Технология использования сжатых газов (стр. 27 )

Рисунок 9.5 – Схема установки для испытаний ПК и

ЦК СВД на азоте

Применяется азотирование в основном для легированных сталей, особенно хромоалюминиевых сплавов, а так же сталей, содержащих вольфрам и молибден. Азотируются так же титановые сплавы, но при 850-950ºС в среде чистого азота.

Способность к глубокому охлаждению обусловливает применение жидкого азота в различных холодильных установках, в машиностроении для сборки – разборки соединений с большим натягом, а так же в криотерапии в медицине.

Для технологических нужд азот получают на местных или централизованных азотных станциях.

Хранят азот в газгольдерах, емкостях, баллонах.

Транспортируют обычно в жидком состоянии, в сосудах Дюара с вакуумной теплоизоляцией. Окраска сосудов с азотом черная.

Контрольные вопросы к теме 9

1 Назовите основные, практически важные для техники свойства азота.

2 Назовите промышленные методы получения азота, их преимущества, недостатки, области применения.

3 В чем суть низкотемпературного метода разделения воздуха для получения азота?

4 В чем суть мембранной азотной установки, поясните ее работу.

5 Приведите схему мембранной азотной установки, поясните ее работу.

6 Какие требования к сжатию азота в компрессорах мембранных установок? Какие компрессоры отвечают этим требованиям.

7 Что значит «сухие» компрессоры? Каковы особенности их устройства?

8 Каковы применения свободного азота в народном хозяйстве?

9 Для чего применяют азот в технологии машиностроения?

10 Каковы особенности хранения, транспортировки и маркировки сосудов азота?

Список литературы

1. Атрощенко технологии связанного азота/ и др. –М.–Л.: Химия, 1968.

2. Справочник азотчика. –М.-Л.: Химия, 1969.– т. I и II.

3. Глизманенко кислорода/ – М.: Химия, 1972.–752с.

Тема 10 КИСЛОРОД И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

10.1 Общие сведения о кислороде

Роль кислорода в нашей жизни и производственной деятельности трудно переоценить. Без кислорода нет жизни. Главное его свойство – способность к окислению. Важнейшим окислительным процессом является горение. Еще древние китайцы, а в последствии Леонардо да Винчи (1452-1519) считали, что в воздухе содержится составная часть, которая расходуется при горении.

Кислород был открыт в начале XVIII в. голландским изобретателем К. Дреббелем, использовавшим его для своей подводной лодки, сохраняя глубокую тайну.

в 1756 г. доказал, что горение-окисление – это присоединение к веществу части из воздуха, а не из огненной материи, как считалось раньше. Французский химик дал элементу название и развил теорию горения и окисления. Чистый кислород был выделен шведом Н. Шееле в 1770 г. при нагревании селитры, азотно-кислого магния и др.

Кислород – самый распространенный элемент в природе по весу. Его содержание по массе составляет:

в воздухе 23%;

в воде 86%;

в земной коре 47%.

Главная масса кислорода содержится в связанном состоянии в основном в земной атмосфере.

10.2 Свойства кислорода

10.2.1 Физические свойства

Кислород - бесцветный газ, не имеет запаха и вкуса.

Атомный вес 16.

Температура сгущения (сжижения) -182,98оС при атмосферном давлении, образуется бледно-синяя жидкость.

Температура отвердения –218,7оС, образуются синие кристаллы.

Критическая температура –118,84 оС.

Критическое давление 49,71 атм.

Плотность газа (при 760 мм рт. ст.,0 оС) ρ=0,00143 г/см.

Плотность жидкого кислорода (-182,98 C) ρ=1,1321 г/см.

Плотность твердого кислорода (-252,5 C) ρ=1,4256 г/см.

Под действием ультрафиолетовых лучей распадается на атомы.

В тихом разряде образуется озон – О3.

Хорошие поглотители – благородные металлы и древесный уголь.

Кислород в любом агрегатном состоянии обладает магнитной восприимчивостью, т. е. его частицы притягиваются к магнитным полюсам.

Кислород хорошо растворим в органических растворителях (бензине, ацетоне, эфире).

10.2.2 Химические свойства

Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме благородных газов. Со всеми элементами кроме галогенов и благородных металлов реагирует непосредственно. Скорость реакции окисления зависит от природы окисляемого вещества, температуры и условий смешения. Чем выше температура, тем быстрее реакция окисления. Например, водород при комнатной температуре с кислородом практически не реагирует, а при t=700-800 оC смесь его с кислородом взрывается.

Ускорителями реакций являются катализаторы. Отличный катализатор – вода.

Горючие газы образуют с кислородом сильно взрывчатые смеси, а их пары способны окислятся при соприкосновении с чистым кислородом, а при определенных условиях самовоспламеняться со взрывом. При повышении давления и температуры опасность самовоспламенения и взрыва смесей горючих веществ с кислородом возрастает. Воспламенение в замкнутом пространстве пористых горючих веществ (угольная пыль, прессованный торф, шерсть) пропитанных жидким кислородом, сопровождается взрывом большой разрушительной силы.

10.3 Технология получения кислорода

Кислород можно получать: 1) химическими способами;
2) электролизом воды; 3) разделением воздуха методом глубокого охлаждения.

Промышленное получение кислорода осуществляется путем глубокого охлаждения, сжатия и ректификацией (разделением на составляющие) в специальных установках. Типичная установка представлена на рис. 10.1. В этих установках для подачи сжатого воздуха используются компрессоры.

Ректификация – процесс разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот, осуществляемый в специальных аппаратах – реакторных колоннах.

В нижней части колонны происходит предварительное разделение воздуха на обогащенный воздух, содержащий 40%О2 и на жидкий азот (97-98%), собирающийся в карманах конденсатора.

Обогащенный воздух подается в верхнюю часть колонны, где происходит окончательная ректификация с получением
99-99,5%О2 и 97-98%N2. Расход энергии на призводство1нм3 технического кислорода равен 0,65-1,5 кВтч.

Применяются установки с глубоким охлаждением для получения жидкого кислорода с использованием давления
180-200атм и дальнейшим расширением в поршневом детандере или воздуха низкого давления (6 атм) с расширением в турбодетандере (метод акад. ).

Рисунок 10.1 – Схема ректификационной установки получения жидкого кислорода

Цикл Капицы – холодильный цикл основанный на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (детандере) с совершением внешней работы. Схема установки, реализирующей такой цикл, представлена на рис. 10.2

Рисунок 10.2 – Схема цикла Капицы для получения

жидкого воздуха:

1 – турбокомпрессор; 2 – регенераторы; 3 – турбодетандер;

4 – конденсатор

Особенностями цикла являются:

- не высокое сжатие воздуха (до 0,6 – 0,7 МПа) в компрессоре;

- использование холода воздуха из конденсатора в регенеративном теплообменнике;

- расширение сжатого воздуха в турбодетандере;

Этот цикл разработан еще в 1930 г. и широко применяется в практике вследствие высокой энергоэффективности.

Из сжиженного воздуха методом ректификации получают кислород и азот.

Наряду с получением О2 и N2 в установках глубокого охлаждения получают также содержащиеся в воздухе газы: аргон, неон, криптон, ксенон.

Сегодня используются установки мощностью от 1000 до
20 000 м3/час кислорода. При этом в качестве теплообменных аппаратов используются регенераторы, это позволяет сжимать основное количество воздуха только до 4,5-5,5 атм, что снижает общий удельный расход на выработку газообразного кислорода до 0,45-0,55 кВтч.

Существует целая отрасль народного хозяйства - кислородная промышленность, производящая технический кислород как товарную продукцию, и технологический кислород (т. е. для собственных нужд, например, на сталелитейных заводах).

10.4 Машины для разделительных установок

В кислородном цеху используются компрессоры воздушные давлением сжатия 6–30атм – поршневые до
120 м3/мин или центробежные (свыше 120 м3/мин). Применяют комбинированную схему: до 6-8атм воздух сжимают центробежными компрессорами, а выше – поршневыми. Воздушные компрессоры обычного исполнения не требуют применения специальных материалов.

Для реализации холодильного цикла применяют расширительные машины – детандеры поршневые (ПД) и турбинные (ТД).

Поршневые детандеры – при степени расширения до 200 и производительности до 50 м3/мин.

Турбодетандеры - степень расширения до 30, производительность свыше 50 м3/мин.

Рассмотрим рабочий процесс расширения в поршневом детандере, который обратен процессу сжатия в поршневом компрессоре и происходит с выработкой полезной работы
(рис. 10.3).

.

Рисунок 10.3 - Рабочий процесс в поршневом детандере:

Е – впуск (начало);

ЕАБ – впуск полный ;

Б – точка закрытия впускного клапана;

БВГ – расширение;

В – открытие выпускного клапана;

ГД – выталкивание газа;

Д – выпускной клапан закрывается;

ДЕ – сжатие остатков газа

Клапаны открываются и закрываются принудительно от кулачкового механизма с пружинами.

КПД поршневого детандера – 70-80%.

Конструкция ПД во многом сходна с ПК: коленвал, шатуны, поршни, клапаны, система смазки.

Турбодетандеры имеют преимущества:

1) отсутствие трущихся элементов;

2) возможность полного расширения в рабочем колесе до заданного противодавления;