Производственное оборудование по выпуску кислорода

Содержание

Кислород представляет собой газ, который составляет не только значительную часть атмосферного воздуха, земной коры и питьевой воды, но и более чем 65% массы тела человека, тем самым представляя собой важнейший химический элемент в организме человека. В настоящий момент кислород является одним из наиболее широко используемых веществ благодаря своим химическим и физическим свойствам, нашедший применение практически во всех областях жизнедеятельности человека.

Для промышленного использования производство технического кислорода выполняется 2 методами:

  1. Разделением воздуха – мембранный, криогенный и адсорбционный методы;
  2. Из воды – методом электролиза.

Оборудование для производства кислорода представляет собой специальное устройство, предназначенное для производства кислорода методом отделения его от других компонентов воздуха. Осуществляется данная процедура различными методами, и в частности:

  • физическая адсорбция, короткоцикловая КЦА;
  • вакуумная, короткоцикловая ВКЦА;
  • криогенное и мембранное разделение.

Применение кислородных установок

Сегодня кислородные установки пользуются самым широким применением во множестве технологических процессов, практически во всех существующих отраслях современной промышленности, а также в медицине и в агросельскохозяйственном комплексе. Наиболее полезными в медицине и промышленности считаются его окислительные свойства, а также его способность поддерживать процесс горения в течение долгого времени. Тут следует вспомнить результаты исследований палеонтологов, которые обнаружили, что во времена Каменноугольного периода (Карбон) воздух содержал не 21% кислорода, а 81%!

Воздух мог взорваться на ровном месте, а от удара молнии выгорали площади, равные территории современной Канады! Наибольшим спросом кислородные установки пользуются в процессах металлообработки, и в частности – резки, сварки и пайки металла. В химической, нефтехимической и нефтегазовой отрасли кислород в больших объемах применяется в качестве окислителя необходимого для выполнения химических реакций.

Адсорбционная технология

Адсорбционная технология предусматривает, что в кислородных установках применяется явление селективной гетерогенной адсорбции кислорода из воздуха посредством твердого адсорбента. Данные кислородные установки характеризуются высоким уровнем надежности, простотой в устройстве и эксплуатации, а также высокими технико-экономическими показателями.

Влияние температуры и давления

В наши дни методы получения газообразного кислорода из воздуха посредством технологии адсорбции, доведены практически до совершенства. Функционирование инновационных кислородных установок основано на том, что адсорбентом газа напрямую зависит от уровня температуры и парциального давления компонента газа, тем самым предоставляя возможность, за счет изменения уровня температуры и давления, регулировать процессы поглощения газа и регенерацию адсорбента.

Технология короткоцикловой адсорбции КЦА

Оборудование для производства кислорода функционирует таким образом, что достаточно легко адсорбируемые составляющие газовой смеси поглощаются адсорбентом, в то время как их неадсорбируемые или слабо адсорбируемые аналоги проходят через специальную установку.

Применение кислородных установокНа сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются 3 метода организации безнагревного циклического процесса адсорбционного разделения воздуха:

  1. Вакуумные;
  2. Напорные;
  3. Смешанные.

Напорный метод получения кислорода предусматривает, что извлечение кислорода из воздуха будет осуществляться под давлением уровнем выше атмосферного, а непосредственно стадия регенерации адсорбента будет проходить при атмосферном давлении.

Вакуумный метод получения кислорода предусматривает, что извлечение кислорода будет осуществляться при атмосферном давлении, а регенерация адсорбента при отрицательном.

Смешанный метод получения кислорода предусматривает извлечение кислорода путем сочетания изменения уровня давления от положительного до отрицательного уровня.

Мембранная технология

Метод разделения газовых сред посредством мембранных кислородных установок заключается в разнице в скоростях проникновения различных компонентов газовой смеси через наполнитель мембраны. Процедура разделения определяется разницей в парциальных давлениях различных сторон мембраны.

Принцип работы мембранного картриджа

Инновационные газоразделительные мембраны, в отличие от старых аналогов, представляют собой уже не плоскую пластинку или пленку, а полое волокно. Для мембранного метода разделения газов применяют поволоконные мембраны, состоящие из пористого полимерного волокна с нанесением на внешнюю поверхность газоразделительного слоя. Визуально поволоконная мембрана изготавливается в виде картриджа цилиндрической формы, представляющего собой катушку, обмотанную специальным образом полимерным волокном. Само пористое волокно обладает сложной ассиметричной структурой и более высокой плотностью по мере сокращения расстояния до внешней поверхности волокна.

Использование пористых подложек с ассиметричной структурой обеспечивает разделения газов при высоком уровне давления, вплоть до 6,5МПа, с учетом того, что толщина газоразделительного слоя мембраны не превышает 0,1мкм, и тем самым обеспечивает высокий уровень проницаемости газов через полимерную мембрану. Существующий в современных реалиях уровень развития технологий обеспечивает изготовление полимерных материалов, обладающих высоким уровнем селективности во время осуществления разделения различных газов, тем самым обеспечивая высокий уровень чистоты газообразных продуктов.

Оборудование для производства кислорода включает в себя:

  • Специальный инновационный мембранный модуль;
  • Корпус каркасного типа;
  • Сменный мембранный картридж.

Следует отметить, что плотность укладки волокон в картридже составляет от 500 до 700м2 полимерного волокна на 1м3 картриджа, тем самым обеспечивая максимальную минимизацию габаритов инновационных кислородных установок.

Кислородная и вакуумная технологии

Высокий уровень проницаемости вещества мембраны по кислороду, значительно превосходящий уровень азота, требует специального конструкторского решения относительно проектирования мембранных кислородных комплексов. На сегодняшний день существуют 2 принципиально различных технологии производства кислорода посредством мембран:

  1. Компрессорная;
  2. Вакуумная.

Компрессорный метод предусматривает подачу воздуха под избыточным давлением в волоконное пространство с выходом кислорода из мембраны под небольшим уровнем избыточного давления, которое в случае необходимости может дожиматься специальным компрессором до необходимого уровня.

Вакуумный метод предусматривает, что для создания разности парциальных давлений в кислородной установке будет использоваться специальный вакуумный насос.

Преимущества мембранных и адсорбционных промышленных кислородных установок:

  • Возможность полной автоматизации оборудования;
  • Быстрый запуск и остановка оборудования;
  • Исключение необходимости контроля оператором за функционированием оборудования;
  • Высокий уровень чистоты получаемого кислорода;
  • Небольшие размеры и масса оборудования;
  • Увеличенный рабочий ресурс оборудования;
  • Отсутствие специальных технических требований к помещению, предназначенному для установки оборудования.

Недостатки мембранных и адсорбционных промышленных кислородных установок:

  • Ограниченный уровень производительности оборудования;
  • Сравнительно небольшой уровень чистоты получаемого кислорода, составляющий не более 50% для мембранных установок и 95% – для вакуумных установок.

Криогенная технология. Принцип разделения воздушных газов

В основе криогенной технологии разделения воздуха изначально заложена методика ректификации, происходящей при низких температурах.

Принцип разделения воздушных газовВ чем суть этой методики? Все компоненты воздуха (а их более тысячи) имеют совершенно различную температуру кипения. По составу они также сильно различаются, а временами бывают и противоположны, что не может не сказаться на равновесии жидких и паровых смесей. Таким образом, в процессе разделения воздуха посредством криогенных температур между находящимися в контакте компонентами (состоящими из газов воздуха), паровой и жидкой фазой осуществляется тепло– и массообмен. В результате этих процессов паровая фаза насыщается низкокипящим компонентом, имеющим более низкую температуру, а жидкая фаза – высококипящим компонентом. Вследствие чего поднимающийся по ректификационной колонке вверх пар, насыщается азотом, представляющим собой низкокипящий компонент, а стекающая по колонке вниз жидкость – кислородом.

Преимущества

На данный момент криогенный метод является самым эффективным в плане высокого коэффициента извлечения кислорода и обеспечения самого высокого уровня чистоты продуктов разделения. Необходимо учесть и то, что криогенный метод обеспечивает получение сразу нескольких продуктов разделения, как в газообразном, так и в жидком состоянии.

Недостатки

Основным недостатком криогенных кислородных установок является более длительный пусковой период, в отличие от вакуумных и мембранных аналогов. Это делает данное оборудование для производства кислорода рентабельным быстро окупаемым… в огромных, мощных концернах с постоянными инвесторами и крупным пакетом акций. Более мелким производствам такие установки принесут убыток и разорение.