плата, если есть) и суммарную (валовую) прибыль.
Чтобы не вдаваться в долгие подсчеты, можно сказать, что производство кислорода по первому варианту оборудования (свой сжатый воздух) приносит 100-120% дохода, по второму – около 150%.
Описание способов получения и производства промышленных газов (азот, аргон, водород, гелий, кислород, пропан, углекислота).
Получение и производство промышленных газов.
В настоящее время основным способом получения атмосферных промышленных газов – кислорода, азота, аргона является разделение воздуха. Различают три способа разделения воздуха — криогенный, адсорбционный и мембранный.
Криогенное разделение воздуха
Атмосферный осушенный воздух представляет собой смесь, содержащую по объему кислород 21 % и азот 78 %, аргон 0,9% и другие инертные газы, углекислый газ, водяной пар и пр. Для получения технически чистых атмосферных газов воздух подвергают глубокому охлаждению и сжижают (температура кипения жидкого воздуха при атмосферном давлении -194,5° С.)
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.
Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый детандер, где происходит резкое расширение и соответственно его охлаждение и сжижение. Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. При постепенном испарении жидкого 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°) температур кипения жидких азота (-196° С) и кислорода (-183° С). Несколько сложнее отделить аргон от кислорода (-185° С). Далее разделенные газы отводятся для накопления в специальные криогенные емкости, из которых поступают для собственного использования либо на продажу.
Криогенный способ разделения воздуха позволяет получить газы самого высокого качества – кислород до 99.9%, аргон и азот до 99, 9995%. Производительность может составлять до 70000 м.куб./час.
Метод короткоцикловой адсорбции (КЦА).
Криогенное разделение воздуха при всех его качественных параметрах является довольно дорогостоящим способом получения промышленных газов. Адсорбционный метод разделения воздуха, основанный на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами, является некриогенным способом, и широкое применение получил 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 помощи КЦА прост, но эффективен. Воздух подается в адсорбер — углеродные молекулярные сита при повышенном давлении и температуре внешней среды. В ходе процесса кислород (О 2) поглощается адсорбентом, в то время как азот (N 2) 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. Небольшая длительность циклов адсорбции и регенерации, обычно в пределах нескольких минут, и дала собственно название процесса — «короткоцикловая адсорбция». Чистота азота по этой технологии 99,999%.
В установках для производства кислорода
используется известный факт, что азот адсорбируетсяалюмосиликатными
молекулярными ситами существенно быстрее, чем кислород. Для отделения азота от кислорода воздух сначала сжимают, а затем пропускают через адсорбер, получая на выходе относительно чистый кислород. Чистота кислорода как продукта, получаемого по этой технологии, составляет до 95 %. Основной загрязняющей его примесью является главным образом аргон. Регенерацию адсорбента проводят при атмосферном давлении или вакууме.
Установки короткоцикловой адсорбции обычно полностью собираются и испытываются на заводе-изготовителе, т.е. поступают к потребителю в состоянии полной заводской готовности, что обеспечивает быстрый монтаж, и имеют диапазон производительности от 10 до 6000 нм 3/ч.
Мембранная технология
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 распространения благодаря своей высокой экономической эффективности. В случаях, когда не требуется очень чистый газ, в основном азот, при сравнительно больших объемах потребления, эта технология практически полностью вытеснила альтернативные способы получения газов — криогенный и адсорбционный. При производстве азота чистоте до 99.9% и производительностью до 5000 нм³/ч мембранные установки оказываются существенно выгоднее остальных. 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 имеют разную 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 N 2 . Наиболее эффективно по затратам получать азот с содержанием основного вещества 93-99,5%.
Ниже приведены графики по выбору применения тех или иных видов получения промышленных газов в зависимости от объемов потребления и необходимой чистоты.
Получение гелия
Гелий — прозрачный газ, без вкуса и запаха, следующий по величине атомного веса после водорода элемент. Он абсолютно инертен, т. е. не вступает ни в какие реакции. Из всех веществ гелий имеет самую низкую температуру кипения -269°С. Жидкий гелий — самая холодная жидкость. «Замерзает» гелий при — 272° С. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля. В промышленных масштабах гелий можно получать двумя способами – либо из недр земли, либо разделением воздуха. Это газ на Земле встречается мало: 1 м 3 воздуха содержит всего 5,2 см 3 гелия, т.е. всего 0,00052%., а каждый килограмм земного материала — 0,003 мг гелия. По распространенности же во Вселенной гелий занимает второе место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы.
На Земле гелий постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефти; такие месторождения достигают промышленного масштабов. Максимальные концентрации гелия (10-13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше гелия в составе природных газов.
Добыча гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объему); рядовые (0,10-0,50) и бедные (<0,10). Месторождения таких газов имеются в России, США, Канаде, Китае, Алжире, Польше и Катаре.
Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%. Крупнейший производитель гелия в Европе – Оренбургский гелиевый завод (10 млн литров жидкого гелий в год).
При получении гелия путем разделения воздуха крупные воздухоразделительные установки (1000 – 3000 т кислорода в день) оборудуют специальными концентраторами и аппаратами колонного типа, которые выделяют и накапливают смеси криптона и ксенона в кислороде, неона и гелия в азоте. Неочищенные смеси затем перерабатываются для получения чистого продукта. Чистота гелия может доходить до 99,9999%. Одним из крупнейших производителей гелия из воздуха является компания «Айсблик».
Получение углекислого газа
Различают следующие промышленные способы получения углекислого газа:
— путем рекуперации двуокиси углерода из газов брожения
на спиртовых и пивоваренных заводах;
— путем рекуперации двуокиси углерода из отбросных газов
различных производственных процессов;
— путем добычи из подземных естественных источников;
из дымовых газов
и продуктов сгорания;
— путем производства двуокиси углерода методом прямого сжигания
газообразного или жидкого топлива.
Соответственно, в зависимости от концентрации углекислого газа источники его условно можно разделить на три группы.
Первую группу составляют источники сырья, из которых можно производить чистый диоксид углерода без специального оборудования для повышения его концентрации. В эту группу входят:
а) газы химических и нефтехимических производств (производства аммиака, водорода и др. продуктов) с содержанием 98-99 % СО 2 ; б) газы спиртового брожения на пивоваренных, спиртовых и гидролизных заводах с 98-99 % СО 2 ; в) газы из естественных источников с 92-99 % СО 2 .
Вторую группу формируют источники сырья, использование которых обеспечивает получение чистого диоксида углерода методом фракционной конденсации.
К этой группе относят газы некоторых химических производств с содержанием 80-95 % СО 2 .
Установки рекуперации CO 2 предназначены для извлечения углекислоты из газов первой и второй группы. Газы, получаемые в процессах брожения при производстве спирта или пива, представляют собой практически чистый углекислый газ, содержащий водяные пары и следы органических соединений (сернистый ангидрид, сероводород, сивушные масла и альдегиды), легко отмываемые водой. Содержание двуокиси углерода в т.н. экспанзерных газах зависит от типа технологических процессов химических производств и может составлять до 99,9 %. Остальной объем занимают пары воды и низкокипящие примеси, преимущественно водород. Для доведения двуокиси углерода до пищевого качества (99,995 % СО 2 и 0,0005% О 2) эти установки оснащаются системой ректификационной (дистилляционной) очистки.
В третью группу включены источники сырья, использование которых даёт возможность производить чистый диоксид углерода только с помощью специального оборудования. В эту группу входят источники:
а) состоящие в основном из азота и диоксида углерода (продукты сгорания углеродсодержащих веществ, например, природного газа, жидкого топлива, кокса в котельных, газо-поршневых и газотурбинных установках с содержанием 8-20 % СО 2 ; от-
ходящие газы известковых и цементных заводов с 30-40 % СО 2 ; колошниковые газы доменных печей с 21-23 % СО 2);
б) состоящие в основном из метана и диоксида углерода и содержащие значительные примеси других газов (биогаз и свалочный газ из биореакторов с 30-45 % СО2; сопутствующие газы при добыче природного газа и нефти с содержанием 20-40 % СО 2).
При использовании источников сырья третьей группы чаще всего применяются углекислотные станции абсорбционно-десорбционного типа с жидкими химическими абсорбентами. Это - один из основных промышленных способов получения чистого СО 2 . Наиболее распространенным сырьем для производства двуокиси углерода являются дымовые газы, а природный газ считается оптимальным источником сырья. При сжигании природного газа в дыме отсутствуют соединения серы и механические примеси.
Типичная схема получения СО 2 выглядит так: обогащенный СО 2 пар поступает в скрубберы, где оделяются механические примеси и тяжелые углеводороды. Газ сжимается и прогоняется через очиститель, в котором удаляются влага и нежелательные газы.
Произведенная двуокись углерода может накапливаться в резервуарах длительного хранения, подаваться на станцию зарядки баллонов и огнетушителей, транспортные цистерны, установки для производства «сухого» льда, непосредственно на производственные газирующие линии.
Получение водорода
Существует две основные схемы получения водорода.
Электролизные заводы . Для небольших потребителей водорода предлагаются электролизеры производительностью от 0,5 до 1000 м.куб./час. Чистота 99,9% и выше может удовлетворить требованиям предприятий пищевой, химической отраслей, электроники. Производство технического водорода путем электролиза включает в себя следующие основные последовательно реализуемые стадии: электролитическое разложение воды на водород и кислород 2Н2О→2Н2+О2; каталитическая очистка полученного водорода от кислорода; его сжатие в поршневых компрессорах; адсорбционная осушка; заполнение в баллоны или контейнеры.
Паровой реформинг . Используя источник углеводородов и процесс реформинга, можно произвести водород в малых, средних, больших объемах и того качества, которое нужно потребителю. Обычно предлагаются установки от 100 до 5000 м.куб./час, нефтеперерабатывающие заводы используют установки производительность более 20000 м.куб./час.Процесс выглядит так: у глеводороды (метанол, пропан, природный газ, нефть), используемые в качестве топлива, смешиваются в процессным паром, нагреваются до 480 град.С и разделяются в реакторе, используя основанный на никеле катализатор, по простой формуле СН 4 +Н 2 О+230 кДж=СО+3Н 2
Водородная адсорбционная установка интегрируется в существующую систему контроля и полностью автоматизируется.
Получение ацетилена
Ацетилен впервые был получен в 1836 году Эдмондом Дэви путем обработки водой карбида калия К 2 С 2 и был назван так химиком Бертло в 1860 г.
Промышленное получение ацетилена началось с момента массового производства карбида кальция. В свою очередь карбид кальция получают путем спекания известняка и кокса (угля) СаО+3С=СаС 2 +СО. В Украине сколько-нибудь значительного производства карбида кальция нет.
При обработке карбида кальция водой и образуется ацетилен:
СаС 2 +2Н 2 О=С 2 Н 2 +Са(ОН) 2
Большая часть ацетилена, производимого в Украине, получается из карбида кальция . Для этого используются специальные промышленные генераторы, в которых ацетилен проходит очистку от примесей серы, аммиака и фосфора, от влаги, и далее компрессорами закачивается в баллоны.
Для бытового использования применяются небольшие переносные генераторы, но ацетилен, получаемый в них, обычно влажный и с примесями. Кроме того, невозможно остановить процесс образования ацетилена, что может быть неудобно для небольших работ. В морозы также проблематично использование малых генераторов из-за опасности замерзания воды.
Второй способ получения ацетилена – окислительный пиролиз метана и других углеводородов по формуле 2СН 4 →С 2 Н 2 +3Н 2 , осуществляемый при повышенной температуре 1200-1500 град. с последующим быстрым охлаждением. Ацетилен здесь является промежуточным продуктом при дальнейшем производстве продуктов органического синтеза. Способ пиролиза экономически невыгоден только для получения ацетилена, поэтому применяется на заводах, производящих его дальнейшую переработку в синтетический каучук, винилацетат, винилхлорид, этилен, бутадиен, стирол и другие продукты. В Украине это «Северодонецкий Азот».
Получение пропана.
Под пропаном обычно понимают сжиженную смесь углеводородов, куда входят следующие газы:
Этан – С 2 Н 6
— газ, по плотности близкий к воздуху. Входит в состав сжиженных газов в незначительном количестве. Самая главная причина ограничения его содержания в том, что при температуре 45°С этан не может находится в сжиженном состоянии. При 30 °С упругость его паров достигает 4,8 МПа, тогда как рабочее давления надземных систем газоснабжения сжиженным газом составляет 1,6 МПа, а подземных – 1,0МПа. В то же время незначительное количество этана в пропан-бутановой смеси повышает общее давление насыщенных паров газовой смеси, что обеспечивает в зимнее время избыточное давление, необходимое для нормального газоснабжения.
Пропан – С 3 Н 8
— тяжелый газ (плотность по воздуху 1,52). Технический пропан является основной составляющей сжиженных газов, его процентное соотношение в зимней смеси должно быть не менее 75%. Температура кипения – 42,1°С.
Бутан – С 4 Н 10
— тяжелый газ (плотность по воздуху 2,06). Температура кипения –0,5°С.
Пентан – С 5 Н 12
— тяжелый газ (плотность по воздуху 2,49). Температура кипения +36°С. Содержание в смеси 1-2% от обьема.
Сжиженный газ получают обычно двумя способами – при переработке природного газа на газоперерабатывающих заводах ГПЗ и на нефтеперерабатывающих заводах НПЗ, что определяет доступную цену для потребителя.
Технологическая цепочка производства сжиженных газов начинается с добычи «сырой» нефти или «влажного» природного газа и заканчивается хранением жидких пропана и бутана, полностью свободных от легких газов, тяжелой нефти и очищенных от следов сернистых соединений и воды.
На газовых месторождениях
добыча богатого метаном природного газа нередко сопровождается выходом небольших количеств смеси тяжелых углеводородов: от этана и основных компонентов сжиженного газа до соединений компонентов дистиллята («естественного бензина»). Если они присутствуют в значительных количествах, то сжиженные газы и дистиллят удаляют из природного газа во избежание технологических осложнений от конденсата при компримировании газа перед подачей его в трубопровод, а также для получения необходимых химических веществ или дополнительного топлива. Полученная смесь сжиженных газов и дистиллята имеет невысокое качество, но тем не менее имеет спрос в силу невысокой цены.
При добыче нефти непосредственно на месте добычи «сырая» нефть стабилизируется для подготовки ее к дальнейшей транспортировке по трубопроводам или в танкерах к месту потребления. Степень стабилизации, эффективность которой зависит от условий на головке скважины (температура и давление), в свою очередь, определяет количество удаляемых легких газов. Эти газы иногда сжигаются, но в настоящее время все чаще используются как дополнительная продукция, и называется «попутным природным газом». Количество сжиженных газов, остающихся в «сырой» нефти, зависит от степени стабилизации на месте ее добычи. Некоторые сорта нефти перед транспортировкой иногда могут быть специально дополнены сжиженным газом. Содержащиеся в нефти, поступившей на нефтеочистительное предприятие, сжиженные газы улавливают в процессе дистилляции. Их выход колеблется от 2 до 3 % от объема перерабатываемой нефти. Полученные при фракционной разгонке сжиженные газы подвергаются последующей конверсии, которая осуществляется, прежде всего, для увеличения выхода и повышения качества бензина, но также она отделяет примеси из самого сжиженного газа.
Таким образом, предпочтительнее использовать сжиженный газ, полученный в процессе переработки нефти, так как он имеет более стабильный состав, в нем отсутствуют влага, примеси азота, углекислого газа, которые обычно имеются в сжиженном газе, получаемом на газовых месторождениях.
Кислород представляет собой газ, который составляет не только значительную часть атмосферного воздуха, земной коры и питьевой воды, но и более чем 65% массы тела человека, тем самым представляя собой важнейший химический элемент в организме человека. В настоящий момент кислород является одним из наиболее широко используемых веществ благодаря своим химическим и физическим свойствам, нашедший применение практически во всех областях жизнедеятельности человека.
Для промышленного использования производство технического кислорода выполняется 2 методами:
- Разделением воздуха – мембранный, криогенный и адсорбционный методы;
- Из воды – методом электролиза.
Оборудование для производства кислорода представляет собой специальное устройство, предназначенное для производства кислорода методом отделения его от других компонентов воздуха. Осуществляется данная процедура различными методами, и в частности:
- физическая адсорбция, короткоцикловая КЦА;
- вакуумная, короткоцикловая ВКЦА;
- криогенное и мембранное разделение.
Сегодня кислородные установки пользуются самым широким применением во множестве технологических процессов, практически во всех существующих отраслях современной промышленности, а также в медицине и в агросельскохозяйственном комплексе. Наиболее полезными в медицине и промышленности считаются его окислительные свойства, а также его способность поддерживать процесс горения в течение долгого времени. Тут следует вспомнить результаты исследований палеонтологов, которые обнаружили, что во времена Каменноугольного периода (Карбон) воздух содержал не 21% кислорода, а 81%!
Воздух мог взорваться на ровном месте, а от удара молнии выгорали площади, равные территории современной Канады! Наибольшим спросом кислородные установки пользуются в процессах металлообработки, и в частности – резки, сварки и пайки металла. В химической, нефтехимической и нефтегазовой отрасли кислород в больших объемах применяется в качестве окислителя необходимого для выполнения химических реакций.
Адсорбционная технология
Адсорбционная технология предусматривает, что в кислородных установках применяется явление селективной гетерогенной адсорбции кислорода из воздуха посредством твердого адсорбента. Данные кислородные установки характеризуются высоким уровнем надежности, простотой в устройстве и эксплуатации, а также высокими технико-экономическими показателями.
Влияние температуры и давления
В наши дни методы получения газообразного кислорода из воздуха посредством технологии адсорбции, доведены практически до совершенства. Функционирование инновационных кислородных установок основано на том, что адсорбентом газа напрямую зависит от уровня температуры и парциального давления компонента газа, тем самым предоставляя возможность, за счет изменения уровня температуры и давления, регулировать процессы поглощения газа и регенерацию адсорбента.
Технология короткоцикловой адсорбции КЦА
Оборудование для производства кислорода функционирует таким образом, что достаточно легко адсорбируемые составляющие газовой смеси поглощаются адсорбентом, в то время как их неадсорбируемые или слабо адсорбируемые аналоги проходят через специальную установку.
На сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются 3 метода организации безнагревного циклического процесса адсорбционного разделения воздуха:
- Вакуумные;
- Напорные;
- Смешанные.
Напорный метод получения кислорода предусматривает, что извлечение кислорода из воздуха будет осуществляться под давлением уровнем выше атмосферного, а непосредственно стадия регенерации адсорбента будет проходить при атмосферном давлении.
Вакуумный метод получения кислорода предусматривает, что извлечение кислорода будет осуществляться при атмосферном давлении, а регенерация адсорбента при отрицательном.
Смешанный метод получения кислорода предусматривает извлечение кислорода путем сочетания изменения уровня давления от положительного до отрицательного уровня.
Мембранная технология
Метод разделения газовых сред посредством мембранных кислородных установок заключается в разнице в скоростях проникновения различных компонентов газовой смеси через наполнитель мембраны. Процедура разделения определяется разницей в парциальных давлениях различных сторон мембраны.
Принцип работы мембранного картриджа
Инновационные газоразделительные мембраны, в отличие от старых аналогов, представляют собой уже не плоскую пластинку или пленку, а полое волокно. Для мембранного метода разделения газов применяют поволоконные мембраны, состоящие из пористого полимерного волокна с нанесением на внешнюю поверхность газоразделительного слоя. Визуально поволоконная мембрана изготавливается в виде картриджа цилиндрической формы, представляющего собой катушку, обмотанную специальным образом полимерным волокном. Само пористое волокно обладает сложной ассиметричной структурой и более высокой плотностью по мере сокращения расстояния до внешней поверхности волокна.
Использование пористых подложек с ассиметричной структурой обеспечивает разделения газов при высоком уровне давления, вплоть до 6,5МПа, с учетом того, что толщина газоразделительного слоя мембраны не превышает 0,1мкм, и тем самым обеспечивает высокий уровень проницаемости газов через полимерную мембрану. Существующий в современных реалиях уровень развития технологий обеспечивает изготовление полимерных материалов, обладающих высоким уровнем селективности во время осуществления разделения различных газов, тем самым обеспечивая высокий уровень чистоты газообразных продуктов.
Оборудование для производства кислорода включает в себя:
- Специальный инновационный мембранный модуль;
- Корпус каркасного типа;
- Сменный мембранный картридж.
Следует отметить, что плотность укладки волокон в картридже составляет от 500 до 700м 2 полимерного волокна на 1м 3 картриджа, тем самым обеспечивая максимальную минимизацию габаритов инновационных кислородных установок.
Кислородная и вакуумная технологии
Высокий уровень проницаемости вещества мембраны по кислороду, значительно превосходящий уровень азота, требует специального конструкторского решения относительно проектирования мембранных кислородных комплексов. На сегодняшний день существуют 2 принципиально различных технологии производства кислорода посредством мембран:
- Компрессорная;
- Вакуумная.
Компрессорный метод предусматривает подачу воздуха под избыточным давлением в волоконное пространство с выходом кислорода из мембраны под небольшим уровнем избыточного давления, которое в случае необходимости может дожиматься специальным компрессором до необходимого уровня.
Вакуумный метод предусматривает, что для создания разности парциальных давлений в кислородной установке будет использоваться специальный вакуумный насос.
Преимущества мембранных и адсорбционных промышленных кислородных установок:
- Возможность полной автоматизации оборудования;
- Быстрый запуск и остановка оборудования;
- Исключение необходимости контроля оператором за функционированием оборудования;
- Высокий уровень чистоты получаемого кислорода;
- Небольшие размеры и масса оборудования;
- Увеличенный рабочий ресурс оборудования;
- Отсутствие специальных технических требований к помещению, предназначенному для установки оборудования.
Недостатки мембранных и адсорбционных промышленных кислородных установок:
- Ограниченный уровень производительности оборудования;
- Сравнительно небольшой уровень чистоты получаемого кислорода, составляющий не более 50% для мембранных установок и 95% – для вакуумных установок.
Криогенная технология. Принцип разделения воздушных газов
В основе криогенной технологии разделения воздуха изначально заложена методика ректификации, происходящей при низких температурах.
В чем суть этой методики? Все компоненты воздуха (а их более тысячи) имеют совершенно различную температуру кипения. По составу они также сильно различаются, а временами бывают и противоположны, что не может не сказаться на равновесии жидких и паровых смесей. Таким образом, в процессе разделения воздуха посредством криогенных температур между находящимися в контакте компонентами (состоящими из газов воздуха), паровой и жидкой фазой осуществляется тепло– и массообмен. В результате этих процессов паровая фаза насыщается низкокипящим компонентом, имеющим более низкую температуру, а жидкая фаза – высококипящим компонентом. Вследствие чего поднимающийся по ректификационной колонке вверх пар, насыщается азотом, представляющим собой низкокипящий компонент, а стекающая по колонке вниз жидкость – кислородом.
Преимущества
На данный момент криогенный метод является самым эффективным в плане высокого коэффициента извлечения кислорода и обеспечения самого высокого уровня чистоты продуктов разделения. Необходимо учесть и то, что криогенный метод обеспечивает получение сразу нескольких продуктов разделения, как в газообразном, так и в жидком состоянии.
Недостатки
Основным недостатком криогенных кислородных установок является более длительный пусковой период, в отличие от вакуумных и мембранных аналогов. Это делает данное оборудование для производства кислорода рентабельным быстро окупаемым… в огромных, мощных концернах с постоянными инвесторами и крупным пакетом акций. Более мелким производствам такие установки принесут убыток и разорение.
