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.

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 установкой 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^[1]. Линде впервые создал аммиачную холодильную машину, которую в последующем включил в цикл разделения воздуха (в 1902 году). В процессе Линде, который до сих пор является основой всего современного производства сжиженных газов, сжижаемый воздух охлаждается и сжимается, а затем подвергается расширению, при котором он охлаждается еще больше. Чтобы охлаждать поток входящего сжатого воздуха, используется уже охлажденный воздух. Именно процесс Линде положил начало производству сжиженных газов в промышленных масштабах^[2][3]. В 1902 году французский инженер Жорж Клод усовершенствовал процесс сжижения и разделения воздуха, применив детандер, что позволило значительно повысить эффективность производства^[4][3][5].

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^[6][5].

Основным продуктом воздухоразделения является кислород, который широко используют в металлургии, медицине, в пищевой промышленности и в ракетных двигателях как топливный окислитель^[7].

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 находиться: 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.

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.

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

подразделяются^[8]:

• 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:^[8]

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.

• Криогеника

• 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.

• История Института кислородного машиностроения

У этой статьи есть несколько проблем, помогите их исправить: В статье есть список источников, но не хватает сносок. Без сносок сложно определить, из какого источника взято каждое отдельное утверждение. Вы можете улучшить статью, проставив сноски на источники, подтверждающие информацию. Сведения без сносок могут быть удалены. (27 ноября 2011) Достоверность этой статьи поставлена под сомнение. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. (27 ноября 2011) Эту статью необходимо исправить в соответствии с правилами Википедии об оформлении статей. Пожалуйста, помогите улучшить эту статью. (27 ноября 2011) Пожалуйста, после исправления проблемы исключите её из списка параметров. После устранения всех недостатков этот шаблон может быть удалён любым участником.