Разделение воздуха на азот и кислород

Разделение основано на различии температур кипения сжиженного азота (–196°С) и кислорода (–183°С). Если сжижать воздух, а затем дать ему испариться, то в газообразную фазу будет переходить более низкокипящий компонент (азот), и пары обогатятся им, а жидкость – кислородом.

Разделение воздуха на азот и кислород состоит из трех основных стадий: очистка и сушка, сжижение, ректификация воздуха.

При очистке и сушке воздух освобождают от пыли, водяных паров, диоксида углерода, чтобы исключить при сжижении образование льда.

Сжижение воздуха основано на способе, предусматривающем охлаждение газа при его адиабатном расширении с выполнением работы. В адиабатном, т.е. не имеющем теплообмена с окружающей средой состоянии, процесс расширения сопровождается уменьшением внутренней энергии системы и связанной с нею температуры.

Сжатие воздуха осуществляется в турбокомпрессоре с производительностью до 25 тыс. м³/г с давлением нагнетания более 0,7 МПа.

Ректификация воздуха с испарением азота из кипящего воздуха приводит к получению смеси, содержащей 93% азота и 7% кислорода. Практически полное разделение воздуха на эти компоненты реализуется двукратной ректификацией в двуполостном аппарате, выполненном из нержавеющей стали. Установка производит 15 тыс. м³/г азота чистотой 99,998% и 8 тыс. м³/г кислорода 95-процентной концентрации.

На воздухоразделительных установках можно получать инертные газы в соответствии с их температурами кипения при наличии дополнительных колонн для ректификации нужного газа.

Для удовлетворения нужд потребителей газообразного кислорода и азота воздухоразделительные установки строят ближе к потребителю и транспортируют газы по трубопроводам. Для нужд мелких потребителей в состав установки включают газонаполнительную станцию, на которой наполняют кислородные или азотные баллоны 40м³ под давлением до 20 МПа.

Длительное хранение кислорода и азота и их перевозки на значительные расстояния осуществляют в жидком виде, используя теплоизолированные стационарные или передвижные авто- и железнодорожные танки объемом до 30 м³.

Получение водорода и синтез аммиака

Синтез аммиака является одним из наиболее крупнотоннажных производств. Основную долю аммиака получают прямым синтезом из азота и водорода. Ресурсы атмосферного азота огромны и ведущий процесс его извлечения из воздуха четко определился. Производство аммиака регламентируется технологией получения водорода.

Ведущим способом производства водорода стал способ конверсии углеводородных газов, прежде всего, природного. Для получения из метана водорода в качестве окислителя используют водяной пар и кислород, реализуя две основные реакции

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ – 206,4 кДж;

CH₄ + 0,5O₂ = CO + 2H₂ + 35,6 кДж.

В промышленности используют схемы конверсии природного газа при обычном и повышенном давлении. В настоящее время широкое распространение получил способ двухступенчатой паровой и паровоздушной конверсии. Состав конверсионного газа на выходе из второй стадии, %: 61,7 Н₂; 0,5 СО; 17,4 СО₂; 20,1 N₂; 0,3 СН₄. Конвертированный газ подвергают тщательной очистке от СО, СО_2,СН₄, Аr, водяных паров.

Образование аммиака осуществляется по реакции, которая реализуется в колоннах синтеза аммиака при давлении 32 МПа, температуре 450–520°С.

3Н₂ + N₂ = 2NH₃ + 111,6 кДж.

Перевозят аммиак в железнодорожных цистернах емкостью до 90 т или автотранспортом в цистернах до 3 т. Жидкий аммиак можно транспортировать по трубопроводам при температуре более 0°С и давлении нагнетания 8,2 МПа. Например, трубопровод Тольятти–Одесса протяженностью 2195 км пропускает 2,7 млн. т жидкого аммиака в год.

Утилизация отходов

Ежегодное количество опасных химических отходов, образующихся в мире, оценивается в 340 млн. т. Значительную их долю составляют производства основной химии. Наиболее крупнотоннажные отходы – пиритные огарки и фосфогипс.

Пиритные огарки – побочные продукты обжига серного колчедана (пирита) при получении серной кислоты. На 1 т последней их выход составляет около 2 т. Пиритные огарки нашли широкое применение в производстве портландцемента в качестве железосодержащей добавки, составляющей 3–5% цементной сырьевой смеси. Использование пиритных огарков в цементной промышленности нерационально из-за безвозвратной потери находящихся в них цветных металлов: меди и цинка.

За рубежом пиритные огарки применяют для выплавки чугуна, которой предшествуют различные формы обжига пиритных огарков, позволяющие очищать их от цветных металлов и переводить их в товарные продукты.

Пиритные огарки используют как медное микроудобрение. Они также находят спрос при производстве красок – сурика (свинцовых белил) и мумие (красного пигмента на основе оксида железа).

Более крупнотоннажными являются отходы фосфогипса, образующегося при производстве экстракционной фосфорной кислоты. При ее получении на 1т Р₂О₅ образуется 4,5 т фосфогипса. В отвалах России заскладировано около 140 млн. т шлама фосфогипса, который используется на 10%. При направлении фосфогипса на производство гипсовых вяжущих его подвергают промывке водой, флотации или другим способом очистки.

Вопросы для самопроверки

1 Приведите примеры использования продукции отраслей основной химии в различных областях народного хозяйства.

2 Какие неорганические кислоты производятся в наибольших количествах и укажите способы их получения?

3 Назовите основные типы минеральных удобрений.

4 Укажите основные способы и технологии получения минеральных удобрений.

5 Перечислите основные методы переработки природных фосфатов в удобрения.

6 Перечислите виды азотных удобрений и способы их получения.

7 В чем заключаются преимущества комплексных удобрений и микроудобрений перед простыми?

8 Какова роль отдельных газов (воздух, кислород, азот, водород) в технологических процессах?

9 Раскройте сущность трех основных стадий разделения воздуха на азот и кислород.

10 Как осуществляется синтез аммиака?

11 Укажите основные варианты утилизации отходов производств основной химии.