АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЗОТА И КИСЛОРОДА

AUTOMATED CONTROL SYSTEM TECHNOLOGICAL PROCESS OF NITROGEN AND OXYGEN PRODUCTION

Marat Gabdriev

student, Department of Automation Systems and Technological Process Control, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Andrey Chupaev

Candidate of Engineering Sciences, Docent of ASTPC departament, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В данной статье приводится описание процесса производства азота и кислорода. Производство таких промышленных газов, как кислород, азот, аргон, неон, ксенон осуществляется на воздухоразделительных установках, а в качестве сырья выступает атмосферный воздух. Можно выделить три основных способа получения - это криогенная ректификация, адсорбция и мембранная технология.

Принцип работы криогенных систем основан на низкотемпературной ректификации сжиженного воздуха. Процесс протекает за счет разности температур кипения отдельных компонентов, которые содержатся в исходном продукте.

Основными преимуществами криогенного метода являются возможность получения продуктов разделения с предельно низким содержанием примесей О₂ – 99,5 - 99,9 %, N₂ – 99,9995 %, возможность одновременного получения нескольких продуктов разделения и высокий коэффициент извлечения при любом количестве продукта.

ABSTRACT

This article describes the process of production of nitrogen and oxygen. Industrial production of such industrial gases as oxygen, nitrogen, argon, neon, xenon is carried out in air separation plants, and atmospheric air acts as a raw material. There are three main production methods - cryogenic rectification, heatless adsorption, and membrane technology.

The principle of operation of cryogenic systems is based on low-temperature rectification of liquefied air. The process proceeds due to the difference in boiling points of the individual components that are contained in the original product.

The main advantages of the cryogenic method are the ability to obtain separation products with an extremely low content of impurities: O2 - 99.5 - 99.9%, N2 ‑ 99.9995%, the ability to simultaneously obtain several separation products and a high recovery factor for any amount of product.

Ключевые слова: азот; кислород; криогенная система.

Keywords: nitrogen; oxygen; cryogenic system.

Производство кислорода и азота осуществляется криогенным способом (глубокое охлаждение) с последующей ректификацией.

Наименование (обозначение) государственного или отраслевого стандарта, технических условий, в соответствии с требованиями которых выпускается продукция, и установленные ими технические требования приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Технические требования на выпускаемую продукцию

На рисунке 1 изображена технологическая схема процесса производства азота и кислорода.

Рисунок 1. Схема процесса производства азота и кислорода

Разделение воздуха с целью получения кислорода, азота осуществляется путем сжижения его с последующей низкотемпературной ректификацией. Охлаждение и конденсация воздуха происходит по методу расширения сжатого воздуха. Чем больше разность давлений ΔР=Р_к–Р_н, тем значительнее по­нижение температуры воздуха при расширении ΔТ=Т₁–Т₂, где Р_н, Т₁ – начальные давление и температура, Р_к, Т₂ – конечные давление и температура.

Процесс низкотемпературной ректификации жидкого воздуха основан на различии температур кипения азота минус 195,8 °С и кислорода минус 183,6 °С.

Производство азота и кислорода из воздуха состоит из трех стадий: очистки и осушки воздуха, сжижения воздуха и ректификации жидкого воздуха.

Очищенный в фильтре от пыли атмосферный воздух сжимается воздушным поршневым компрессором до давления не более 7,0 МПа (70,0 кгс/см²), охлаждается потоками газообразного азота и кислорода в теплообменнике-ожижителе поз. А-3 и поступает в блок очистки воздуха БОВ, где происходит очистка воздуха от влаги адсорбцией на синтетическом цеолите в адсорберах поз. А-16, 17, А-18, 19. При адсорбционной очистке одновременно с влагой из воздуха поглощаются оксид углерода (IV) и ацетилен. Адсорбция проводится при температуре не выше 10 ⁰С.

После блока очистки воздух делится на два потока и, при температуре не выше 10 ⁰С, поступает в теплообменники блока разделения. Большая часть воздуха охлаждается в азотном теплообменнике поз. А-4 продукционным азотом. Остальная часть воздуха охлаждается в кислородно-фракционном теплообменнике поз. А-5 сжатым кислородом и фракцией.

Воздух, охлажденный в теплообменниках поз. А-4, А-5, смешивается. Основной поток, примерно (80 ± 90) %, направляется на расширение в турбодетандер. Остальная часть воздуха дросселируется через ВР-1, смешивается с воздухом после турбодетандера и поступает в куб нижней колонны поз. А-7.

Далее воздух поступает в куб нижней колонны поз. А-7, где происходит первичная ректификация воздуха на обогащенную кислородом кубовую жидкость (и на азотную флегму) с объемной долей кислорода не более 0,0005 % объемных.

Кубовая жидкость накапливается внизу нижней колонны и оттуда поступает на 25-ю тарелку верхней колонны через переохладитель поз. А-25 и дроссельный вентиль поз. ВР-2.

Газообразный азот поступает в трубное пространство основного конденсатора, где конденсируется за счет кипения жидкого кислорода, который поступает в межтрубное пространство из куба верхней колонны. Жидкий азот из конденсатора поз. А-8 стекает в верхний сборник нижней колонны, проходит переохладитель поз. А-25, где охлаждается отходящим из верхней колонны газообразным азотом, дросселируется до давления верхней колонны равного (0,3 ÷ 0,7) кгс/см² и поступает в мерник верхней колонны. В верхней колонне поз. А-9 происходит окончательное разделение воздуха на газообразный азот и жидкий кислород. Газообразный азот отбирается с верхней, жидкий кислород с нижней части верхней колонны.

Жидкий кислород накапливается внизу верхней колонны стекает в конденсатор, проходит переохладитель поз. А-6 и перекачивается в кислородно-фракционный теплообменник поз. А‑5, где газифицируется, и подается на кислородную наполнительную рампу для наполнения баллонов и выдачи их потребителю.

Список литературы:

1. Архаров А.М. Криогенные системы. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. Том 2: учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 1999. — 720 с.
2. Ануров С.А. Криогенные технологии разделения газов. – М.: ООО «АР‑Консалт», 2017. – 233 c.