Учебный вопрос № 1. Адсорберы ВРУ и взрывоопасность

Практическое занятие № 1. АДСОРБЕРЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ.

В атмосферном воздухе кроме целевых компонентов содержатся примеси, которые могут кристаллизоваться в аппаратах, нарушая режим их работы, и взрывоопасные примеси. К первой группе примесей обычно относят пары воды и двуокиси углерода, ко второй – углеводороды, озон и др. Для обеспечения надежной и безопасной работы ВРУ необходимо осуществлять очистку воздуха и продуктов его разложения.

В установках малой и средней производительности выполняют комплексную осушку и очистку воздуха в специальных адсорбционных блоках, работающих при температуре 278–283 К. В этих же аппаратах частично удаляют и взрывоопасные примеси. В ВРУ низкого давления большой производительности небольшая часть воздуха (петлевой поток) очищается от двуокиси углерода в низкотемпературных адсорберах. В последние годы созданы ВРУ низкого давления с комплексной осушкой и очисткой всего потока сжатого воздуха.

Наиболее взрывоопасными элементами ВРУ являются аппараты, в которых кипит и испаряется жидкий кислород. Это, в первую очередь, конденсаторы-испарители. Углеводороды могут накапливаться в жидком кислороде и иногда на теплопередающих поверхностях, омываемых жидким кислородом. Взрывоопасные примеси из жидкой фазы обычно улавливают в адсорбционных аппаратах, установленных на потоках кубовой жидкости и кислорода в циркуляционном контуре конденсатора-испарителя.

Состав и доля взрывоопасных примесей в воздухе, поступающем в установку, зависят от места ее работы и выброса газов промышленными предприятиями вблизи нее. Кроме того, воздух может быть загрязнен продуктами разложения смазочных масел в ВРУ. Объемные доли, см3/м3, взрывоопасных примесей в сухом атмосферном воздухе при нормальных условиях (р = 1,01·105 Па и Т = 273,15 К) приведены ниже.

Примесь	СО	СН4	С2Н6	С2Н2	N2О	О3
Объемная доля, см3/м3	до 35	до 1,0	0,1	0,001–1,0	0,5	0–0,5

Растворимость примесей в жидком кислороде и кубовой жидкости при температурах 90 и 100 К указана в табл. 1.

Очистка петлевого потока воздух. Часть воздуха (петлевой поток), охлаждаемого в регенераторах, отводится из середины регенератора в адсорбер для очистки от углекислого газа. Температура петлевого потока и расход воздуха в нем зависят от условий работы регенераторов без забиваемости твердой фазой СО2. Принципиальная схема узла ВРУ с адсорберами на петлевом потоке показана на рис. 1. Период переключения адсорберов составляет примерно 70 ч. В качестве адсорбента используют силикагель марки КСМ.

Таблица 1

Растворимость взрывоопасных примесей

Примесь	Температура кипения при нормальном давлении, К	Растворимость, приведенная к нормальным условиям, см3/м3
в жидком кисло-роде при 90 К	в кубовой жид-кости при 100 К
Метан СН4	111,5	910 000	990 000
Этан С2Н6	184,5	93 000	109 000
Этилен С2Н4	160,0	27 500	-
Пропан С3Н8	230,8	7 000	10 800
Ацетилен С2Н2	189,4	5,4	19,5

Диаметр адсорбера определяют из условия допустимых скоростей фильтрации рабочего потока, отнесенных к полному сечения аппарата. Высота слоя адсорбента зависит от времени работы адсорбера до переключения на регенерацию. Изменение температуры потока приводит к резкому изменению времени защитного действия адсорбента должна быть увеличена по сравнению с расчетным (обычно на 20 %).

Воздух из регенераторов

Воздух в верхнюю колонну

Воздух из нижней колонны

Рис. 1. Схема очистки петлевого потока воздуха от двуокиси углерода

1 – адсорбер; 2 – турбодетандер; 3 – регулирующий вентиль

Комплексная осушка и очистка сжатого воздуха. Блок комплексной осушки и очистки воздуха (БКО) наиболее широко применяют в ВРУ среднего и высокого давлений. Давление воздуха в адсорберах составляет 3-7 или 10-20 МПА. Воздух перед БКО охлаждает до 278-283 К с целью уменьшения в нем паров воды и увеличения поглотительной способности адсорбента. Осушку и очистку от паров Н2О, СО2 и С2Н2 и других примесей выполняют с помощью синтетического цеолита NаХ. Степень осушки воздуха соответствует точке росы не менее 203 К, остаточная доля СО2 в очищенном воздухе около 1,5 см3/м3, С2Н2 – не более 5·10-3 см3/м3.

Насыщение цеолита парами Н2О, СО2 и С2Н2 происходит до определенного предела, а затем адсорбционная емкость адсорбента восстанавливается путем регенерации. Цеолит NаХ поглощает СО2 хуже, чем Н2О и С2Н2, поэтому переключения адсорберов блока определяют из условия насыщения адсорбента углекислым газом. Периодичность переключения адсорберов 8–20 ч. Для регенерации адсорбента используют азот или воздух,

Воздух из предварительного теплообменника

Очищенный воздух в основной теплообменник

3 6

4 5

1 8

2 12

17 16

19 13

20 18 15 14

Рис. 2. Схема блока комплексной осушки и очистки воздуха (БКО)

1 – влагоотделитель; 2, 12 – адсорберы; 3-6, 8, 15-18 – вентили; 7, 11 – измерительные преобразователи температуры; 9 – нагреватель; 10 – терморегулятор; 13, 19 – фильтры; 14, 20 – манометры подогретые до 650-670 К; расход регенерирующего газа составляет примерно 20 % расхода очищаемого воздуха. В конце процесса регенерации температура азота (воздуха) на выходе из адсорбера должна быть не менее 473-493 К; перед переключением адсорбера на режим очистки его охлаждают потоком подогретого газа.

Изготовляют БКО по различным технологическим схемам: с двумя (рис. 2) и четырьмя адсорберами. Максимальная производительность БКО 31 500 м3/ч. Очищаемый воздух поступает во влагоотделитель 1, а затем в адсорбер 2, на выходе из которого установлен фильтр 19 для улавливания цеолитовой пыли. Регенерирующий газ после подогревателя 9 поступает в адсорбер 12. Время десорбции адсорбента меньше продолжительности адсорбции на величину, необходимую для охлаждения адсорбента до рабочей температуры. Работа БКО непрерывна, цикл каждого адсорбента состоит из следующих режимов: адсорбции, термодесорбции и охлаждения адсорбента.

В БКО с четырьмя адсорберами в режиме адсорбции работают одновременно два адсорбера, а два других – в режиме регенерации; циклы переключения всех адсорберов смещены для обеспечения более равномерной работы БКО.

Воздух в турбодетандер

Жидкость в верхнюю колонну

Жидкость в верхнюю колонну

Воздух из регенераторов

1 2 4

а) б)

Рис. 3. Схема очистки от углеводородов кубовой жидкости

а – на потоке в верхнюю колонну (1 – куб нижней колонны; 2 – адсорбер; 3 – дроссельный вентиль); б – в отмывочной колонне (1 – нижняя колонна; 2 – отмывочная колонна; 3 – циркуляционный насос; 4 – адсорбер).

Очистка кубовой жидкости от углеводородов. Жидкость, находящуюся в кубе нижней колонны, очищают в адсорберах от взрывоопасных примесей. В качестве адсорбента для очистки кубовой жидкости в настоящее время применяют силикагель марки КСМ (реже КСК). Ацетиленоемкость силикагеля КСМ с насыпной плотностью 0,78 кг/дм3 зависит от содержания в воздухе двуокиси углерода и при средних долях ацетилена в жидкости 0,2 см3/дм3 и СО2 в воздухе 11–14 см3/м3 составляет 1,8 см3/дм3.

Наиболее распространенные схемы включения адсорберов на потоке кубовой жидкости показаны на рис. 3. Способ очистки воздуха в отмывочной колонне позволяет вести процесс при большей концентрации удаляемых примесей. Это достигается благодаря более высокой температуре жидкости в колонне по сравнению с температурой кислорода и, следовательно, большей растворимости примесей. Повышенное содержание примесей в данном случае не опасно, так как жидкость в отмывочной колонне не кипит.

Очистка жидкого кислорода от углеводородов. Особенно опасно попадание в жидкий кислород даже небольших объемов взрывоопасных примесей в установках с длительным периодом работы. При кипении жидкого кислорода эти примеси постепенно могут накапливаться в жидкости, так как

Газообразный кислород

Жидкий кислород из верхней колонны

Жидкий кислород

Рис. 4. Схема очистки от углеводородов жидкого кислорода

1- выносной конденсатор-испаритель; 2 - адсорбер

давление насыщенных паров углеводородов существенно ниже давления насыщенного пара кислорода. Кроме того, адсорберы БКО на петлевом потоке воздуха не обеспечивают полной очистки от С2Н2 и многоатомных углеводородов, а степень очистки этана и этилена не превышает 10 %. В связи с этим в ВРУ применяют адсорбционную очистку жидкого кислорода.

Известны две схемы включения адсорберов: на потоке жидкого кислорода перед выносными конденсаторами – испарителями и в циркуляционном контуре. В настоящее время наиболее распространена вторая схема (рис.) как более эффективная. Её преимущество – непрерывная и более глубокая степень очистки, обусловленная многократным прохождением жидкости через адсорбер. Циркуляция жидкого кислорода обеспечивается специальным насосом или парлифтом. Режимы работы адсорберов очистки кислорода и кубовой жидкости близки.

Очистка и разделение инертных газов. Процесс низкотемпературной адсорбции в ВРУ используют также для разделения и получения чистых инертных газов. Адсорбционные блоки очистки и разделения инертных газов в ВРУ выполняют следующие технологические в ВРУ выполняют следующие технологические задачи: получение чистого аргона (объемная доля более 99,999 %) из сырого аргона (85-98 %); комплексную очистку от двуокиси углерода и углеводородов криптоноксенонового концентрата; разделение первичного криптоноксенонового концентрата; разделение неоногелиевой смеси.

Возможность применения процесса физической адсорбции для получения особой чистоты аргона обусловлена различием критических размеров атомов аргона и молекулы кислорода. Процесс очистки осуществляют на адсорбентах типа молекулярное сито.