Различные газы, входящие в состав атмосферного воздуха, можно преобразовать в жидкое и даже твердое состояние, если соответственно повысить давление и понизить температуру. Люди нашли для воздуха многочисленные и разнообразные применения. Масштабы применения газовых компонентов атмосферного воздуха в науке и технике, промышленности и быту во много раз расширились после того, как был разработан способ разделения воздушной смеси на отдельные компоненты. Этот способ состоит в том, что воздух сначала преобразуется в жидкое состояние, а затем подвергается дистилляции или ректификации (фракционированию) точно так же, как нефть−сырец разделяется на различные нефтепродукты. Для промышленного применения ректификационного разделения воздуха важны два обстоятельства. Во−первых, газы, входящие в состав воздуха, образуют физическую смесь, а не химическое соединение, и, во −вторых, точки кипения разных компонентов воздуха существенно различаются. Технические средства, созданные с учетом того и другого, обеспечивают практически полное разделение основных компонентов воздуха, причем с высокой степенью чистоты каждого компонента.

Процесс разделения воздуха протекает в три этапа:

− подготовка, или очистка, воздуха;

− преобразование очищенного воздуха в жидкую фазу (ожижение);

− ректификационное разделение жидкой смеси на отдельные газы.

Перед разделением (ректификацией) воздух осушается, очищается и отделяется от углекислого газа в секции очистки. (Порядок следования показан сплошной линией со стрелками.) В следующей секции осуществляется его ожижение. В газообразном виде воздух проходит через теплообменники, где дополнительно очищается от углекислого газа и паров воды. Одновременно остальные составляющие газы охлаждаются и ожижаются. Газы с самыми низкими температурами кипения дополнительно охлаждаются, расширяясь и отдавая свою энергию в детандере. В третьей секции воздух подвергается ректификации в колоннах, в результате чего большинство газов отделяется и замораживается. Дальнейшая обработка может состоять в разделении газов с близкими температурами кипения и очистке кислорода.

Рисунок 6.1 - Схема воздухоразделительной установки

Прежде чем воздух поступит на вход ожижительной и ректификационной секций воздухоразделительной установки, из него удаляются все примеси, которые либо взвешены в атмосферном воздухе в виде твердых частиц, либо легко могут превратиться в твердые при понижении температуры. В противном случае неизбежна быстрая закупорка узких каналов оборудования. К таким посторонним примесям относятся водяной пар, пыль, дым и пары других веществ, а также углекислый газ. Основная часть этих примесей задерживается масло− и влагоуловителями, как правило, после компрессорного сжатия. Осушка воздуха после сжатия более предпочтительна, так как в этом случае меньше воды приходится удалять в виде пара, поскольку при сжатии он большей частью превращается в жидкость. Дальнейшая сушка воздуха производится пропусканием его через адсорберы с активированным оксидом алюминия или силикагелем (частично дегидратированным диоксидом кремния). Углекислый газ можно удалять химическим путем за счет реакции с гидроксидом калия или натрия. Однако эти химикаты быстро расходуются и требуют частого пополнения. На крупных воздухоразделительных установках используются теплообменные аппараты, в которых удаляются одновременно углекислый газ и водяной пар, а также охлаждается воздух, поступающий на вход системы. Легкозамораживаемые газы оседают в твердом виде на металлических поверхностях теплообменников, которые поддерживаются при очень низких температурах потоком отделенных газов, проходящим по их внутренним каналам. Систему периодически очищают от накопившихся примесей, обращая поток газов в теплообменнике.

Очищенный воздух поступает в секцию ожижения и охлаждается в системе механической рефрижерации, пока основная его часть не превратится в жидкость. В зависимости от давления, до которого воздух был сжат первоначально, его температура здесь снижается до примерно 100 К. Давления цикла находятся в пределах от 0,6 до 20 МПа. При охлаждении используется холод отделенных ранее газов, поступающих из ректификационной секции. В оптимально сконструированном теплообменнике холод отделенных газов практически полностью передается входящему воздуху. На некоторых установках, в частности таких, где часть отделенных газов отбирается в жидком виде, для предварительного охлаждения до примерно −40° С (230 К) предусматриваются теплообменники с фреоном или метилхлоридом. При более низких температурах, необходимых для ожижения воздуха, охлаждающей средой служит либо входящий воздух, либо отделенный азот. Этот газ, сжатый до определенного давления, приводит в движение расширительную машину, или детандер (обращенный компрессор). Расширяясь, газ перемещает поршень, который через коленчатый вал приводит во вращение электрогенератор, выполняющий функцию "тормоза". Поскольку газ при расширении в детандере совершает работу, его теплосодержание и температура понижаются. При первом пуске установки необходимо сначала охладить ее до рабочей температуры, а для этого требуется больше холода, чем в установившемся рабочем режиме (захолаживание установки). Охлаждение можно также осуществлять за счет расширения сжатых газов в газообразной или жидкой фазе при истечении через дроссельный клапан. В этом случае понижение температуры обусловлено эффектом Джоуля − Томсона (дроссель−эффектом). Указанные методы охлаждения основаны на разных термодинамических эффектах, и если ввести их в цикл в правильной последовательности, то можно использовать преимущества каждого из них

Еще статьи по теме

Переработка отходов полимеров
Двадцатый век - век научно-технического прогресса. В тот период объем производства вырос более чем в сто раз благодаря значительному расширению научных открытий и внедрения их в новейшие технологии. Весомый вклад в новые технологии внесли ...

Стратегия устойчивого развития
Современное состояние общества характеризуется многими кризисными явлениями, связанными, прежде всего, с технизацией всех сфер человеческой деятельности. Важными следствиями этих явлений является возникновение противоречий в отношениях чел ...