Состав воздуха, продукты его разделения и их использование
Общие сведения
Состав воздуха, продукты его разделения и их использование
Состав атмосферного воздуха не постоянен. Содержание компонентов зависит от географической широты, высоты над поверхностью, солнечной активности и других факторов. Существенно неодинакова загрязненность воздушного бассейна, где содержание примесей может меняться в течение суток, например, под влиянием метеорологических условий.
Усредненный состав сухого атмосферного воздуха у поверхности земли приведен в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Усредненный состав атмосферного воздуха
| Газ | Молекулярная масса | Объемное содержание в воздухе, % | Массовое содержание, % | Нормальная температура кипения, К |
| Азот N2 | 28,016 | 78,09 | 75,52 | 77,36 |
| Кислород O2 | 32,00 | 20,95 | 23,15 | 90,19 |
| Аргон Ar | 39,944 | 0,93 | 1,28 | 87,29 |
| Диоксид углерода CO2 | 44.01 | 0,03 | 0,05 | 194,6 |
| Неон Ne | 20,183 | 1,8×10-3 | 1,25×10-3 | 27,0 |
| Гелий He | 4,003 | 5,24×10-4 | 0,72×10-4 | 4,22 |
| Криптон Kr | 83,8 | 1×14-4 | 3,3×10-4 | 119,0 |
| Водород H2 | 2,016 | 5×10-5 | 0,035×10-4 | 20,4 |
| Закись азота N2O | 44,016 | 5×10-5 | 8×10-5 | 184,60 |
| Ксенон Xe | 131,3 | 8×10-5 | 3,6×10-5 | 165,0 |
| Озон O3 | 48,00 | 1×10-6 | 1,5×10-6 | 161,25 |
| Радон Rn | 6×10-18 | 4,5×10-17 | 211,35 |
Кроме того, в зависимости от производственной деятельности в регионе, в воздухе содержится незначительное количество метана, ацетилена и других высокомолекулярных углеводородов.
Содержание в воздухе водяных паров зависит от температуры и относительной влажности j. Значение относительной влажности обычно усредняется для определенного региона. Для средней полосы России j=0,7-0,8.
В табл. 1.2. приведено насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от его температуры при нормальном атмосферном давлении.
При сжатии воздуха содержание влаги в нем при полном насыщении уменьшается.
Таблица 1.2. Насыщающее влагосодержание воздуха в зависимости от температуры при атмосферном давлении
| Температура воздуха, °С | Влагосодержание, г/кг | Температура воздуха, °С | Влагосодержание, г/кг | Температура воздуха, °С | Влагосодержание, г/кг | Температура воздуха, °С | Влагосодержание, г/кг |
| 25,40 | 3,73 | -30 | 0,229 | -60 | 0,00695 | ||
| 19,07 | -5 | 1,7 | -35 | 0,133 | -65 | 0,00286 | |
| 14,17 | -10 | 1,59 | -40 | 0,077 | -70 | 0,00163 | |
| 10,35 | -15 | 1,01 | -45 | 0,043 | -75 | 0,00073 | |
| 7,48 | -20 | 0,63 | -50 | 0,024 | -80 | 0,00032 | |
| 5,313 | -25 | 0,39 | -55 | 0,013 | -90 | 0,000082 |
Основными продуктами разделения предварительно осушенного воздуха в современных воздухоразделительных установках (ВРУ) являются следующие так называемые промышленные газы:
кислород технический – 99,2-99,7 % (1-й сорт – 99,7; 2-й сорт – 99,5; 3-й сорт – 99,2 %) и технологический – 92-98 % (в среднем – 95 %, остальное азот);
азот особой чистоты – не менее 99,996 %, высшего сорта – 99,994; 1-го сорта – 99,5; 2-го сорта – 99 и 3-го сорта – 97 %;
аргон высшего сорта – 99,993 и 1-го сорта – 99,987 %; сырой аргон – 86-90 %, содержащий до 4 % О2 и до 10 % N2; технический – 86-87 % с примесью 12-14 % азота;
первичный криптоноксеноновый концентрат с объемной долей криптона и ксенона до 0,2 %;
неоногелиевая смесь с объемной долей неона и гелия от 40 % и выше.
В дальнейшем сырой аргон и криптоноксеноновый концентрат подвергаются очистке и дополнительной ректификации.
Применение основных продуктов разделения воздуха – кислорода и азота, является одним из важных направлений технического прогресса в ряде отраслей промышленного производства. Это черная и цветная металлургия, химическая, нефтехимическая и пищевая промышленность, энергетика, медицина, машиностроение и пр. Использование этих продуктов позволяет интенсифицировать технологические процессы в этих отраслях. Это способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества, снижению себестоимости.
По данным США использование кислорода в различных отраслях промышленности распределяется приблизительно следующим образом (в % от общего производства кислорода):
черная и цветная металлургия 60;
химическая промышленность 25;
ракетная техника и энергетика 10;
нефтепереработка 3;
прочие отрасли 2 %.
В течение последних 25 лет ежегодный прирост производства кислорода составляет 12-15 %.
Примерные удельные расходы кислорода на единицу продукции составляют:
в доменном производстве – 100-150 м3 на 1 т чугуна;
при конверторной выплавке стали – 55-60 м3/т кислорода 1-го и 2-го сорта;
в электроплавильном производстве – 15-20 м3/т, кислорода того же качества;
в производстве азотной кислоты – 155 м3/т, кислорода 1-3 сортов.
При аэрации и осветлении сточных вод воздухом, обогащенным кислородом, в зависимости от степени их загрязнения расходуется от 2 до 24 м3/м3.
С каждым годом все большее применение находит азот. В химической промышленности на производство аммиака, этилена, пропилена, азотных удобрений расходуется до 1000 м3 азота на каждую тонну продукта.
Особое развитие нашла так называемая "азотная технология". Она стремительно расширяет области своего внедрения:
в машиностроении, например, это азотирование поверхностей деталей, что обеспечивает повышение прочности и износостойкости. Закалка инструмента в жидком азоте повышает его стойкость до 90 раз. Значительно надежнее и прочнее становятся неразъемные соединения, полученные с помощью жидкого азота, например, запрессовка бандажей, втулок и пр.;
в пищевой промышленности – азот наилучший охладитель и консервант продуктов питания;
в легкой промышленности – обработка кож, различного сырья. Замораживание жидким азотом тканей позволяет роботизировать и автоматизировать процессы раскроя и пошива одежды;
в медицине – безболезненные и быстрые операции на коже, глазах. Консервация органов пересадки, крови и др.
Жидкий азот является важнейшим хладоносителем для предварительного охлаждения газов в криогенных установках. С его помощью получают жидкий водород, гелий и др. редкие газы. На него возлагают большие надежды энергетики – разработчики высокотемпературной сверхпроводимости.
Аргон применяют как защитную среду для расплавленных металлов от окисления при плавке, разливе и электросварке нержавеющих сталей, титана, магния, алюминия. При плазменно-дуговой резке легированных сталей, сплавов алюминия, меди. При получении чистых металлов – титана, циркония, ниобия, молибдена и др.
Широко используется аргон в электроламповой промышленности для заполнения ламп накаливания и газоразрядных ламп. Лампы накаливания с аргоном имеют повышенные срок службы и светоотдачу. Аргон препятствует диффузии вольфрама, помутнению колб, уменьшают тепловые потери, так как позволяют повысить температуру нити накаливания.
В полупроводниковой промышленности аргон используется как защитная среда при производстве монокристаллов титана, бария, кремния и др. полупроводниковых материалов.
Сжижаются не только воздух и его компоненты. На практике широко применяются многие газы в сжиженном и твердом виде, например, CO2, CH4, H2, F2, и др. Некоторые из них применяются как хладагенты, другие как горючее и окислители. В ряде случаев сжижение ведется с целью перевоза и хранения.
Процессы сжижения газов довольно энергоемки. Например: для получения 1 т сухого льда (СО2) затрачивается 125-150 кВт×ч электроэнергии;
1 т жидкого кислорода (О2) – 1200-1500 кВт×ч;
1т жидкого водорода (Н2) – 60000-80000 кВт×ч.
Эксергетический КПД процессов сжижения, реализуемых в технических установках не превышает 20-25 %, а часто 10-15 %.