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氧化亚氮对空分设备有何危害?
答:氧化亚氮的分子式为N2O,也叫一氧化二氮,俗称“笑气”。大气中的氧化亚氮浓度约为3×10-9。随着生态环境的恶化,它的含量以每年0.2%~0.3%的速度增加。
土壤微生物在土壤及海洋中的氧化和脱氮活动生成的氧化亚氮占大气中氧化亚氮含量的1/3,另外2/3是人为生成的。例如:矿物燃料、生物体、废弃物的燃烧、污水处理、发酵源、汽车废气等都会导致N2O的生成。在N2O生成源附近,大气中N2O的含量可达到3×10-6以上。虽然N2O的化学性质不活泼,既不会产生腐蚀,也不会发生爆炸,但是它的物理性质对空气分离具有危害。它的临界温度为309.7K,临界压力为7.27MPa,其三相点是182.3K、0.088MPa。在空气分离装置的压力和温度的条件下,它具有升华性质。在常压下,其沸点为185K,比N2、O2、Ar的沸点都高,因而,在氧、氮分离过程中,它将浓缩于液氧中。
N2O在水中的溶解度很小,N2O随加工空气经过空气过滤器、压缩机、冷却器、水分离器后不能将其分离、除去。大部分N2O都会带入分子筛纯化器,分子筛对N2O的吸附能力小于对CO2的吸附能力。N2O先穿透吸附床层而进入精馏塔,而且在分子筛对H2O、CO2、C2H2等碳氢化合物的共吸附过程中,CO2能够将分子筛已吸附的N2O分子置换出来。所以,分子筛也不能清除N2O。在主换热器中,加工空气被冷却到接近液化温度,N2O首先冷凝成固体,会造成空气通道阻塞。在加工空气压力为0.6MPa,N2O含量为1×10-6时,N2O的凝结析出温度为113K。
在精馏塔中,因为N2O相对N2、O2、Ar组分为高沸点组分,故它将溶解在液氧中,致使在上塔底无法获得高纯度的液氧和气氧产品。据测定,氧产品纯度为99.5%时,N2O的平均含量为1.4×10-5。并且,在液氧排放不充分时,N2O在液氧中不断积累,当液氧中的N2O含量大于50×10-6时,就会呈固态析出,阻塞主冷凝蒸发器通道。
在稀有气体氪、氙的生产中,随着氪、氙的浓缩,N2O也浓缩。N2O的含量可达100×10-6~150×10-6。N2O本身不燃烧,但可以热分解。这将影响对粗氪、氙中CH4的催化燃烧的清除以及利用分子筛对生成的水和二氧化碳的吸附。
由于环境的问题,空气中的N2O的浓度不断增加。况且电子等行业对氧产品的纯度要求越来越高(99.99%~99.9999%),因此,对加工空气中的N2O的清除比过去更重要。较好的清除方法是寻找合适的分子筛,在分子筛纯化器中将加工空气中的H2O、CO2、C2H2、N2O共吸附而清除。
什么叫液悬(液泛)?
答:在精馏塔内,液体沿塔板通过溢流斗逐块下流,与温度较高的蒸气在塔板上接触,发生传热和部分蒸发、部分冷凝的过程。如果塔板上的液体难于沿溢流斗流下,造成溢流斗内液面越涨越高,直至与塔板上的液面相平,液体无法下流,就叫“液悬”或“液泛”。如图56所示,当溢流斗内液面超过溢流斗高度的50%时,就认为开始发生轻微的液泛。
精馏塔内气液在正常流动时,由于蒸气是自下而上地流动,要克服塔板的阻力。因此,上部的压力(P2)要比下部的压力(P1)低。其压差(P1-P2)反映了每块塔板阻力的大小。液体自上而下流动是从压力低处流向压力高处,因此,溢流斗内的液面一定要比塔板上的液面高到一定程度才能流出。同时,液体在流过溢流斗时,液体还要克服在出口处的阻力,因此,溢流斗内的液面只有上升到液柱所产生的压力能够克服塔板上、下的压差和溢流斗的阻力时,才能保证液体顺利流过,液面保持稳定。
当塔板阻力增加,造成塔板上、下的压差增加,或溢流斗的阻力增加时,靠溢流斗内原有的液体高度已不足以克服压差和阻力,则液体暂时不能流下。当溢流斗内液面涨到一定高度时,又达到新的平衡。当塔板阻力或溢流斗阻力过大时,必将引起溢流斗内液面继续上涨,直至与上一块塔板的液面相平,塔板上的液体也随之上涨。当塔板上的液体上涨到上升蒸气无法托持住时,就会从筛孔一泻而下。如果产生液泛的原因没有消除,则又会重复上述过程。
由此可见,当塔内发生液泛时,阻力、液面将发生很大的波动。同时破坏了塔内的精馏过程,产品纯度往往达不到要求,并且波动很大,无法维持正常生产。在操作中应尽力避免液泛的发生,并及时进行处理。
什么叫氧的提取率?
答:在采用空气分离法制取氧气时,总是希望将加工空气中的氧尽可能多地作为产品分离出来。为了评价分离的完善程度,引入氧提取率这一概念。
氧提取率以产品氧中的总氧量与进塔加工空气中的总氧量之比来表示。即
式中ψ--氧的提取率;
Vo2、Vk--氧气产量和加工空气量,m3/h;
yo2、yk--产品氧和空气中所含氧的体积分数。
从上式可以看出:对于一定的地点,空气中的含氧量基本不变。当进塔空气量和产品氧纯度一定时,氧提取率的高低取决于氧产量的多少。而氧产量的多少,对于全低压制氧机在进气量一定的条件下,主要决定于污氮中含氧的高低。现以3200m3/h空分装置为例,当进塔空气为18100m3/h,污气氮量为加工空气量的60.2%,污氮中氧的体积分数为5.5%时,氧产量是3200m3/h,氧纯度是99.6%。由此可以算出,此时氧提取率为
ψ=3200×99.6/(18100×20.9)=0.842,即84.2%
同时可以算出随污氮跑掉的氧气量为18100(m3/h)×60.2/%×5.5%=599.2m3/h。如果污氮中含氧增大至7.5%,则随污氮跑掉的氧气量为:
18100(m3/h)×60.2%×7.5%=817.2m3/h
由此可见,氧气产量将减少(817.2-599.2)m3/h=218m3/h,即氧产量为(3200-218)m3/h=2982m3/h。此时氧提取率为 ψ=2982×99.6/(18100×20.9)=0.718=71.8%。
所以,应该努力降低污氮中的含氧量,这样可以多产氧,提高氧的提取率。
全低压的精馏塔的氧提取率以前只有80%~85%,现在已提高到90%~95%,最先进的甚至可达99%左右。
为什么有的精馏塔下塔抽污液氮,有的下塔不抽污液氮?
答:切换式换热器流程制氧机,为了达到水分和二氧化碳的自清除,要求有较大的污气氮量才能保证不冻结条件,因此,纯气氮产品量较少,最多只能达到气氧产量的1.3倍。因而,下塔提供给上塔的纯液氮量较少,可以抽出一股污液氮到上塔。这样,还可使上塔精馏段的回流比加大,使它具有更大的精馏潜力,从而允许较多的膨胀空气进入上塔,以防膨胀空气旁通,影响氧提取率。
对于分子筛纯化增压膨胀流程的制氧机而言,因不受自清除的限制,纯气氮产品量有较大幅度的提高。除了保证分子筛纯化器再生用的污氮量而外,其余都可以作为纯气氮产品送出,纯氮产量与氧产量之比可达3~3.5。这样,下塔需要较大的回流比,才能保证纯液氮的量和纯度,而后再送入上塔作为回流液。
此外,由于这种流程采用增压膨胀,膨胀工质的单位制冷量较高,在补偿同样冷损的前提下,所需的膨胀量较小,一般不会超出上塔允许吹入的空气量。因此,也不需要靠抽污液氮来直接增大精馏段回流比。与此同时,由于不抽污液氮,下塔减少了抽口、管路和阀门,流程也简化了。
总之,纯气氮产品产量较大的制氧机下塔一般不抽污液氮。在采用增压膨胀且膨胀量较小的情况下,下塔抽污液氮就更无必要。