1 Апреля 2018

Кислород - основные способы получения

Опубликовал К.В. Кулик

         Интенсификация современных металлургических, химических и других технологий предполагает более широкое применение такого ускорителя процессов, как кислород.

         В металлургии и химии для ускорения химических реакций в процессах рафинирования в чёрной и цветной металлургии, при выплавке чугуна в доменных печах, при производстве серной и азотной кислот, в машиностроении для получения высоких температур при сгорании водорода и ацетилена в горелках для сварки и резки металлов, в ракетно-космической технике, в стекольной промышленности, в медицине, сегодня, успешно применяется кислород, как интенсивный ускоритель процессов окисления.

         Поэтому, задача получения технического кислорода в больших количествах и нужного качества сегодня становится особо актуальной.

         В настоящее время для промышленного получения технического кислорода, в основном, используются следующие технологии и установки:

  • криогенная;
  • мембранная;
  • электрохимическая;
  • адсорбционная.      

       Криогенные установки для получения кислорода

         Процесс получения кислорода в этих установках основан на разделении атмосферного воздуха способом ректификации при низких температурах. Различные компоненты атмосферного воздуха кипят при разных температурах и составные части воздуха, находящиеся в равновесии жидких и паровых смесей, отличаются друг от друга физико-химическими свойствами.

         Атмосферный воздух подаётся в ректификационную колонну, где охлаждается до криогенных температур, при этом воздух разделяется на жидкую и паровую фазу, состоящие из компонентов воздуха и находящихся в контакте, вследствие чего, между ними происходит массо- и теплообмен. В процессе подъёма по колонне вверх, паровая фаза насыщается низкокипящим компонентом, азотом, а жидкая, высококипящим –кислородом. Жидкий кислород собирается в нижней части колонны, откуда и откачивается как готовый продукт.

         Криогенный способ получения кислорода обеспечивает высокую чистоту разделяемых компонентов воздуха, при высоких параметрах их извлечения и является вполне эффективным.

         Криогенный способ позволяет получать разные продукты разделения воздуха в двух агрегатных состояниях—в виде газа и в виде жидкости. Этот способ получения кислорода применяется для крупных кислородных комплексов большой производительности и длительной непрерывной эксплуатации. Он отличается сложностью аппаратуры, высокими капитальными вложениями и должен обслуживаться высококвалифицированным персоналом.

       Получение кислорода при помощи мембранных установок 

         Процесс получения кислорода в этих установках основан на эффекте различных скоростей проникновения газовой смеси через мембрану. Процесс разделения основан на разнице парциального давления по обе стороны мембраны. Материал мембран это половолоконная структура, выполненная из пористого полимерного волокна, на поверхности которого нанесён газоразделительный слой, что обеспечивает высокую селективность при прохождении через неё различных газов при высокой чистоте разделяемых продуктов. Мембранный способ существует в двух технологиях—компрессорной и вакуумной.

         В компрессорной технологии воздух подаётся в волоконное пространство мембраны под избыточным давлением, и кислород выходит после мембраны под незначительным избыточным давлением и, затем, компрессором доводится до необходимого давления.

         В вакуумной технологии для создания разности парциальных давлений используется вакуумный насос.

         Мембранный способ отличается невысокой производительностью и невысокой чистотой получаемого кислорода (не выше 50%).

         Электрохимические установки

         Процесс получения кислорода в этих установках основан на переработке перекисных и надперекисных соединений щелочных и щелочноземельных металлов, при которой кислород выделяется из твёрдых электролитов или из водных растворов, при этом получают ещё и водород. Эти установки сложны в эксплуатации и требуют применения специальных мер безопасности и охраны окружающей среды.

         Адсорбционные установки

         Процесс получения кислорода в этих установках основан на использовании селективной разнородной адсорбции кислорода из атмосферного воздуха твёрдым адсорбентом. Этот процесс позволяет регулировать поглощение газа адсорбентом, он значительно зависит от температуры и парциального давления компонентов обрабатываемого газа, что позволяет, меняя давление и температуру регулировать поглощение газа и регенерацию адсорбента.

         Особенностью работы этой установки является способность легко адсорбируемых компонентов хорошо поглощаться адсорбентом, а трудно адсорбируемых, свободно проходить через неё.

         Сегодня применяются три различных способа создания методом адсорбции циклического процесса разделения воздуха без нагрева: напорный, вакуумный и смешанный.

         При применении напорного способа кислород из воздуха отделяют при давлении, большем, чем атмосферное, а регенерация адсорбента, проходит при атмосферном давлении.

         При применении вакуумного способа кислород выделяют из воздуха при атмосферном давлении, а регенерация адсорбента осуществляется при давлении меньше атмосферного.

         При применении смешанного способа, давление может быть как больше, так и меньше атмосферного.

         Извлечение газов в этих установках осуществляется с использованием пористых адсорбентов, которые способны связывать газы на их поверхности. Разные газы адсорбируются по разному, в зависимости от параметров потока воздуха—давления, температуры и избирательных свойств самого адсорбента. В зависимости от того, какие газы надо извлекать, применяются в качестве адсорбента, вещества с высокоразвитой поверхностью—углерод, цеолит, активированный уголь, оксиды кремния, оксиды алюминия.

         Эти установки отличаются простотой устройства, высокой надёжностью, не высокими капитальными затратами и хорошими экономическими показателями. Недостатками их являются ограниченная производительность и сравнительно не высокая чистота получаемого кислорода, до 92%.

       Как же работает адсорбционная установка короткого цикла?

         В начале процесса атмосферный воздух подвергается фильтрации, затем, с помощью воздуходувки, сжимается до необходимого рабочего давления и подаётся в адсорбер, который представляет собой цилиндрический сосуд с овальными днищами и системой патрубков для подсоединения трубопроводов.

         В зоне подачи воздуха, на адсорбенте, выделяются вода и углекислый газ, затем воздушная смесь поступает в следующую рабочую зону аппарата, где адсорбируется азот, а оставшийся кислород, через патрубки, подаётся в буферную ёмкость. После завершения процесса адсорбции, адсорбер подвергается регенерации сбросом давления и откачкой его из аппарата. Адсорбированные вода, углекислый газ и азот удаляются вакуумным насосом, в направлении противоположном фазе адсорбции.

         Из буферной ёмкости установки, кислород непрерывно поступает в трубопровод подачи к объекту его потребления, а оставшийся газ, через глушитель сбрасывается в атмосферу. После проведения процесса десорбции, в адсорбере поднимают давление подачей кислорода из адсорбера в фазе адсорбции, кислород под давлением заполняет адсорбер, а далее, давление в нём поднимают подкачкой воздуха из атмосферы с помощью воздуходувки. Затем этот цикл повторяется, обеспечивая направленную подачу кислорода к объекту потребления.

         Установка выдаёт кислород с параметрами:

  • максимальное давление—2,5х105Па;
  • чистота кислорода—90-92%;
  • расход достигает 5000 нм3, с использованием диапазона от30 до100%.

         Адсорбционная установка проста по конструкции, быстро запускается в работу, управляется дистанционно, потребляет мало энергии и является альтернативой мембранному, криогенному и электрохимическому методам получения кислорода.