Промышленные способы получения воздуха

Как получают кислород в промышленности

В атмосферном воздухе кислород занимает 21%. Большая часть его находится в земной коре, пресной воде и живых микроорганизмах. Он применяется во многих сферах промышленности и задействуется для хозяйственных и медицинских потребностей. Востребованность вещества обусловлена химическими и физическими особенностями.

Как добывают кислород в промышленности. 3 метода

Производство кислорода в промышленности осуществляется за счет деления атмосферного воздуха. Для этого задействуются следующие методы:

• Мембранный. Основывается на проницаемости мембран в хаотичном порядке. Его суть сводится к разной скорости проникновения газов через мембрану, выполненную из полимерных материалов при смене парциального давления. Чистая воздушная масса, которая предварительно сжимается, направляется в мембрану. Газы быстрого типа просачиваются через мембрану в область с невысоким рабочим давлением и в зоне выхода впитывают компонент, отличающийся легкостью проникновения. Остальное количество воздуха обогащается медленным газом и удаляется с агрегата. Преимущества такого метода заключается в экономии электроэнергии и незатратной эксплуатации мембранных установок. С его помощью получаемый кислород отличается чистотой в пределах 45% .
• Адсорбционный. Базируется на зависимости поглощения элемента газовой смеси от парциального давления и температурного режима. Процесс поглощения осуществляется за счет предусмотренных молекулярных сит с применением периодической адсорбции. Его регулировка происходит благодаря смене давления и температуры. Зависимость свойств адсорбента от поглотительных способностей элемента газа является пропорциональной давлению. Данный метод, который объясняет, как получают кислород в промышленности, характеризуется незначительными затратами на электрическую энергию и эксплуатацию агрегатов. Генераторы кислорода — оборудование для получения кислорода адсорбционным методом.

• Криогенный. Дает возможность получать кислород, чистота которого достигает 99,7%. Благодаря температурной разнице кипения кислорода и азота позволяет добиваться разделения сжатой воздушной массы на элементы в колоннах ректификационного типа. Чтобы воздух трансформировался в жидкое состояние, его температура должна опуститься к отметке -196 °C. Процедура охлаждения осуществляется в специальных машинах (детандерах). Отличительная особенность такого оборудования — расширение воздушной массы наблюдается как на лопатках рабочего колеса, так и в сопловом устройстве. Движение газа происходит против центробежных сил. Криогенные кислородные установки вырабатывают холод с применением воздуха, находящегося в сжатом состоянии до нескольких атмосфер. Вращение ротора генератора выполняется за счет энергии.

Производство кислорода в промышленных масштабах несет в себе высокую значимость. К выбору технологии и соответствующего оборудования нужно уделить повышенное вынимание. Допущенные ошибки могут негативно отразиться на технологичном процессе и повлечь за забой увеличение затрат.

Технические особенности оборудования для получения кислорода в промышленности

Наладить процесс получения кислорода в газообразном состоянии помогают генераторы промышленного типа «ОКСИМАТ». Их технические характеристики и конструктивные особенности направлены на получение данного вещества в промышленности необходимой чистоты и требуемом количестве на протяжении суток (без перерыва). Следует учесть, что работать оборудование может в любом режиме как с остановками, так и без них. Агрегат функционирует под давлением. На входе должен быть осушенный воздух в сжатом состоянии очищенный от влаги. Предусматриваются модели малой, средней и большой производительности.

Источник

Получение кислорода

Кислород появился в земной атмосфере с возникновением зелёных растений и фотосинтезирующих бактерий. Благодаря кислороду аэробными организмами осуществляется дыхание или окисление. Важно получение кислорода в промышленности – он используется в металлургии, медицине, авиации, народном хозяйстве и других отраслях.

Свойства

Кислород – восьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Это газ, поддерживающий горение и осуществляющий окисление веществ.

Рис. 1. Кислород в таблице Менделеева.

Официально кислород был открыт в 1774 году. Английский химик Джозеф Пристли выделил элемент из оксида ртути:

Однако Пристли не знал, что кислород является частью воздуха. Свойства и нахождение в атмосфере кислорода позже уставил коллега Пристли – французский химик Антуан Лавуазье.

Общая характеристика кислорода:

• бесцветный газ;
• не имеет запаха и вкуса;
• тяжелее воздуха;
• молекула состоит из двух атомов кислорода (О₂);
• в жидком состоянии имеет бледно-голубой цвет;
• плохо растворим в воде;
• является сильным окислителем.

Рис. 2. Жидкий кислород.

Присутствие кислорода легко проверить, опустив в сосуд с газом тлеющую лучину. При наличии кислорода лучина вспыхивает.

Как получают

Известно несколько способов получения кислорода из различных соединений в промышленных и лабораторных условиях. В промышленности кислород получают из воздуха путём его сжижения под давлением и при температуре в -183°С. Жидкий воздух подвергают испарению, т.е. постепенно нагревают. При -196°C азот начинает улетучиваться, а кислород сохраняет жидкое состояние.

В лаборатории кислород образуется из солей, пероксида водорода и в результате электролиза. Разложение солей происходит при нагревании. Например, хлорат калия или бертолетову соль нагревают до 500°С, а перманганат калия или марганцовку – до 240°С:

• 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑;
• 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑.

Также можно получить кислород путём нагревания селитры или нитрата калия:

При разложении пероксида водорода используется оксид марганца (IV) – MnO₂, углерод или порошок железа в качестве катализатора. Общее уравнение выглядит следующим образом:

Электролизу подвергается раствор гидроксида натрия. В результате образуется вода и кислород:

Также кислород с помощью электролиза выделяют из воды, разложив её на водород и кислород:

На атомных подводных лодках кислород получали из пироксида натрия – 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑. Способ интересен тем, что вместе с выделением кислорода поглощается углекислый газ.

Как применяют

Собирание и распознавание необходимо для выделения чистого кислорода, использующегося в промышленности для окисления веществ, а также для поддержания дыхания в космосе, под водой, в задымлённых помещениях (кислород необходим пожарным). В медицине баллоны кислорода помогают дышать пациентам с затруднённым дыханием. Также кислород используется для лечения респираторных заболеваний.

Кислород применяют для сжигания топлива – угля, нефти, природного газа. Кислород широко применяется в металлургии и машиностроении, например, для плавки, резки и сварки металла.

Что мы узнали?

Кислород – бесцветный газ, необходимый для дыхания и используемый в промышленности. Кислород получают путём сжижения и испарения воздуха, электролизом воды или гидроксида натрия, выделяют из солей и пероксида водорода. Кислород используется для поддержания дыхания в местах с ограниченным запасом кислорода или его отсутствием, а также в промышленности для сжигания топлива и производства металла.

Источник

Почему получение кислорода по технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции лучше других методов

Как получить промышленный кислород?

Надежная подача промышленного кислорода важна во многих отраслях промышленности. Чистый кислород необходим для поддержания дыхания под водой, в шахтах, для работы аппаратов ИВЛ, пожарным. Его используют в машиностроении, металлургии, для резки и плавки металлов, косметологии, стекольном производстве, сжигания топлива и во многих других сферах.

В промышленных целях чистый кислород вырабатывают тремя разными способами, каждый из которых имеет свои особенности.

Таблица 1. Промышленные способы получения газообразного кислорода:

Технология	Описание	Преимущества
Короткоцикловая адсорбция (метод PSA)	Поэтапная фильтрация рабочей среды при переменном давлении с использованием адсорбирующих веществ	Маслые расходы электроэнергии Отсутствие постоянного контроля над выработкой кислорода Получение кислорода высокой степени очистки (до 95%) с количеством примесей не более 10% Высокая производительность Большой ресурс оборудования
Мембранная	Прохождение воздушной струи через мембранный газоразделительный картридж. Метод основан на разнице в скоростях проникновения компонентов в газовой смеси через вещество мембраны	Не требуется контроль со стороны оператора Большой ресурс оборудования Компактные габариты и небольшой вес агрегата Экономия электроэнергии Незначительные расходы на эксплуатацию Чистота кислорода в пределах 45%
Криогенный	Благодаря температурной разнице кипения между азотом и кислородом, происходит быстрое разделение сжатой воздушной массы на элементы	Чистота кислорода – до 99,9% Подходит для предприятий с большим расходом кислорода (более 1000 м³/ч) Возможность получения кислорода в жидком и газообразном состоянии

Чем генератор кислорода отличается от кислородного концентратора?

Генератор кислорода – аппарат для получения кислорода в газообразном состоянии из атмосферного воздуха. Данные устройства производят кислород чистотой до 95% для технологических процессов, требующих газ в больших объемах и на постоянной основе.

Концентратор кислорода – устройство для выделения молекул кислорода из атмосферного воздуха, концентрации их и подаче в виде потока. Принцип работы аппарата основан на пропускании воздушной струи через молекулярное сито, разделении молекул азота и кислорода в разные баллоны. Концентрация кислорода в таком оборудовании достигает 95%. Концентраторы кислорода используют для выработки кислорода в небольших объемах, и применения его в бытовых/медицинских целях или для технологических процессов, где кислород необходим в малых объемах. Рабочее давление таких аппаратов в среднем составляет 0,5 бар, производительность – до 5 л/мин.

Что представляет собой короткоцикловая безнагревная адсорбция?

Надежная подача промышленного кислорода играет решающую роль в нефтехимической отрасли, для лазерной резки металла, изготовлении напитков и медицине. Выработка чистого кислорода непосредственно на предприятиях этих сфер дает следующие преимущества:

• Экономия средств на покупку, заправку и доставку баллонов газа от сторонних организаций,
• Исключение риска остановки технологического процесса из-за нехватки или отсутствия кислорода,
• Исключение простоев в работе из-за прерывания технологических процессов,
• Производство кислорода требуемой степени чистоты и в требуемых объемах,
• Снижение расходов на эксплуатацию генераторов.

Технология напорной короткоцикловой адсорбции (Pressure Swing Adsorbrion (PSA)) базируется на разделении молекул газов из поступающего атмосферного воздуха путем чередования двух процессов – адсорбции и десорбции. В Адсорбер №1 подается воздушная смесь, где под высоким давлением адсорбенты удерживают молекулы азота в молекулярном сите с развитой микропористой структурой, в то время как молекулы кислорода и неадсорбируемые/малоадсорбируемые молекулы других газов отводятся через клапан в специальный резервуар. В Адсорбере №2 происходит фаза регенерации, при которой путем сброса давления с поверхности адсорбентов удаляются поглощенные компоненты.

Рисунок 1. Схема работы установки короткоцикловой безнагревной адсорбции:

По сравнению с другими способами адсорбционного разделения воздуха (вакуумным и смешанным (Vacuum Swing Adsorbtion / Vacuum Pressure Swing Adsorbtion)), безнагревный процесс адсорбции PSA имеет небольшую длительность циклов адсорбции и регенерации. Данные процессы обычно протекают в течение нескольких минут. Благодаря этой особенности технология PSA получила название «короткоцикловая адсорбция».

Производительность адсорбционных генераторов кислорода варьируется от нескольких литров в минуту до сотен кубических метров в час.

Другие отличия безнагревной PSA:

• Фазы адсорбции и регенерации адсорбента происходят в одном и том же температурном режиме, при этом парциальное давление при десорбции ниже, чем при адсорбции.
• Отсутствие стадий нагрева и охлаждения адсорбирующих компонентов приводит к экономии времени и энергии,
• Быстрый запуск циклов, быстрая остановка процесса по сравнению с криогенным оборудованием,
• Автоматическое регулирование процесса генерации кислорода,
• Невысокие энергетические затраты,
• Длительный срок эксплуатации адсорбентов, за счет регенерации менять адсорбирующие компоненты нужно не чаще 1 раза в 5 лет,
• Невысокая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями.

Пример типовой компоновки адсорбционной кислородной установки:

где: 1 — Компрессор воздушный, 2 — Осушитель, 3 — Ресивер воздушный, 4 — Фильтр, 5 — Генератор кислорода, 6 — Ресивер азотный

Преимущества собственного производства кислорода на оборудовании короткоцикловой адсорбции

Собственное производство кислорода на месте обладает множеством преимуществ по сравнению с заказом баллонов у сторонних организаций: от снижения затрат до постоянной готовности генераторов к работе.

Преимущества собственного производства:

• Возможность подобрать генератор с характеристиками и производительностью под собственные нужды.
• Оборудование всегда готово к работе – запуск генераторов и получение кислорода осуществляется в нужное время. Требуемый объем кислорода не зависит от перебоев поставок баллонов, задержек из-за карантинных ограничений или других форс-мажорных обстоятельств.
• Отсутствие расходов на заправку баллонов, транспортировку цистерн и т.д.
• Отсутствие потерь газа при хранении или недозаправки баллонов.
• Простая интеграция с энергетическим оборудованием.
• Низкие расходы на эксплуатацию.
• Метод короткоцикловой безнагревной адсорбции – простая надежная технология, использующаяся во всем мире.

Источник