Сжатый воздух

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Свойства сжатого воздуха

Воздух наиболее распространенный газ в природе. Воздух имеет множество применений в промышленности, транспорте, системах жизнеобеспечения и т.д. Воздух используется при различных давлениях: от разрежения (системы пневмотранспорта) до небольшого избыточного давления (вентиляция, кондиционирование, дутьё), среднего давления (пневмосистемы промышленных предприятий) и высокого давления (химия, двигатели внутреннего сгорания).

1.1 Общие сведения о сведения о сжатом воздухе

Атмосферный воздух - это естественная смесь газов, составляющая земную атмосферу. Воздух является источником кислорода, необходимого для существования живых организмов. Сжиганием топлив в среде воздуха человечество получает необходимое для жизни и производственной деятельности тепло. Воздух - важнейший и неисчерпаемый источник химического сырья.

Стандартный состав: N - 78%;O - 20,9%;Ar - 0,9%;CO₂ - 0,03%. Воздух не только в атмосфере, но и проникает в почву, составляет от 10 до 30% её объема, растворен в водах Мирового океана, рек и озер.

В индустриальных зонах, в крупных городах, вблизи предприятий металлургической и химической промышленности состав воздуха может включать углекислый газ и другие газообразные выбросы и примеси.

1.2 Историческая справка (происхождение названия, хто, где, и когда изобрел)

Учёные древности считали воздух одним из элементов, из к-рых состоит всё существующее. Анаксимен из Милета (6 в. до н. э.) наз. воздух "первоматерией", а Эмпедокл (5 в. до н. э.) и Аристотель (4 в. до н.э.) - одним из четырёх элементов - стихий (наряду с огнём, водой и землёй), в к-рых заключены все присущие материи свойства. Представление о воздухе как о самостоят, индивидуальном веществе господствовало в науке до кон. 18 в. В 1775-77 франц. химик А. Лавуазье показал, что в состав воздуха входят открытые незадолго до того хим. элементы азот и кислород. В 1894 англ, учёные Дж. Рэлей и У. Рамзай обнаружили в В. ещё один элемент - аргон, затем в В. были открыты и др. инертные газы.

Большую роль в истории науки сыграло изучение физ. свойств воздуха Итал. учёный Г. Галилей (1632) нашёл, что В. в 400 раз легче воды. Итал. учёные В. Вивиани и Э. Торричелли (1643) открыли существование атм. давления и изобрели для его измерения барометр. Франц. учёный Б. Паскаль обнаружил уменьшение атм. давления с высотой. Изучая соотношение между давлением и объёмом В., Р. Бойль и Р. Тоунлей (1662) в Англии и Э. Мариотт (1676) во Франции открыли закон, назв. их именами (см. Бойля-Мариотта закон);, в дальнейшем, с развитием науки были установлены и др. газовые законы (см. Газы). Долгое время воздух и его гл. компоненты не удавалось превратить в жидкость, и потому их считали "постоянными" газами. Неудача попыток сжижения воздуха была объяснена лишь после того, как Д.И. Менделеев (1860) установил понятие критич. темп-ры и давления. В 1877, используя охлаждение воздуха до темп-ры ниже критической (ок. -140°С) под высоким давлением, Л.П. Кальете (Париж) и Р. Пикте (Женева) удалось превратить В. в жидкость. В 1895 нем. инженер К. Линде сконструировал и построил первую пром. установку для сжижения воздуха.

Воздух является тонкой границей между материальным (физическим) миром и духовным (астральным) миром. Именно поэтому воздух является символом невидимого, но ощущаемого, символом мыслей и духовного развития, логики и разума. Это символ перемен, но не просто перемен идущих своим чередом, а перемен требующих приложения усилий для их осуществления, иногда даже борьбы. Стихия воздуха чиста и беспорядочна, отвечает за путешествия, знания, свободу, открытия, раскрытие лжи и обретение новых психических способностей.

Ницше писал о воздухе, что это наивысшая и самая тонкая из материй. Из воздуха соткана свобода человека. Поэтому символ воздуха в первую очередь это символ свободы. Это свобода, для которой нет никаких преград, ведь воздух нельзя ограничить, нельзя поймать и придать ему форму. Это символ не только физической, но и духовной свободы, свободы мысли. Поэтому присутствие символов воздуха на какой либо поверхности говорит о легкости мышления, свободе и непредсказуемости.

Различные символы воздуха.(рис.1)

Первый символ - общепринятое изображение стихии воздух. Второе - алхимический символ. Третье изображение - триграмма воздуха в Книге Перемен.

Воздух в мифологии:

В Индии ветер - одна из стихий, именуемая Ватой, а ведь ветер - это перемещение воздуха. Троицу главных богов в Индии составляют: Агни (огонь) - местом обитания которого является земля, Индра - местом обитания которого является воздух (Вайя), Сурья - солнце, обитающее в воздухе. Властитель воздуха Индра - бог грозы и воздушных замков.

Во многих цивилизациях были боги и святые, управлявшие ветрами. Они изображаются с крыльями - знаком причастности к стихии воздуха. Египетская богиня Исида, когда она искала тело Осириса, была изображена с атрибутами воздушного змея, которые нужны были ей, чтобы вернуть ему дыхание жизни. Капризную природу элемента воздуха, сходную с причудливой игрой воображения, символизирует крылатый Пегас, возникший из крови обезглавленной Персеем медузы. Приручение Пегаса Беллерофонтом означает управление элементами природы и воображения. Воздух содержит в себе основные первопринципы и начала жизни: ассоциируется с дыханием и связанной с ним речью. Символом воздуха и ветра является так же и дракон, рассекающий крыльями небо. Из животного мира к этому символу также относятся орлы, вороны и реже другие птицы. Лошадь, не имея крыльев, так же является символом ветра, а значит и воздуха. Возможно, это пошло еще со времен Пегаса, крылья были утеряны, но сама суть лошади, как ветра животного мира осталась. Так же не могу упомянуть и такое милое животное, как гепард. Известно, что на языке многих аборигенов его название в переводе означает «ветер». Еще одно животное, связанное с воздухом - это хамелеон, по словам Плиния «он не ест, не пьет, но живет воздухом».

1.3 Химическая формула, место в таблице Менделеева, молекулярная масса

В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах. В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).

Газ	Содержание по объёму, %	Содержание по массе, %
Азот	78,084	75,50
Кислород	20,946	23,10
Аргон	0,932	1,286
Вода	0,5-4	--
Углекислый газ	0,0387	0,059
Неон	1,818?10?3	1,3?10?3
Гелий	4,6?10?4	7,2?10?5
Метан	1,7?10?4	--
Криптон	1,14?10?4	2,9?10?4
Водород	5?10?5	7,6?10?5
Ксенон	8,7?10?6	--
Закись азота	5?10?5	7,7?10?5

Состав сухого воздуха (рис1).Табл1.

Кроме указанных в таблице[1] газов, в атмосфере содержатся SO2, NH3, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Состав воздуха может меняться: в крупных городах содержание углекислого газа будет выше, чем в лесах; в горах пониженное содержание кислорода, в следствие того, что кислород тяжелее азота, и поэтому его плотность с высотой уменьшается быстрее. В различных частях земли состав воздуха может варьироваться в пределах 1-3 % для каждого газа. Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м? воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C -- уже 10 граммов.

2. Физические и химические свойства воздуха

Параметр	Значение
Средняя относительная молярная масса	28,98 г/моль
Плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении	(101325 Па)
Средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении cp	1,006 кДж/(кг·К)
Средняя удельная теплоемкость при постоянном объеме cv	0,717 кДж/(кг·К)
Показатель адиабаты	1,40
Скорость звука (при н.у.)	331 м/с (1193 км/ч)[2]
Средний коэффициент теплового расширения в интервале температур 0--100 °C	3,67?10?3 1/К
Коэффициент динамической вязкости воздуха (при н.у.)	17,2 мкПа·с
Растворимость воздуха в воде	29,18 см3/л
Коэффициент теплопроводности воздуха при нормальном атмосферном давлении	(101325 Па)
Показатель преломления (при нормальных условиях)	1,0002926
Коэффициент изменения показателя преломления	2,8?10?9 1/Pa
Средняя поляризуемость молекулы	2?10?30
Константа Сатерленда Sat	171?10?7

Физические свойства сжатого воздуха.(табл.2)

2.1 Цвет, запах, вредные свойства, их возникновение

Воздух это бесцветный газ, без вкуса и запаха.

Воздействие на человека:

При понижении давления до 140 мм Нg появляются признаки кислородного голодания, а при 110 мм Нg - гипоксия, до 50 - 60мм - уже опасно для жизни.

Увеличение парциального давления N₂ в воздухе вызывает наркотические действия. Высокая концентрация СО₂ вызывает асфиксию, а при 14 - 15% его наступает смерть. В жилых помещениях содержание углекислого газа не должно быть выше 0,1%.

Оптимальная относительная влажность 40 - 60%.

Воздействие на человека:

При понижении давления до 140 мм Нg появляются признаки кислородного голодания, а при 110 мм Нg - гипоксия, до 50 - 60мм - уже опасно для жизни.

Увеличение парциального давления N₂ в воздухе вызывает наркотические действия.

Высокая концентрация СО₂ вызывает асфиксию, а при 14 - 15% его наступает смерть. В жилых помещениях содержание углекислого газа не должно быть выше 0,1%.

Оптимальная относительная влажность 40 - 60%.

2.2 Параметры фазовых переходов газ-жидкость-твердое тело

сжатый воздух физические свойства

Долгое время не удавалось сжижать воздух. Лишь после того, как Менделеев установил понятие критической температуры и давления, в 1887г. Нальете (Париж) удалось превратить воздух в жидкость. А в 1985г. немец Линде построил установку для сжижения.

При t=0?С и p=0,1 МПа (1атм или 760 мм рт. ст.) плотность воздуха 1,292 г/л.

Критическая температура - 140,7?С, критическое давление - 3,72 МПа.

Скорость звука в воздухе около 330 м/с.

Жидкий воздух - голубая жидкость с плотностью 0,96 г/см? (t =-192?C и р = 0,1 МПа). Свободно испаряется при температуре t =-190?C, при этом состав его изменяется, т.к. N₂ и Ar улетучиваются быстрее кислорода. Это свойство используется для получения чистых О₂, N₂, Ar.

Атмосферный воздух - смесь газов, не вступающих в реакцию при обычных условиях. В основном это азот и кислород. Поэтому все свойства, характерные для кислорода и азота, присущи и воздуху.

Азот - это газ, близкий по своему воздействию к нейтральным газам, и не требует применения каких-то защитных мер или специальных материалов для объектов, контактирующих с ним. Однако он оказывает неблагоприятное воздействие на человека, длительно пребывающего в среде с повышенным содержанием азота.

Кислород, наоборот, активный окислитель. Поэтому конструкция машин и аппаратов для этого газа должна учитывать корозийность, особенно влажного воздуха, возможность возгорания горючих материалов в среде воздуха, возможность самовоспламенения и взрыва в газовых коммуникациях при наличии отложений нагара, паров или капель масла (свыше 100 атм.).

Воздух растворяется в смазочных маслах, способствует их преждевременному окислению, коксованию, понижению температуры вспышки.

Очень важной характеристикой воздуха для его технического применения является влажность, т.е. содержание в нем паров и капель воды. Атмосферный воздух всегда влажный. Почему?

Влагооборот на Земле - непрерывный процесс перемещения воды в оболочке Земли, сопровождающийся ее фазовыми преобразованиями. При этом происходят следующие процессы: главным образом испарение, перенос водяного пара, конденсация образования облаков; выпадение осадков, инфильтрация в грунт, стоки.



Рисунок 2. Влагооборот на Земле

Вода испаряется с поверхности водоемов, почвы, растительности и поступает в атмосферу в виде пара, где он путем турбулентной диффузии распространяется вверх, а затем воздушными течениями разносится в различные места на планете. Воздух всегда влажный в той или иной мере.

При понижении температуры влажного воздуха водяной пар конденсируется, переходя в жидкое или твердое состояние, образуются облака и туманы. Осадки выпадают, круговорот воды продолжается.

Общее количество воды на Земле постоянно, среднее влагосодержание атмосферы также постоянно, т.е. осадки равны испарениям в целом, но по областям по разному, в зависимости от атмосферных условий. Содержание водяного пара в воздухе в среднем равно 0,2% по объему, а в тропиках достигает 2,5 %. На каждый 1 м² поверхности Земли приходится около 28,5 кг водяного пара.

Точка росы - температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы достичь состояния насыщения водяным паром при данном влагосодержании и неизменном давлении. При этом в объеме воздуха или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка росы - одна из характеристик влажного воздуха.

Если относительная влажность меньше 100 %, то точка росы всегда ниже фактической температуры воздуха, и тем ниже, чем меньше относительная влажность.

При насыщении, т.е. когда =100 %, фактическая температура совпадает с точкой росы.

Для t_атм =15^оС:

, %	100	80	60	40
tт.р, 0С	15	11,6	7,3	1,5

Практически всегда воздух в той или иной мере содержит влагу в виде равномерно распределенных по объему частичек жидкости различных размеров. Жидкость в газах может быть в виде капельной влаги, аэрозоли, тумана, паров, крупных молекул (рис.2).

Рисунок 3 - Классификация влагосодержания в газах в зависимости от размеров частиц жидкости в

Количество влаги, присутствующей в воздухе, характеризуется следующими величинами:

- влагосодержанием - масса влаги в граммах, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха: d = m_в.п/m_с.в, г/кг;

- абсолютной влажностью _абс - масса водяного пара, содержащаяся в 1м³ влажного воздуха, г/м³;

- относительной влажностью - отношение действительного количества влаги в воздухе к максимально возможному при данных параметрах (давлении, температуре), выраженное в процентах.

В каждый момент времени при данной температуре в воздухе содержится определенное количество влаги. Избыток влаги выпадает из воздуха в виде росы независимо от величины давления воздуха. Значения абсолютной влажности насыщенного атмосферного воздуха _абсs для различных температур приведены в таблице 4.1.

Таблица 3

Абсолютная влажность насыщенного атмосферного воздуха при =100% (для определения температуры точки росы)

t, 0С	абс s, г/м3	t, 0С	абс s, г/м3	t, 0С	абс s, г/м3	t, 0С	абс s, г/м3
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10	0,105 0,177 0,292 0,473 0,699 1,114 1,597 2,391	-5 0 5 10 15 20 25 30	3,479 4,903 7,020 9,731 13,252 17,3 23,0 30,0	35 40 45 50 55 60 65 70	39,0 51 65 83 104 130 161 198	75 80 85 90 95 100 - -	242 293 353 423 504 597 - -

Например, если температура всасываемого воздуха 30°С при относительной влажности =80%, то абсолютная влажность воздуха равна

_абс = _{абс s} = 30,0 0,8 = 24 г/м³.

Влагосодержание воздуха определяется с учетом плотности воздуха:

d = _абс/ = 24/1,127 = 21,29 г/кг.

Параметры сжатого влажного воздуха: влагосодержание и объем, определяют в зависимости от температуры и давления по психометрическим таблицам, графикам или измеряют специальными приборами.

При сжатии воздуха происходит уменьшение его объема, и влагосодержание его повышается. На рис. 4.3 приведены диаграммы для определения влагосодержания сжатого воздуха в состоянии насыщения ( =100%) при различных давлениях. Если, например, винтовой компрессор всасывает атмосферный воздух при =80% и сжимает его до 8 кгс/см² и 80 °С, то влагосодержание насыщенного сжатого воздуха из диаграммы на рис. 4.3 равно d_s = 40 г/кг, а истинное влагосодержание его равно d = d_s = 40 0,8 = 32 г/кг.

Рисунок 4. Зависимость влагосодержания сжатого воздуха от температуры и давления при =100%

2.5 Влияние на свойства магнитного поля, ультрафиолетового излучения, электричесого разряда, и т.д.

Законы прохождения электрич. тока через газы значительно сложнее, чем через металлы и электролиты; лишь в редких случаях они подчиняются закону Ома. Их электрич. свойства описывают вольт-амперной характеристикой (BAX). Если в стеклянную трубку, наполненную к--л. газом, ввести два электрода, подключённые к источнику пост, напряжения, то даже при небольшом напряжении (V<100 В) сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание очень слабого тока ~10-15 А. Ток создаётся "вытягиванием" полем на электроды зарядов, образующихся под действием космич. лучей и естеств. радиоактивности. Если облучать газ рентг. или радиоакт. источником, ток повысится до 10-6 А. При повышении напряжения ток сначала возрастает, затем достигает насыщения (чему соответствует полное вытягивание всех зарядов, образуемых внеш. источником)-участок AB на рис. 5.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика газовых разрядов: AB- несамостоятельный разряд; BC-тёмный таунсендовский; DE- нормальный тлеющий; EF-аномальный тлеющий; FG-переход в дугу; GH-дуговой;-нагрузочная прямая.

Магнитное поле обладает способностью проникать через многие вещества -- воздух, стекло, бумагу, картон, медь, воду, а также через разреженное (безвоздушное) пространство. При прохождении магнитного поля в воздухе, возникает его ионизация, с последующим газовым разрядом.

Воздух является проводником ультрафиолетового излучения, проходя через верхние слои атмосферы, ультрафиолет частично задерживается в озоновом слое, 95% его доходит до земли, и оказывает положительное действие на живые организмы.

3. Распространение газа в природе

Атмосфера есть у всех массивных тел -- планет земного типа, газовых гигантов. Атмосфера Венеры и Марса в основном состоят из двуокиси углерода с небольшими добавлениями азота, аргона, кислорода и других газов. Земная атмосфера в большой степени является продуктом живущих в ней организмов. Приблизительный состав атмосферы Земли: 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, изменяющееся количество водяного пара (в среднем около 1 %), 0,93 % аргона, 0,038 % двуокиси углерода, и небольшое количество водорода, гелия, других благородных газов и загрязнителей.

Низкотемпературные газовые гиганты -- Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун -- могут удерживать в основном газы с низкой молекулярной массой -- водород и гелий. Высокотемпературные газовые гиганты, такие как Осирис или 51 Пегаса b, наоборот, не могут её удержать и молекулы их атмосферы рассеиваются в пространстве. Этот процесс протекает медленно, постоянно.

Начальный состав атмосферы планеты обычно зависит от химических и температурных свойств солнца в период формирования планет и последующего выхода внешних газов. Затем состав газовой оболочки эволюционирует под действием различных факторов.

Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода потребляемый растениями, водорослями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая её обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения.

4. Технологии получения и использования газа. Развитие технологий применения сжатого воздуха

Ещё 3000 лет назад дутьё воздуха мехами применялось для выплавки металлов и вентиляции шахт (есть др. египетские рисунки).

Герон Александрийский ввел понятие «пневматика» - использование сжатого воздуха.

В средние века начали применять привод мехов от водяного колеса.

В средине XVIII века изобретена паровая машина и сходный с ней поршневой компрессор, создавший давление до 0,2 МПа (2 атм).

В 1741г. Гелье построил примитивный вентилятор с вращающимися на оси лопатками - воздуходувку.

Затем появились пневмопочта, водолазный костюм, кессоны.

В начале XIX в. уже могли сжимать воздух до давления 0,5 - 0,6 МПа, и начали передавать его на расстоянии. Началось широкое применение сжатого воздуха в различных технических устройствах.

В 1845г. изобретена пневмомашина, а в 1872 г. - пневмотормоз.

В 1857г. появился пневмоинструмент - бурильный молоток - для прокладки тоннеля в Альпах.

Вскоре появились первые КС - в Париже N=1470 кВт, p = 0,6 МПа, протяженностью сети до 48 км - обеспечения для фабрик и заводов. Позже довели мощность до 18500 кВт - с паровым приводом.

Далее - пневмотранспорт, пневмопривод, воздухоразделительные установки и др.

Назначение сжатого воздуха.

Сегодня ни одно промышленное предприятие не может обойтись без применения сжатого воздуха, который является доступным и дешевым источником как сырьевым, так и энергетическим. Особенно широко сжатый воздух используется в промышленности и строительстве. Источниками сжатого воздуха служат как небольшие мобильные установки, так и крупные стационарные компрессорные станции, связанные с потребителями через сеть воздухопроводов, что в совокупности образует систему воздухоснабжения промышленного предприятия.

Системы воздухоснабжения предназначены для выработки сжатого воздуха требуемых параметров и бесперебойного обеспечения им технологических нужд предприятия.

В зависимости от профиля предприятия, производства сжатый воздух сегодня используется для:

- осуществления основных технологических процессов (как компонент химической технологии, например, для получения кислорода и азота, для дутья в металлургии и т.п.);

- энергетического применения, связанного с использованием воздуха как окислителя при сжигании различных топлив или как теплоносителя для нагрева или охлаждения газов и жидкостей;

- как рабочее тело в двигателях ДВС, ГТУ;

- обеспечения работы пневмоинструмента и пневмоприводов, питания машин литейных и кузнечных производств, строительных машин и механизмов, выполнения обдувных, пескоструйных, покрасочных и других работ на производственных предприятиях различного профиля деятельности;

- обеспечение работы технологических комплексов и устройств (конвейеров, систем пневмотранспорта, буровых станков и т.п.);

- обеспечения работы пневматических систем, систем КИП и А и многое другое в технике.

Заметим, что на некоторых производствах, например на химических комбинатах, сжатый воздух для основных технологических процессов имеет параметры, отличные от параметров системы воздухоснабжения, и вырабатывается специальными компрессорами, входящими в состав оборудования технологических линий.

Получение и производство промышленных газов.

В настоящее время основным способом получения атмосферных промышленных газов - кислорода, азота, аргона является разделение воздуха. Различают три способа разделения воздуха - криогенный, адсорбционный и мембранный.

Криогенное разделение воздуха:

Атмосферный осушенный воздух представляет собой смесь, содержащую по объему кислород 21 % и азот 78 %, аргон 0,9% и другие инертные газы, углекислый газ, водяной пар и пр. Для получения технически чистых атмосферных газов воздух подвергают глубокому охлаждению и сжижают (температура кипения жидкого воздуха при атмосферном давлении -194,5° С.) Процесс выглядит так: воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, проходит влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат - декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубопроводы и приходится останавливать установку для оттаивания и продувки.

Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый детандер, где происходит резкое расширение и соответственно его охлаждение и сжижение. Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород, азот и аргон нужной чистоты. Возможность успешной ректификации основывается на довольно значительной разности (около 13°) температур кипения жидких азота (-196° С) и кислорода (-183° С). Несколько сложнее отделить аргон от кислорода (-185° С). Далее разделенные газы отводятся для накопления в специальные криогенные емкости, из которых поступают для собственного использования либо на продажу.

Криогенный способ разделения воздуха: позволяет получить газы самого высокого качества - кислород до 99.9%, аргон и азот до 99, 9995%. Производительность может составлять до 70000 м.куб./час.

Метод короткоцикловой адсорбции (КЦА):

Криогенное разделение воздуха при всех его качественных параметрах является довольно дорогостоящим способом получения промышленных газов. Адсорбционный метод разделения воздуха, основанный на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами, является некриогенным способом, и широкое применение получил из-за следующих преимуществ:

высокая разделительная способность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;

быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными установками;

большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;

автоматическое регулирование режима;

возможность дистанционного управления;

низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;

простое аппаратурное оформление;

низкие затраты на обслуживание;

низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Адсорбционный способ используется для получения азота и кислорода, так как он обеспечивает при низкой себестоимости отличные параметры качества.

Принцип получения азота при помощи КЦА прост, но эффективен. Воздух подается в адсорбер - углеродные молекулярные сита при повышенном давлении и температуре внешней среды. В ходе процесса кислород (О2) поглощается адсорбентом, в то время как азот (N2) проходит через аппарат. Адсорбент поглощает газ до состояния равновесия между адсорбцией и десорбцией, после чего адсорбент необходимо регенерировать, т.е. удалить с поверхности адсорбента поглощённые компоненты. Это можно сделать либо путём повышения температуры, либо путём сброса давления. Обычно в короткоцикловой адсорбции используют регенерацию посредством сброса давления. Небольшая длительность циклов адсорбции и регенерации, обычно в пределах нескольких минут, и дала собственно название процесса - "короткоцикловая адсорбция". Чистота азота по этой технологии 99,999%.

В установках для производства кислорода используется известный факт, что азот адсорбируется алюмосиликатными молекулярными ситами существенно быстрее, чем кислород. Для отделения азота от кислорода воздух сначала сжимают, а затем пропускают через адсорбер, получая на выходе относительно чистый кислород. Чистота кислорода как продукта, получаемого по этой технологии, составляет до 95 %. Основной загрязняющей его примесью является главным образом аргон. Регенерацию адсорбента проводят при атмосферном давлении или вакууме.



Рис. (6). Трёхадсорберная система с применением двухступенчатого насоса

Рис. (7). Двухадсорберная система с дополнительной буферной емкостью и одноступенчатым насосом.

Рис (9). Скорости адсорбции азота и кислорода



Рис(10). Технологическая схема установок КЦА для производства азота из воздуха.

Установки короткоцикловой адсорбции обычно полностью собираются и испытываются на заводе-изготовителе, т.е. поступают к потребителю в состоянии полной заводской готовности, что обеспечивает быстрый монтаж, и имеют диапазон производительности от 10 до 6000 нм 3/ч.

Когда выбирается склад заполнения, хранение и отправки, следует принять во внимание безопасность как места, так и окружающей среды. Комнаты с насосом, заполняющим оборудованием и так далее - должны быть размещены в огнестойких зданиях с крышами легкой конструкции. Двери и другие закрытые помещения должны открываться наружу здания. Помещения должны хорошо вентилироваться, и должна быть установлена система освещения с защищенными от огня электрическими переключателями. Следует принять меры для обеспечения свободного передвижения персонала в помещениях для целей заполнения, проверки и отправки газов. Должны быть предусмотрены выходы безопасности.

Сжатые газы могут храниться открытыми только в том случае, если они хорошо защищены от погоды и прямых солнечных лучей. Места хранения должны быть расположены на безопасном расстоянии от заполненных людьми помещений и жилых помещений.

При транспортировке и распределении контейнеров следует предпринять меры предосторожности, чтобы не повредить клапаны и соединения. Должны быть предприняты адекватные меры предосторожности для предотвращения падения цилиндров с транспортных средств и грубого использования, чрезмерных ударов или местного напряжения и для предотвращения чрезмерного перемещения жидкостей в больших резервуарах. Каждое транспортное средство должно быть оборудовано огнетушителем и токопроводящей полосой для заземления статического электричества и должно иметь четкую надпись “Воспламеняющиеся жидкости”. Выхлопные трубы должны иметь устройство контроля огня, а двигатели во время загрузки и разгрузки должны быть выключены. Предельная скорость этих транспортных средств должна быть строго ограничена.

6. Использование газа в народном хозяйстве. Пневмотранспортировка зерна и сыпучих материалов

Пневмотранспорт более совершенный способ перемещения зерна и муки, чем механический (транспортеры). Особенно широко применяется на предприятиях по переработке и хранению зерна:

- для выгрузки зерна из судов, вагонов, складов;

- для перемещения отходов от места их получения (элеватор, мельница, крупозавод) до места их переработки и хранения;

- как внутри- так и межцеховой транспорт.

Преимущества пневмотранспорта по сравнению с механическим способом: механизация труда, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, повышается производительность в 3 - 4 раза, ускоряется разгрузка, возможна работа при любой погоде, улучшается качество зерна (подсушка), повышается безопасность труда, отсутствует загрязнение продукта маслами.

Недостаток - повышенное потребление электроэнергии (в 4 - 6 раз и более). Поэтому применяется только для разгрузки судов и ж/д вагонов, стоимость простоя которых высока. Широко применяется как внутрицеховой транспорт на элеваторах и мукомольных заводах - меньше пыли, менее взрывоопасно, более компактно.

Перемещение сыпучих материалов осуществляется с помощью воздушного потока, создаваемого воздушной машиной, нагнетания или всасывания. Частицы материала (цемент, уголь и др.) размером до 50 мм, песка, зерна, муки, стружки, опилок находятся в потоке во взвешенном состоянии. Производительность таких установок пневмотранспорта до 300 т/час, дальность - 2 км, а высота подъема до 100 м. Основное достоинство - работа без пыли, недостаток - повышенный расход электроэнергии.

Примеры: перемещение сыпучих материалов между цехами, разгрузка бункеров, погрузка судов, вагонов, удаление отходов, пыли.

Другой способ - насыщение перемещаемого продукта сжатым воздухом, в результате материал становится текучим и перемещается по жёлобу с небольшим уклоном (4 - 5?). Это так называемые аэрожёлобы. Расход энергии при этом незначителен.

Движение по транспортной трубе материало-воздушной смеси имеет свои существенные особенности. Прежде всего поток следует рассматривать как двухфазный. Характеристикой потока является расходная концентрация

.

В первый момент работы установки труба заполняется сыпучим материалом, образуется “пыж”, для перемещения которого требуется большой перепад давления. Затем, при достижении некоторой критической скорости “пыж” разжижается газом, перепад давления резко падает и сыпучая смесь начинает двигаться по трубе в расчетном режиме (рис. 4.15 а). Это явление называется эффектом псевдоожижения. В разжиженной среде твердые частички взвешены в газовой среде, за счет чего связное трение между ними резко уменьшается.

Рис(11). Схема пневмотранспорта сыпучих веществ (а), и зависимость требуемого напора от скорости потока (б)

Структура течения смеси в трубе неоднородна

в г

Рис(12) - Схемы режимов течения сыпучих веществ:

а - с пузырьками газа (в вертикальных трубах);

б - неоднородный поток (в горизонтальной трубе);

в - материал движется в виде отдельных частиц;

г - транспорт в виде поршней (наиболее производительный)

Пневмотранспортные установки классифицируют:

- по способу действия: всасывающие, нагнетательные;

- по установке: стационарные, передвижные, плавучие;

- по напору: низкого, среднего (500 мм вод. ст.; 500-1500 мм рт. ст. - вентиляторные) и высокого давления (1500 мм вод.ст. - компрессорные).

Схемы пневмотранспортных установок (ПТУ) приведены на рисунках (13) и (14).



Рис(13) - Схема всасывающей ПТУ

Всасывающие ПТУ имеют небольшую производительность. Несмотря на пылеотделители и фильтры в воздуходувку попадают частицы пыли, что приводит к повышенному зносу робочих колес.

Рис(14) - Схема нагнетательного ПТУ

Нагнетательные установки имеют большую производительность и дальность транспортировки, т.к. давление высокое.

Нагнетательные ПТУ экономичнее всасывающих. Через компрессор или вентилятор проходит чистый воздух.

Оборудование ПТУ:

Для всасывающих ПТУ важным элементом является пневмоприемник, который собственно и всасывает зерно в трубопровод (рис. 15).

Рис(15)- Схемы пневмоприемников: «сопло» (а), горизонтальный (б) и эжекторного типа (в).

Важный элемент нагнетательного ПТУ - шлюзовой затвор - служит для предотвращения «обратного» эффекта - попадания сжатого воздуха в бункер (рис.16).

Материалопроводы - это обычно стальные трубы, соединенные гибкими вставками (рукавами) для перемещения его в нужное место. Обычно их подвешивают на тросах к стрелам кранов и регулируют по выносу и высоте (глубине) установки. Для дутья применяют вентиляторы разной напорности, одно- и многоступенчатые воздуходувки.



Рис(16). - Шлюзовой затвор

Эрлифт (воздушный подъемник):

Для транспортировки жидких веществ применяется т.н. «эрлифт». Суть его в следующем. Два сосуда (емкости) установлены на разной высоте. Необходимо перекачивать жидкость из сосуда А в сосуд Б. В низ подъемной части трубы вдувается струя воздуха. Образующаяся жидкостно-воздушная смесь имеет плотность меньшую, чем у жидкости _{см ж}. Эта разность и обеспечивает перекачку жидкости на высоту Н. Должна быть обеспечена минимальная глубина вдувания воздуха, при которой тяга равна нулю:

.

Чтобы появилась тяга, надо чтобы hh_min.

Иными словами должно быть:

.

С помощью эрлифтов осуществляется понижение уровня грунтовых вод в подземных выработках угольных шахт, подъем воды из артезианских глубоких колодцев и т.п. (рис. 18).

Рис (18) - Схема эрлифта.

Аэрация сточных вод:

Аэрация - насыщение воздухом сточных вод в установках биологической очистки. Эти установки предназначены для удаления из воды растворенных органических веществ. Для этого используется биохимические процессы, осуществляемые комплексом микроорганизмов, адаптированных к данным условиям.

Основной процесс при переработке микроорганизмами органических соединений, растворенных в сточной воде, является окисление их. Поэтому в воде должно содержаться необходимое количество кислорода. Это достигается принудительным вдуванием воздуха в воду (рис. 4.22).

В качестве дутьевых машин применяются многоступенчатые центробежные воздуходувки или крупные водокольцевые компрессоры, которые не загрязняют дополнительно воздух смазочными маслами.



Рис. (18)- Биофильтр для очистки сточных вод: 1-водораспределительное устройство; 2-загрузка; 3-гидравлический затвор.

Применение сжатого воздуха на транспорте:

Разнообразное применение получил сжатый воздух и в других областях техники, особенно на транспорте. Вот лишь часть устройств, использующих сжатый воздух:

- летальные аппараты легче воздуха;

- суда на воздушной подушке;

- пневмошины подвижного состава;

- пневмотормоза;

- подводные лодки и др.

Использование сжатого воздуха в воде и под водой:

- надувные плавсредства;

- пантоны;

- кессоны;

- подводные дыхательные аппараты и др.

Широко применяется сжатый воздух для пневмоиспытаний сосудов, устройств, трубопроводов, в технологических процессах машиностроения (пескоструйная и дробеструйная обработка изделий, покраска поверхностей) и во многих других случаях.

7. Машины и аппараты для производства и использования газа (компресоры, детандеры и т.д.).

Применение сжатого воздуха в металлургии

Здесь воздух применяется в качестве реагента, содержащего О₂. Главная функция - дутьё, т.е. подача сжатого воздуха в различные агрегаты - домны, мартены, конверторы. Это крайне необходимо для горения во всех металлургических процессах.

Обогащение руды - (1-й процесс) - повышение содержания железа или другого металла в руде и понижение вредных примесей. Один из способов обогащения - флотация.

Сжатый воздух продувают через пульпу. При пенной флотации частицы полезного минерала не смачиваются водой и поднимаются вместе с пузырьками воздуха, а другие смачиваются и оседают на дно - это пустая порода (рис19).

Широко используется для обогащения руд цветных металлов (% низкий), но и для железа тоже.

Рис(19) - Схема обогащения руды

Агломерация - окомкование мелких и пылевидных руд методом спекания на агломерационной машине (рис20).

Кокс начинает гореть, руда разогревается и превращается в прочную пористую массу - «слипается» - это и есть агломерат, что позволяет потом в домне осуществить более эффективный процесс выплавки чугуна.

Рис. (20) - Схема агломерации

Доменный процесс (рис21). Железо в руде находится в виде окислов. Поэтому нужно освободить железо от связанного с ним О₂ - восстановление.

Рис. (21) - Доменный процесс

Кислород, содержащийся во вдуваемом в печь горячем воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, образуя СО₂. Он поднимается выше, взаимодействует с коксом, образуя СО, она отбирает у окислов железа руды кислород и связывает его. А освободившееся железо взаимодействует с углеродом, образуя чугун. На 1т чугуна необходимо 2500 - 3500 м³ воздуха, т.е. V=8000 м³/мин. Чтобы воздух не охлаждал печь, его предварительно подогревают до 1100 - 1300?C в кауперах.

Насадку греют, сжигая топливо. Затем подачу топлива прекращают и прокачивают воздух. Чтобы процесс подачи был непрерывный, устанавливают несколько кауперов. Заметим, что в воздухе 4/5 азота, т.е. 80% энергии затрачивается впустую, т.к. для горения используется только 20% кислорода.

Очевидно, что выгоднее воздух обогащать кислородом. Но это стало возможным лишь в 30 - 40-х годах XX века с появлением мощных разделительных установок.

Используемая литература:

1. Физическая Энциклопедия. Главный редактор A.M. Прохоров Редакционная коллегия Д.М. Алексеев, Поинтинга -- Робертсона А.М. БАЛДИН.

2. Врагов А.П. Процессыи оборудование газоразделительных установок. Учебное пособие. -Сумы: ИТД (Университетская книга),2005.-272с.

3. Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Советская энциклопедия, 1988. -- Т. 1. -- С. 194. -- 623 с. -- 100 000 экз.

4. Левин В.И. Профессии сжатого воздуха и вакуума/В.И. Левин -М.,1989.

5. Карабин А.И. Сжатый воздух. -М.: Машиностроение,1964.

6. Воскобойников В.Б. Общая металлургия/ В.Б. Воскобойников и др.-М.: Металлургия, 1985. - 480с.

7. Вайсман М.Р. Вентиляционные пневмотранспортные установки/ М.Р. Вайсман И.Я. Грубиян - М.: Колос, 1969. - 256с.

8. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности/ Г.М.Островский. - Л.: Химия, 1984.- 104с.

9. Н.В. Гусакова «Химия окружающей среды», Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с ISBN 5-222-05386-5

10. Соколов В.А. Геохимия природных газов, М., 1971.

Размещено на Allbest.ru