Курс лекций Кемерово 2010
 Скачать 0.94 Mb.
|
|
Метод конденсации. Суть метода конденсации заключается в том, что при охлаждении газовой смеси более высококипящие компоненты конденсируются первыми и отделяются в сепараторах. В производстве синтетического аммиака методом конденсации отделяют аммиак от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Из коксового газа фракционным охлаждением выделяется водород. Сорбционные методы. Сорбционные методы основаны на различной сорбционной способности компонентов каким-либо поглотителем. Процесс, обратный сорбции, называется десорбцией. Сорбция и десорбция – два взаимосвязанных процесса. Когда скорость сорбции равна скорости десорбции, устанавливается динамическое равновесие. Благоприятными условиями для сорбции, те. для поглощения газа, являются низкая температура и высокое давление. Благоприятными условиями для десорбции являются повышенная температура и пониженное давление. В сорбционных процессах выделяют адсорбцию и абсорбцию. Адсорбция – это процесс поглощения одного или нескольких компонентов газовой смеси твёрдой поверхностью адсорбента. Процесс поглощения (очистки) осуществляют в аппаратах, называемых адсорберами. Адсорберы бывают с неподвижным слоем адсорбента, с движущимся слоем, а также с кипящим слоем. Адсорбер работает в режиме адсорбция ↔ десорбция Входе очистки газа адсорбент сначала насыщается газообразным компонентом-примесью (его называют адсорбат, затем при соответствующем изменении условий процесса следует десорбция, в результате адсорбент восстанавливается. В качестве адсорбента используют активированный уголь, цеолиты, пористые стёкла и пр. Абсорбция – это избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом. Производственный цикл включает абсорбцию (при низких температурах и повышенных давлениях) и десорбцию по- глощённого вещества (при нагревании и снижении давления. В качестве абсорбентов обычно используются органические и неорганические растворители. Как правило, процессы абсорбции и десорбции пространственно разделены. Очистка и разделение газовой смеси проходит в двух аппаратах. Водном (абсорбере) протекает абсорбция какого-либо компонента охлаждённым абсорбентом, в другом (регенераторе) – десорбция, при этом выделяется поглощённое вещество из раствора и регенерируется абсорбент. В регенераторе – повышенная температура и пониженное давление. В сорбционных методах, особенно при абсорбции, имеет место не только физико-химическое поглощение одного вещества другим, но и химическое взаимодействие. В этом случае интенсификация процесса во многом зависит от скорости химической реакции. А скорость химической реакции, как известно, зависит от следующих факторов концентрации, температуры, давления. Следует отметить, что поглощение на твёрдом поглотителе называется сухой очисткой, поглощение раствором – žмокрой¡. Мембранный метод. Мембранный метод очистки газовых смесей основан на разделении с помощью микропористых перегородок (или мембран, проницаемых для молекул одного вида и непроницаемых для молекул другого вида. Мембранный метод разделения наиболее совершенный, так как исключены высокие давления и низкие температуры. В мембранных аппаратах разделяют воздух на азот и кислород, метан и водород, метан и гелий и пр Следует отметить, что газы очищают также от пыли, например в сернокислотном производстве очищают печной газ, полученный при обжиге колчедана очищают воздух, подаваемый на окисление, в производстве серной и азотной кислот. Особо следует отметить, что в технологии неорганических веществ необходимо очищать газовые смеси от влаги, например воздух, подаваемый на окисление, подвергается осушке. Метод конденсации Метод конденсации основан на различии температур кипения компонентов. При разделении газов методом глубокого охлаждения газовую смесь охлаждают до очень низких температур, при этом происходит последовательное сжижение составляющих компонентов, каждая фракция переходит в жидкое состояние при своей температуре. Таким способом можно разделить газовую смесь на отдельные компоненты или фракции. Область низких температур делят на умеренный холод (интервал температур от –70 до С глубокий холод (температуры ниже –100 ÂС). Для охлаждения до умеренного холода в качестве хладаген- тов обычно используются сжиженные газы: аммиак кип –33,35 С, диоксид серы кип –10,0 С, пропан кип –42,1 С, бутан (кип –0,5 Ст. е. вещества с низкими температурами кипения. Охлаждение газа происходит вследствие того, что хладагент поглощает тепло при испарении. Умеренное охлаждение применяется в различных отраслях химической и пищевой промышленности, а также при горных работах. Глубоким холодом пользуются для сжижения воздуха кип –192,0 Си последующего выделения из него азота кип –195,8 С, кислорода ( кип t = –182,0 Си аргона кип –185,9 С. Глубокое охлаждение применяют также для выделения водорода (кип –252,8 Сиз коксового газа, этилена кип –103,7 Сиз газов крекинга углеводородов Для получения глубокого холода применяют холодильные машины. Работа холодильных машин основана на свойстве реальных газов охлаждаться при расширении в определённых ус- ловиях. Расширение газа при переходе от высокого давления к низкому без совершения работы называется дросселированием. При расширении (дросселировании) реального газа без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой происходит охлаждение газа, так как совершается работа по преодолению сил притяжения между молекулами, в результате чего температура газа понижается. Это явление называется эффектом Джоуля – Томсона. Его используют для достижения низких температур. Понижение температуры при дросселировании воздуха для разных перепадов давления представлено в таб- лице. Понижение температуры ∆t С) при дросселировании воздуха (р к – конечное избыточное давление, атм) Начальное давление, атм 100 150 Начальная темпе- ратура, ÂС р к ∆t р к ∆t р к ∆t р к ∆t +30 0 10,3 0 20,0 0 27,3 0 34,0 –10 0 14,8 0 28,4 0 40,5 0 50,3 –50 0 21,9 0 43,8 0 61,2 0 72,7 –90 0 34,2 0 69,6 18,3 60,6 26,4 54,3 –130 0 9,6 34 13,6 35,2 13,8 35,9 Данные таблицы показывают, что понижение температуры при дросселировании невелико даже при большой разности давлений. Поэтому однократным дросселированием, несмотря на весьма высокие начальные давления, нельзя понизить температуру газа настолько, чтобы его можно было превратить в жидкость. Однако путём многократного дросселирования и при непрерывном использовании холода, полученного при дросселировании, удаётся достигнуть весьма низких температур 71 4. Сжижение воздуха Из жидкого воздуха методом ректификации получают раздельно азот и кислород. Для сжижения используется метод глубокого охлаждения. При атмосферном давлении температуры кипения азота и кислорода равны соответственно и –183,0 С. Газ превратить в жидкость возможно только понизив его температуру ниже критической. Критическая температура – это температура, выше которой вещество не может находиться в жидком состоянии давление пара над жидкостью при этой температуре называется критическим давлением. Критическая температура воздуха равна –140,7 С, критическое абсолютное давление равно 37,2 атм. Схема простейшей установки для сжижения воздуха с однократным дросселированием Описание схемы. Воздух, имеющий начальные параметры Р 1 и Т, сжимается компрессором 1 до давления Р, при этом его температура повышается от Т 1 до Т. После компрессора воздух охлаждается в холодильнике до начальной температуры Т 1 (давление Р. Далее сжатый и охлаждённый воздух поступает в противоточный теплообменник, где охлаждается до Т 2 (давление Р) более холодным дросселированным воздухом, идущим в противоположном направлении. Пройдя теплообменник 3, охлаждённый сжатый воздух дросселируется в вентиле 4 до начального давления Р при этом его температура понижается до Т. Дросселированный воздух, проходя теплообменник 3, охлаждает воздух высокого давления до Та сам нагревается до Т 1 (давление Р) и затем выходит из установки. В резервуаре 5 собирается жидкий воздух ЛЕКЦИЯ № РЕКТИФИКАЦИЯ ЖИДКОГО ВОЗДУХА ВОПРОСЫ 1. Общие положения. Принципиальное устройство ректификационной колонны. Состав атмосферного воздуха. Очистка воздуха. Разделение жидкого воздуха в двухколонном ректификационном аппарате. Общие положения Ректификация – это разделение жидких смесей на практически чистые компоненты (или фракции, отличающиеся температурами кипения. Движущая сила ректификации – это разность между фактическими и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающей данному составу. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего ПАР при контакте с жидкостью обогащается легкокипящими компонентами (ЛКК), а ЖИДКОСТЬ – тяжелокипящими компонентами (ТКК). Для ректификации обычно используют колонные аппараты, где осуществляется многократный контакт между потоками жидкой и паровой фаз. Так как жидкость и пар движутся навстречу друг другу, то при достаточной высоте колонны в верхней её части может быть получен почти чистый легкокипящий компонент (ЛКК), в нижней части собирается тяжелокипящая фракция (ТКК). В случае ректификации жидкого воздуха ЛКК – азот кип –195,8 С, а ТКК – кислород (кип –183,0 ÂС). Таким образом, газовая фаза обогащается азотом, а жидкая фаза – кислородом. Разница температур в 12,8 С вполне достаточна, чтобы разделить воздух, кипящий при температуре –192 Сна чистые азот и кислород 73 2. Принципиальное устройство ректификационной колонны Схема ректификационной тарельчатой колонны – корпус 2 – тарелки 3 – переливные патрубки Внутри цилиндрического корпуса 1 помещены ситчатые или колпачковые) тарелки 2, разделяющие колонну на секции. В тарелках имеется большое число отверстий, равномерно рас- предёленных по всей поверхности. Для перетока жидкости с одной тарелки на другую и поддержания на тарелках определённо- го уровня жидкости служат переливные патрубки 3. Верхний край каждого переливного патрубка находится на уровне жидкости в тарелке, нижний край погружён в жидкость, находящуюся на нижней тарелке. Образующийся гидрозатвор препятствует прохождению потока пара через патрубки. Постоянный уровень жидкости на тарелках поддерживается также давлением пара, поднимающегося с лежащих ниже тарелок. Пар, образовавшийся при испарении жидкости, находящейся на нижней тарелке, проходит через отверстия лежащей выше тарелки и, соприкасаясь на ней с жидкостью, конденсируется. При этом получается жидкость более богатая летучим компонентом, чем на нижней тарелке. Вследствие выделения теплоты конденсации этого пара, жидкость на лежащей выше тарелке кипит и образует пар, ещё более богатый легко летучим компонентом по сравнению с жидкостью. Этот пар поднимается наследующую тарелку, где также конденсируется, образуя жидкость, обогащённую летучим компонентом, и т. д. Избыток жидкости, образовавшийся при конденсации пара, стекает с каждой тарелки через переливные патрубки на тарелку, расположенную ниже. Вследствие многократного испарения и конденсации на тарелках в верхней части колонны получается пар чистого легко летучего компонента. В нижней части колонны собирается жидкость чистый, менее летучий компонент. Состав атмосферного воздуха Сухой и чистый атмосферный воздух в основном содержит, % (об азот – 78,08; кислород – 20,95; аргон – 0,9325; диоксид углерода – 0,030; % (масс азот – 75,60; кислород – 23,10; аргон – 1,286; диоксид углерода – В воздухе содержатся незначительные количества неона, гелия, криптона, ксенона, водорода, метана, озона, оксидов азота и др. Кроме того, воздух содержит водяные пары (0,02–2,00 % масса также некоторое количество пыли (доне- скольких мг в 1 м 3 воздуха). 75 4. Очистка воздуха Воздух перед сжижением предварительно очищают от пыли, диоксида углерода и паров воды. Очистка необходима во избежание закупорки аппарата льдом, образующимся вследствие замерзания воды и диоксида углерода. Кроме того, воздух очищают от ацетилена. Обычно натер- ритории химических заводов в воздухе содержится ацетилен, который представляет особую опасность, так как в аппаратуре высокого охлаждения образует взрывчатые соединения. Разделение жидкого воздуха в двухколонном ректификационном аппарате Для разделения воздуха применяют двухколонные ректификационные аппараты. Аппарат состоит из нижней разделительной колонны 4, работающей под избыточным давлением 6 атм (0,6 МПа, и верхней разделительной колонны 1, работающей при атмосферном давлении. Между этими колоннами помещён конденсатор 2, являющийся одновременно испарителем для верхней колонны. Воздух, сжатый до давления 50–100 атм (5–10 МПа) и предварительно охлаждённый в противоточном теплообменнике, проходит через змеевик 5 кипятильника 6 и вызывает испарение жидкого обогащённого кислородом воздуха, который стекает в кипятильник с тарелок 10 колонны Воздух из змеевика выходит под высоким давлением, проходит через дроссельный клапан 7 (в результате давление понижается до 6 атм) и поступает в нижнюю колонну. В нижней колонне жидкий воздух протекает по тарелкам 10, при этом из жидкости испаряется более низкокипящий азот. На дно колонны стекает жидкий воздух, обогащённый кислородом до 30–40 % кислорода. Чистый азот собирается в карманах 3 верхней части колонны 4. Двухколонный ректификационный аппарат для разделения воздуха 1 – верхняя колонна 2 – конденсатор-испаритель; 3 – карманы для жидкого азота 4 – нижняя колонна 5 – змеевик – кипятильник 7, 8, 9 – дроссельные вентили 10 – тарелки Поскольку температура кипения кислорода при атмосферном давлении равна –183 Сто при этой температуре жидкий азот кипит только при давлении, равном 3,6 атм (0,32 МПа. Поэтому, если в нижней колонне поддерживать давление несколько выше 3,6 атм, то богатые азотом пары конденсируются в конден- саторе-испарителе 2 при охлаждении испаряющимся жидким кислородом, который стекает из верхней колонны 1 в межтрубное пространство конденсатора Конденсатор состоит из ряда закрытых сверху трубок. В его межтрубном пространстве кипит при атмосферном давлении жидкий кислород. В трубках конденсируется азот истекает вниз. Часть жидкого азота собирается в карманах 3, другая часть, стекая с тарелки на тарелку в нижней колонне 4, постепенно обогащается кислородом. Эту обогащённую кислородом жидкость из нижней части кипятильника 6 через дроссельный вентиль 8 подают на средние тарелки верхней колонны 1, а жидкий азот из карманов 3 через дроссельный вентиль 9 поступает в верхнюю часть колонны 1. Оттуда он стекает вниз навстречу поднимающимся парам кисло- рода. Испарение кислорода в межтрубном пространстве конденсатора происходит за счёт тепла конденсации паров азота, имеющих более высокую температуру (примерно на 3 ÂС). Пары чистого азота отводят из верхней части колонны 1. Чистый газообразный кислород отбирают в верхней части конденсатора Чистота конечных продуктов (азота и кислорода) зависит от точности соблюдения режима работы ректификационной колонны. Расходные коэффициенты зависят от типа установки и её производительности. Расход энергии колеблется от 0,15 до 0,20 кВт.ч на 1 м 3 азота. В промышленности для разделения воздуха на азот и кислород применяют главным образом установки двух типов установки с дросселированием воздуха в один или два цикла и с предварительным аммиачным охлаждением установки высокого и низкого давления с регенераторами и турбодетандерами. Установки для производства азота и кислорода отличаются друг от друга главным образом следующим способами сжижения воздуха схемой ректификации способами очистки воздуха от диоксида углерода и воды конструктивным оформлением ЛЕКЦИИ № ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ТВЁРДОГО ТОПЛИВА ВОПРОСЫ 1. Общие положения. Коксование. Разделение прямого коксового газа (ПКГ). 4. Переработка прямого коксового газа (ПКГ). 5. Улавливание аммиака из коксового газа. Получение сульфата аммония. Газификация твёрдого топлива. Гидрогенизация твёрдого топлива. Общие положения К твёрдому топливу относят антрацит каменный уголь бурый уголь торф сланцы. Антрацит – самый древний из ископаемых углей, отличается большой плотностью и блеском, содержит в среднем 95 % углерода. Каменный уголь – содержит 75–90 % углерода, из всех ископаемых углей находит самое широкое применение. Бурый уголь – содержит 65–70 % углерода, имеет бурый цвет. Торф – продукт первой стадии образования ископаемых углей, содержит 55–60 % углерода. Сланцы – горные породы, образованные цементацией глин, небольших частиц кварца, полевого шпата и тому подобных веществ. Сланцы содержат как органические вещества, таки минеральные. Накопление в значительных количествах металлов (золота, серебра, никеля, ванадия и др) в сланцах объясняется ионным обменом в глинах. Органические вещества в сланцах представляют собой остатки биологических организмов, инициирующих этот обмен. В основе переработки твёрдого топлива лежат гетерогенные, главным образом некаталитические, высокотемпературные процессы. При нагревании в различных условиях твёрдое топливо (каменный уголь) претерпевает сложные изменения, ведущие к образованию новых твёрдых, жидких или газообразных продуктов. Методы высокотемпературной переработки твёрдого топлива можно разделить натри принципиально отличающихся направления пиролиз газификация гидрогенизация. Пиролиз – это нагревание твёрдого топлива в закрытых м- костях без доступа воздуха, которое сопровождается деструктивными химическими превращениями компонентов топлива. В зависимости от назначения получаемых продуктов пиролиз проводят в различных интервалах температур и разделяют на коксование среднетемпературное коксование полукоксование. Коксование – это высокотемпературный пиролиз при нагревании твёрдого топлива до 900–1050 ÂС. Среднетемпературное коксование – это процесс, протекающий при нагревании топлива до конечной температуры 700–800 ÂС. Полукоксование – это низкотемпературный пиролиз, протекающий при нагревании твёрдого топлива до конечной температуры ÂС. |