Основные правила ТБ при работе с кислородом

Схема кислородной станции

Схема установки 2х кратной ректификации

Технические процессы ожжижения газов.

Процесс Линде.

Воздух при Т_о и Р_о (точка 1)-сжимается в компрессоре до Р₂ = 10-20 МПа и охлаждается в холодильнике до первоначальной температуры (точка 2).

В момент пуска установки сжатый воздух, поступая в дроссельный вентиль, дросселируется до Р_о, а температура его снижается до Т₄ (точки 2-4). Весь охлаждающий воздух направляется в теплообменник, в котором нагревается, охлаждая следующую порцию воздуха до температуры Т₃ и приблизительно Т₄, но немного ее превышающей. Следующая порция воздуха охлаждается до температуры Т₃ и т.д. В некоторый момент времени воздух охладится до температуры Т₃ и после дросселирования превратится во влажный пар с параметрами точки 4. В отделителе жидкости насыщенный пар отделяется от жидкого воздуха, состояние которого соответствует точке 5. Этот воздух может быть отведен из системы как продукт. Пары в состоянии точки 6 направляются в ТО, где охлаждается воздух высокого давления, а сами нагреваются до Т₇, причем, в идеале Т₇=Т_о.

В установившемся состоянии существует некоторое предельное количество воздуха, которое можно отвести от системы как продукт.

Это объясняется тем, что с увеличением доли отводимого жидкого воздуха уменьшается обратный поток в ТО и тем самым уменьшается степень охлаждения воздуха, проступающего на дросселирование.

Показатели процесса Линда с Р₂=20 МПа, DT_1-7=5^оС. Количество переработанного воздуха: 12,6 кг/кг; удельный расход энергии: теоретически 2,3 кВт час/кг, практически из-за потерь в теплообменниках 3,5-4 кВт час/кг, приблизительно 12-14 МДж/кг.

Процесс Линда используется, когда расход энергии не важен, а решающими факторами являются простота и надежность работы установки. На практике используется чаще другие процессы, включающие в себя элементы процесса Линда.

Процесс Клода.

В процессе Клода предусматривается использование одновременно с дросселированием другого метода охлаждения- адиабатного расширения с отдачей внешней работы, осуществляемого в детандерах. Сжатый воздух после компрессора и холодильника в состоянии, характеризующей точкой 2, поступает в предварительный теплообменник 1, в котором охлаждается до Т₇ и разделяется на 2 потока. Один из них проходит через ТО 11 (основной), ТО- ожижитель III и после охлаждения до Т₃ дросселируется до атмосферного давления. Полученная после дросселирования жидкость в состоянии, характеризующее Т₅, выводится как продукт, а пар в состоянии Т₆ поступает в ожижитель III и далее в ТО II и I, проходя через эти аппараты расширения воздух, нагревается до Т₁₁, охлаждая при этом движущийся на встречу сжатый воздух. Другой поток воздуха поступает после ТО I в детандер IV, в котором расширяется до атмосферного давления, совершая некоторое количество работы. Охлажденный до Т₈ в детандере воздух присоединяется к обратному потоку в Т₈, где температура расширения воздуха такая же. Для каждого значения Р₂ существует оптимальное значение температуры ввода и доли воздуха, вводимого в детандер.

При Р=10 МПа в детандер следует отводить 73% воздуха, при t= 30 ^оС, при Р= 20 МПа – 50% при t >О^оС

Гейландт проанализировал ряд процессов Клода и показал, что наиболее экономичными являются процессы, когда: Т₇ = Т₂ и Т₁₀ = Т₁₁ , тогда теплообменник I становится в этом случае ненужным.

Наибольшее распространение в производстве получил процесс Клода- Гейландта со следующими параметрами:

Р₂ = 16,5 МПа, t₇ = -30-40 ^оС, доля отводимого в детандере воздуха 65-70%. Расход энергии в таком процессе 0,72 кВт час/кг (теоретически) и 1,1 кВт час/кг (практически).

Процесс Капицы

При снижении давления воздуха в процессах с детандером расход энергии увеличивается, увеличивается также количество воздуха, которое необходимо переработать для получения 1кг жидкости, в то же время применение низкого давления воздуха при его ожжижаемости имеет ряд преимуществ.

1).Появляется возможность применения турбомашин, которые легче, не загрязняют воздух смазкой, имеют более высокий КПД, чем поршневые машины.

2).Возможно, применение регенераторов вместо рекуператоров, которые более компактны и позволяют одновременно с теплообменником проводить осушку и очистку воздуха.

Турбодетандеры, разработанные под руководством Капицей, имеют КПД приблизительно h_тд = 0,85, в то время как у наиболее эффективных поршневых систем h_тд<0,6‑0,65.

Воздух сжимается в турбокомпрессоре до Р = 0,5-0,7 МПа и после охлаждения в холодильнике в состоянии т.2 поступает в ТО-регенератор. После охлаждения здесь до Т₇ сжатый воздух разделяется на две части. Первая, составляющая приблизительно 90% подается на расширение в турбодетандер, вторая проходит через ТО II, где происходит дополнительное охлаждение и частичное ожжижение, поступает на дроссельный вентиль. Жидкость после дросселирования отводится с параметрами тю5. Т₇ выбирают таким образом, чтобы воздух после расширения и охлаждения в детандере находился в состоянии близком к сухому насыщенному пару в т.6. Расширенный в турбодетандере воздух вместе с паром выходит из отделителя жидкости проходит в регенеративные ТО, где охлаждается движущийся на встречу поток сжатого воздуха и выводится при Т₉ в атмосферу.

В процессе Капицы детандер работает в таких условиях, когда имеющийся в процессе Клода ТО III становится не нужным, т.к. точки 6 и 8 очень близки, таким образом, процесс Капицы является предельным случаем детандерного процесса,. В котором температура воздуха входящего в детандер и его давление являются предельно низкими, а доля воздуха, поступающего в детандер – максимально высокой.

Процесс ожжижения воздуха по способу Капицы при давлении воздуха 0,6 МПа имеет следующие технико-экономические показатели:

-количество переработанного воздуха 14кг/кг жидкого воздуха;

-расход энергии 0,75 кВт час/кг- теоретически, 1,5 кВт час/кг жидкого воздуха – практически.

Потери в процессе Капицы больше, чем в случае Клода -Гейландта, в связи с тем, что количество циркулирующего воздуха в 2-3 раза больше.

Улучшение показателей процесса Капицы достигается повышением давления до 1,5 МПа, когда сохраняются преимущества, связанные с использованием турбомашин, а наличие циркуляционного воздуха и потери снижаются.

Среди наиболее эффективных процессов охлаждения воздуха:

· коксовый способ охлаждения Пикте;

· комбинированный Герша;

· различные варианты холод газовых машин, работающих по способу Стирлинга.

Эти процессы достаточно эффективны, однако сложны по оборудованию и применяются в установках малой и средней производительности. В крупных кислородных установках применяются главным образом процессы Капицы.

Устройства разделения воздуха

Разделение воздуха по его составной части, основными из которых являются кислород и азот, происходит в ректификационных колонках.

Схема установки однократной ректификации воздуха

В среднюю часть ректификационной колонны поступает разделяемое вещество в виде жидкости, пара или их смеси. В нижней части колонны, где перед началом работы разделяемая смесь находится в виде жидкости расположен трубчатый испаритель, За счет подвода теплоты в испарителе стекающая сверху по тарелкам жидкость испаряется, пары жидкости поднимаются вверх по колонне и попадают в конденсатор, где осуществляется отвод теплоты.

Образующаяся в конденсаторе жидкость стекает по тарелкам вниз, контактируя с восходящим потоком паров.

В испарителе вначале испаряется более легкокипящая жидкость (сжиженный азот), а жидкость остающаяся в испарителе насыщается более тяжелым кипящим комплектом (сжиженным кислородом), температура кипения при этом увеличивается и начинается испарение более тяжелокипящей жидкости. Из верхней части колонны может быть отобран газообразный или жидкий азот, из нижней- газообразный или жидкий кислород.

В такой колонне можно получить чистый кислород и азот, содержащий 7-10% О₂.

Для более глубокого разделения используют установки 2-х кратной ректификации.

Установка состоит из двух колонн: верхней, работающей при Р_изб = 0,12-0,14 МПа, и нижней с Р_изб =0,5-0,6 МПа.

В средней части установки размещен конденсатор-испаритель, в его трубах конденсируется азот при Р=0,5-0,6 МПа, а межтрубном пространстве испаряется кислород с Р= 0,12-0,14 МПа.

В змеевик нижней части установки подается воздух и испаряется жидкость, содержащая 45-55 % О₂. Пройдя змеевик, воздух дросселируется до Р =0,5-0,6 МПа и поступает в среднюю часть нижней колонны (флегма).

Одна часть конденсата азота, образующаяся в конденсаторе-испарителе, служит флегмой в верхней колонне, а другая часть стекает вниз, обогащаясь при этом кислород, а затем через дроссельный вентиль поступает в среднюю часть средней колонны.

Флегма, состоящая из конденсирующего азота, через дроссельный вентиль поступает в верхнюю часть колонны. Обе жидкости стекают по тарелкам верхней колонны, обогащаясь кислородом и в виде чистого кислорода, собираются в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя.

Часть паров кислорода отводится из установки в виде чистого продукта, а часть взаимодействует со стекающей флегмой. Азот в газообразном состоянии отбирается в самой верхней части верхней колонны. Полученные продукты проходят в дальнейшем ТО для охлаждения воздуха перед его разделением.

1. воздушный фильтр;

2. воздушный компрессор;

3. блок осушки и очистки воздуха;

4. блок разделения;

5. газгольдер;

6. кислородный компрессор среднего давления;

7. блок осушки кислорода;

8. кислородный компрессор высокого давления;

9. пиковый кислородный компрессор;

10. наполнительная, склад баллонов;

11. реципиенты для хранения кислорода.

Воздух поступает в виде компрессора через фильтры и далее через систему очистки и осушки в блок разделения.

Это оборудование представляет собой кислородный цех. Отсюда кислород поступает в отделение компрессии. Кислород среднего давления подается потребителям, а высокого давления поступает в отдел наполнения, где находится также склад баллонов.

Пиковые компрессоры служат для подачи кислорода в моменты наибольшего потребления. Кроме указанных кислородных станций существуют еще отделение очистки инертных газов и газофикационных станций.

Машины и аппараты кислородного производства

Перед разделением воздух следует очистить от механических примесей, влажности, двуокиси углерода. Очистка от механических примесей осуществляется в фильтрах, устройство которых зависит от количества обрабатываемого воздуха (< 2000 м³/ч). Можно использовать кассету из колес Рашинга, смоченных в масле. Воздух продувается через кассету с W=0,3-0,5 м/с до достижения критического давления (0,3-0,4 кПа). При большем давлении кольца промываются, смачиваются в масле и набивается кассета.

При больших расходах воздуха используются сухие фильтры с пористыми насадками или электрическими фильтрами.

Для очистки воздуха от влаги применяют очистку выпора жеванием или адсорбционную осушку. При осушке путем вымораживания воздух проходит две рекуперации. Таким образом, в первом воздух охлаждается до температуры –5 ^оС, а во втором (вымораживании) до температуры –40 ^оС. Для непрерывной работы сушки 2 вымораживателя, один из которых во время работы освобождается от влаги.

При адсорбционной осушке используются синтетические цеолиты (алюмосиликаты С_а, N_а) или активированный глинозем (АL₂О_{3 *}H₂О > 92%).

Очистка от СО₂ необходима, т.к. при температуре кислородного производства СО₂ переходит в твердое состояние (t затвердения = -79 ^оС). Для очистки может использоваться химический метод, основанный на поглощении СО₂ едким натром:

2NаОН + СО₂ = Nа₂СО₃1 + Н₂О

Чаще используется адсорбционный способ очистки, когда в качестве адсорбителя используется активированный уголь или синтетические цеолиты.

Для охлаждения воздуха и нагревания продуктов его разделения чаще всего используют трубчатые теплообменники, в которых используются такие материалы как медь, алюминий, латунь.

Основные требования к теплообменникам:

-сохранение морозоустойчивости и ударной вязкости до очень низких температур (195^оС);

-малые габаритные размеры и сопротивление 20-30 кПа.

В качестве материалов насадок применяют ленты или твердые частицы с размерами 5-10мм.

Во время движения сжатого воздуха влага и СО₂ откладываются на поверхности насадки, а во время обратного движения продуктов разделения удаляются.

Воздушные компрессоры кислородного производства для достижения высокого давления (16-20 МПа) работают по схеме многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха перед подачей его в каждую последующую ступень.

На установках небольшой производительности среднего и высокого давления используются поршневые компрессоры и детандеры, а в установках высокой производительности при Р<2 МПа турбомашины. При этом температура ввода воздуха в турбодетандерах: -110 … -60 ^оС, а поршневые аппараты: -50…+20 ^оС.

Насосы кислородного производства используются для забора жидкого кислорода из цистерн и подачи его в газификаторы, а также для отбора жидкого кислорода из ректификационной колонны.

Особенности насосов: высокое давление: Р=16-20 МПа, малая производительность: < 1м³/ч, тип насосов- плунжерный.

В насосах не должны применяться смазочные материалы на органической основе, что может привести к загоранию или к взрыву.

С целью уплотнения применяются графитовые сальники или лабиринтные уплотнения. Для смазки кислородных компрессоров в газообразующий кислород на всасе подают воду или специальную эмульсию, либо применяют поршневые кольца из антифризных материалов.

На кислородных установках средней и высокой производительности предусмотрена возможность получения ряда инертных газов (аргон, ксенон).

При маркировке установок буква указывает на основной целевой продукт:

К – технический О₂;

К_т – технологический О₂;

К_ж – основной продукт – жидкий О₂;

К_а – жидкий N₂;

А – чистый N₂;

А_р – аргон.

Цифры маркировки обычно обозначают производительность: т/ч, м³/ч.

В промышленности получили распространение установки: К-1-4, К_т-300М, К_тК-35-2

Основные характеристики К_тК – 35- 2

Параметры	Тип блока разделения
БР-2	БР-2м
Подача воздуха, тм3/ч
Производительность, тм3/ч	К-11,6	К-11
Кт-23,6	Кт-24
А-11	А-23,7
Концентрация основных веществ в готовом продукте, %	К-99	К-99,6
Кт-95	Кт-95,3
А-99	А-99
Давление воздуха после турбокомпрессора, МПа	0,62	0,62
Расход энергии, МДж/м3	1,44	1,44

Техника безопасности в кислородном производстве

Контакт кислорода с органическими соединениями может вызвать взрыв, поэтому следует избегать такого контакта.

Поскольку газообразный кислород плотнее воздуха (1,43 кг/м³) он скапливается при утечке внизу помещений и особую опасность в этом отношении представляют подвалы, приямки, проходные каналы промышленных разводок и т.д.

1. Поверхности предметов вблизи мест наличия кислорода должны быть очищены от масла и жировых пятен. Растворители четырех хлорный углерод, дихлорэтан, три хлор этилен.

2. При работе с открытым пламенем в местах возможного присутствия кислорода необходимо отбирать пробу воздуха для определения количества кислорода.

3. При ремонтных работах на кислородопроводах нужно использовать инструмент, исключающий возможность искрообразования (медный, неметаллический).

4. Одежду, в которой производятся работы с кислородом, и ветошь после работ следует проветривать.

5. В помещениях, где возможно наличие повышенного количества кислорода электропроводку выполняют во взрывоопасном исполнении.

6. Следует избегать попадания кислорода на кожный покров, а также прикосновений к холодным частям кислородных установок

7. Шланги жидкого кислорода следует продувать для предотвращения их разрыва при повышении давления от испарения кислорода.

8. Емкости кислорода должны быть снабжены взрывными клапанами, обеспечив выход газовой фазы при возможности взрыва.

9. Изотермические емкости с жидким кислородом должны быть оборудованы специальными лотками для удаления жидкости в случае аварии.

Вода как энергоноситель

(промышленное водоснабжение)

Вода широко используется в промышленности, в коммунально-бытовых предприятиях, в быту и т.д.

Основные направления промышленного использования воды являются:

- в качестве охлаждающего агента;

- в котельных установках для выработки технологического пара;

- в качестве транспортировочного агента в трубопроводах передачи твердых материалов;

- для цепей промывки;

- в качестве основной части готовой продукции.

В зависимости от направления использования воды и требований к ней со стороны водо-потребляемых объектов вода должна проходить специальную обработку.

Системы водоснабжения:

1. Оборотная система водоснабжения.

Преимущества.

1) при оборотной системе необходимость в свежей воде гораздо меньше. При этом значительно уменьшается диаметр труб водоводов, стоимость головных сооружений водоснабжения, снижается требуемый дебет источника водоснабжения:

2) стоимость очистных сооружений на прямой подаче уменьшается;

3) бесперебойность водоснабжения предприятия обеспечивается более просто и надежно, чем по любой другой схеме.

Недостатки.

1) система водоснабжения усложняется из-за включенных в нее сооружений для осветления и охлаждения воды, оборотной насосной станции и др. объектов;

2) усложняется система водопроводных сооружений непосредственно на территории предприятия;

3) необходимость во многих случаях применять химическую обработку потока воды;

температура охлажденной воды оказывается несколько выше, чем температура свежей воды.

Выбор системы (прямоточной или оборотной) решается на основе технико-экономического сравнения вариантов и оборотная система обычно более выгодна в маловодных районах при удалении от источника водоснабжения.

2. Система с последовательным использованием воды.

При такой системе вода из источника направляется в некоторые цехи промышленных предприятий, а отработанная вода подается к другим цехам иногда после соответствующей обработки.

Достоинство.

При использовании данной схемы объекты, предъявляющие более жесткие требования (цех А), получают свежую воду, т.е. более прохладную и чистую. Наиболее часто такая схема используется, когда цех А представляет ТЭЦ с большим потреблением воды, которая здесь не загрязняется и нагревается только в слабой степени. Возможны смешанные системы, например, с оборотнопоследовательным использованием воды, когда отработанная вода в цехе А вода направляется не прямо в другие цехи, а в их оборотные циклы.

Тепло сбросных вод может использоваться для теплофикации, в этом случае нагретая, но не загрязнившая вода направляется в теплофикационную сеть завода или города, а затем вновь идет для целей охлаждения.

3. Система с несколькими разводящими сетями труб.

Возможен случай, когда различные цехи одного предприятия потребляют воду разного качества и под разными напорами, при этом отдельные цехи объединены в группы, требующие приблизительно одинаковых свободных напоров, и для каждой группы укладывают свою разводящую сеть с установкой соответствующих насосов.

Если цехами 1 необходимо подавать воду под большим напором, а в цеха 2- небольшим, то устраивают две разводящие сети: Р_выс.-3 и Р_низ.-4, и от насосной станции 5 для каждой из сетей прокладывают отдельные водоводы. При большом давлении от источника водоснабжения устраивается головная насосная станция, подающая к промежуточным резервуарам необходимое количество свежей воды, а оттуда с помощью насосов высокого и низкого давления воды подается в соответствующие разводящие сети.

Для уменьшения числа сетей запускается установка в отдельных цехах насосов – повысительного давления.