Vận hành hệ thống điều chế oxy - Nitơ - Chương I: Đặc tính vật lý của không khí

11/13/2009
1
VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ OXY-NITƠ:
CHƯƠNG I:
ĐẶC TÍNH VẬT LÝ CỦA 
KHÔNG KHÍ 
A. ĐẶC TÍNH CỦA KHÔNG KHÍ
11/13/2009
2
1 kg lực
ĐƠN VỊ ĐO ÁP SUẤT
• Kg/cm2
1 cm
• 1 Kg/cm2 y 1 bar
• 1 Kg/cm2 y 0,1 Mpa
• 1 Kg/cm2 = 14,2 psi
m
m
P = 8 Kg/Cm2
D
 =
 4
00
 m
Lực tác dụng = Diện tích X Áp suất 
=  x 20 x 20 X 8 = 10048 Kg
= 10,048 Tấn
11/13/2009
3
Liên quan giữa áp suất và thể tích
P = 1 bar
V = 2 L
P = 2 bar
V = 1 L
Yếu tố nhiệt độ
 Nếu áp suất không đổi, khi gia nhiệt 
thể tí h ẽ tăc s ng.
 Nếu thể tích không đổi, khi gia nhiệt 
áp suất sẽ tăng
11/13/2009
4
Quá trình đoạn nhiệt
 Khi bị nén, nhiệt độ của khí sẽ tăng.
 Khi giãn nở (từ áp suất cao xuống áp 
suất thấp) nhiệt độ sẽ giãm.
Các trạng thái của không khí
Ở nhiệt độ và áp suất xác định, không 
khí sẽ ở 1 trong 3 trạng thái: Khí, 
Lỏng hay Rắn.
11/13/2009
5
Biểu đồ trạng thái của không khí
Thành phần không khí
Loại khí Công 
thức
Hàm 
lượng %
Điểm 
đông 
đặt
Điểm 
sôi
Điểm 
tới hạn
Nguyên 
tử lượng
Oxy O2 20.99 -218.9 -182.8 -118.9 16
Nitơ N2 78.03 -209.7 -195.6 -147.2 14
Oxyd Carbon CO2 0.03 -78.3 31.1
Helium He 0.0005 -272.2 -268.9 -267.8 4
Neon Ne 0 0018 -248 3 -245 8 -238 3 20 2. . . . .
Argon Ar 0.9323 -189.2 -185.6 -122.2 39.9
Krypton Kp 0.0001 -168.9 -151.7 -62.8 82.9
Xenon Xe 0.000009 -140 -109.2 16.7 130.2
Hơi nước H2O < 4-5 0 100 374.4
11/13/2009
6
B. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU 
CHẾ OXY VÀ NI-TƠ 
Phương pháp chưng cất không khí 
hóa lỏng
 Hệ thống tách khí cao áp
 Hệ thống tách khí trung áp
 Hệ thống tách khí hạ áp
11/13/2009
7
Những phương pháp điều chế Oxy khác 
 Điều chế Oxy bằng phương pháp hoá 
học.
 Điều chế Oxy bằng điện phân
 Điều chế Oxy bằng phương pháp hấp 
thụ. 
 Điều chế Oxy bằng sinh hóa.
Điều chế nitơ bằng phương pháp 
lọc cao áp
 Phương pháp này dùng để điều chế 
Ni tơ ó độ ti h khiết khô - c n ng cao.
 Ưu điểm là hệ thống đơn giản, gọn 
và độ an toàn cao.
11/13/2009
8
C. QUẢN LÝ NHÀ NƯỚC 
Thiết bị có yêu cầu nghiêm ngặt về 
an toàn lao động
 Các thiết bị có yêu cầu nghiêm ngặt 
ề t à l độ hải đượ đă v an o n ao ng p c ng
ký với thanh tra an toàn địa phương 
và kiểm định định kỳ.
 Hệ thống điều chế Oxy-Nitơ là 1 thiết 
bị có yêu cầu nghiêm ngặt về an 
toàn lao động.
11/13/2009
9
 Mỗi bình áp lực trong hệ thống điều 
hế à khí hải đượ đă kiể
Thiết bị có yêu cầu nghiêm ngặt về 
an toàn lao động
c v nạp p c ng m.
 Hệ thống phải được đăng kiểm.
Hồ sơ bắt buộc phải có khi đăng 
kiểm bình áp lực
 Bản vẽ cấu tạo.
ể Biên bản ki m tra không phá hủy 
(NDT).
 Lý lịch thiết bị
 Chứng chỉ xuất xưởng (Thiết bị mới)
11/13/2009
10
 Hồ sơ thiết kế.
Hồ sơ nên có khi mua bình áp lực
 Chứng chỉ xuất xưỡng
 Chứng chỉ kim loại
 Biên bản kiểm tra không phá hủy.
Hồ sơ bắt buộc phải có khi đăng 
kiểm hệ thống điều chế và nạp khí
 Hồ sơ đăng kiểm tất cả thiết bị trong 
hệ thống.
 Bản vẽ mặt bằng
 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý
 Chứng chỉ xuất xưởng bơm, van, hệ 
thống nạp và các thiết bị đo kiểm, 
khống chế.
 Hồ sơ đăng kiểm chai chứa khí
11/13/2009
11
VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ OXY-NITƠ:
CHƯƠNG II:
PHƯƠNG PHÁP PHÂN LY 
KHÔNG KHÍ 
A. Nguyên tắc chung
 Oxy lỏng sôi ở nhiệt độ -182.8o C
 Ni tơ lỏng sôi ở nhiệt độ -195.6o C
Vì nhiệt độ sôi của nitơ 
thấp hơn, khi không khí 
Khí OxyKhí Ni tơ
lỏng hóa hơi, nitơ sẽ 
bay hơi nhanh hơn Oxy.
Không khí lỏng
11/13/2009
12
Sơ đồ nguyên tắc
Máy 
nén
Bộ lọc 
khí
Bộ lọc 
khí
Máy giản khí hay 
tiết lưu
Thá 
Hóa lỏng
p
chưng cất
Oxy
Ni tơ
Những bộ phận chính
 Máy nén khí.
 Bộ phận lọc không khí.
 Thiết bị trao đổi nhiệt.
 Bộ phận tiết lưu và giãn khí.
 Bộ phận chưng cất – tách ly không 
khí lỏ ng.
 Bộ phận tồn trữ và chiết nạp.
11/13/2009
13
B. Các phương pháp chưng cất
 Chưng cất cao áp với áp suất đầu 
vào đến 200 bar.
 Chưng cất trung áp với áp suất 
đầu vào đến 70 bar.
 Chưng cất thấp áp với áp suất đầu 
vào đến 6.5 bar.
Sơ đồ cụm thiết bị
Các thiết bị Nén 
và lọc khí
Bộ tách ly không khí nằm 
trong thùng máy chèn đầy 
chất cách nhiệt
Hệ thống chiết nạp 
và tồn trữ
11/13/2009
14
1. Phương pháp chưng cất cao áp
2. Phương pháp chưng cất trung áp
Oxy
Không khí 
60 – 70 bar
Bình trao đổi nhiệt
Bộ quá lạnh
Van tiết lưu
Van tiết lưu
Nitơ
Tháp chưng cất
Bơm Oxy
Van tiết lưu
Máy giãn khí
11/13/2009
15
3. Phương pháp chưng cất thấp áp
4. Tháp chưng cất
Tháp chưng cất gồm:
 Phần cao áp.
 Phần thấp áp.
 Bộ làm lạnh bổ xung.
 Hệ thống tuần hoàn và tiết lưu.
11/13/2009
16
Moâi chaát 
laøm laïnh 
vaøo
Moâi chaát 
laøm laïnh ra
Phần cao áp tháp 
chưng cất
Nitô loûng ra
Khí hoùa 
loûng giaøu 
oâxy chaûy 
xuoáng
Hôi giaøu Ni 
tô
bay leân 
Khoâng khí loûng 
vaøo OÂâxy loûng ra
Hôi N2 töø 
khay
CHI TIEÁT CUÛA KHAY
Phần thấp áp tháp 
chưng cất
N2 hôi ra
N2 loûng vaøo
OÂxy loûng vaøo
OÂxy loûng thaønh 
phaåm ra
11/13/2009
17
Ảnh chụp phần trên 
tháp chưng cất
C. MÁY NÉN KHÍ
 Máy nén khí kiểu piston.
 Máy nén khí ly tâm.
11/13/2009
18
1. Máy nén piston
Máy nén 4 cấp dạng đứng
Piston 4
Piston 3
Piston 1
Piston 2
11/13/2009
19
Máy nén 4 cấp dạng đứng
Bộ phận 
là l hm ạn
Bộ phận 
làm lạnh 
cấp 2 và 3
Máy nén dạng nằm ngang
Vùng nén 2 Vùng nén 1
Vùng nén 3 Vùng nén 4
11/13/2009
20
2. Máy nén ly tâm
Luồn không khí đi trong máy nén ly tâm
11/13/2009
21
Máy nén ly tâm 
nhiều cấp
Cấu tạo cánh bơm
11/13/2009
22
D. MÁY GIÃN KHÍ
 Khi gia tăng thể tích, nhiệt độ của 
khí giãm.
Các kiểu thiết bị giãn khí
 Van tiết lưu
 Máy giãn kiểu piston
 Máy giãn kiểu turbin (Ly tâm)
11/13/2009
23
Cấu tạo van 
tiết lưu
Phóng to chi tiết van tiết lưu
11/13/2009
24
Máy giãn khí kiểu pit-tông
Máy giãn khí kiểu 
pit-tông
11/13/2009
25
Đầu van hút của máy giãn
Máy giãn kiểu ly tâm
11/13/2009
26
Máy giãn kiểu ly tâm – Nhìn bên ngoài
Máy giãn kiểu ly tâm
11/13/2009
27
E. Bộ phận lọc và làm khô khí
 Làm sạch khí carbonic, accetylen và 
những loại tạp chất khác.
 Tách hơi nước ra khỏi không khí.
Tại sao phải làm sạch và làm khô 
không khí?
 Các chất khí và hơi nước có nhiệt độ 
đóng băng cao hơn nhiệt độ hóa lỏng 
của ni-tơ và Oxy có thể làm tắc 
nghẽn các ống dẫn.
 Khí Accetylen có thể đóng rắn trên 
thành tháp chưng cất và phát nổ
11/13/2009
28
1. Làm sạch không khí 
 Phương pháp dùng tháp rửa bằng 
d dị h kiềung c m.
 Hấp thụ bằng các hợp chất rắn như 
đất sét hoạt tính, silicagel, zeolit
11/13/2009
29
Tháp hấp thụ khí CO2 bằng dung dịch sút (NaOH)
Các cột chứa 
các hạt hấp thụ
11/13/2009
30
2. Làm khô không khí
 Hạ thấp nhiệt độ để ngưng tụ hơi 
ướn c.
 Các hạt hấp thụ mà thành phần 
chính là Si-li-cát và Oxyt nhôm.
 Hiện nay chủ yếu dùng hạt zeolit để 
tách ẫm và làm sạch.
Thành phần hóa học trung bình của zeolit
SiO2 67.2%
Al2O3 11.3%
K2O 1.5%
Na2O 1.8%
MgO 0.8%
Cao 3.3%
Fe2O3 0.8%
MnO 0.06%
TiO2 0.50%
P2O5 0.01%
SO3 Không đáng kể
Cl Không đáng kể
11/13/2009
31
F. Bình trao đổi nhiệt
Phân loại bình trao đổi nhiệt
 Số dòng môi chất tham gia trao đổi 
nhiệt (2 hoặc 3)
 Dòng môi chất chuyển động song 
song hay vuông góc.
11/13/2009
32
Nguyên lý bình trao đổi nhiệt
Nguyên lý bình trao đổi nhiệt
Loại 3 dòng môi chất: Oxy, nitơ, không khí.
11/13/2009
33
Cấu tạo bình trao đổi nhiệt
Loại 3 dòng 
môi chất: Oxy, 
nitơ, không khí.
Cấu tạo bình trao đổi nhiệt
Loại 3 dòng 
môi chất: 
Oxy, nitơ khí 
& nitơ lỏng.
11/13/2009
34
G. THIẾT BỊ CHIẾT NẠP VÀ TỒN TRỮ
1. Bơm nén khí và bơm lỏng.
2. Chai chứa khí, nạp khí vào chai.
3. Bình chứa khí hóa lỏng – bình trên 
xe và cố định.
1. Bơm và máy nén
 Để nạp khí vào chai, cần có bơm nén 
khí đế á ất t ê 150 bn p su r n ar.
 Để đưa khí hóa lỏng vào bồn chứa 
cần có bơm lỏng.
11/13/2009
35
 Bơm Oxy không bôi trơn bằng dầu 
mở.
 Các sét-măng không bằng kim loại 
mà bằng các loại sợi tổng hợp.
 Không cần bôi trơn hay bôi trơn bằng 
nước cất và glycerin (7-8%).
Bơm Oxy lỏng
Máy nén khí Oxy
11/13/2009
36
2. Nạp khí vào chai
Van và chai chứa khí
11/13/2009
37
Ống dẫn từ van xuống giúp cho trong chai có vùng chứa hơi -
Điều này giúp chai an toàn hơn
11/13/2009
38
Cơ cấu cặp ống nạp vào van chai
11/13/2009
39
Các loại máy nạp
 Thủ công
 Bán tự động
 Tự động
11/13/2009
40
Nạp thủ công
 Lắp ống nạp vào van chai
 Mở van chai
 Mở van nạp trên khung nạp
 Khi áp suất đạt đền áp suất nạp, 
đóng van chai
ó ê kh Đ ng van nạp tr n ung nạp
 Mở ống nạp ra khỏi van chai.
Nạp bán thủ công
 Lắp ống nạp vào van chai
 Mở van chai
 Ấn nút bắt đầu nạp, van nạp tự động 
mở cho khí vào chai.
 Khi áp suất đạt đền áp suất nạp, van 
nạp tự động đóng lại
 Mở ống nạp ra khỏi van chai.
11/13/2009
41
3. Bình chứa khí hóa lỏng
Bình 2 vỏ chứa khí hóa lỏng
 Bình 2 vỏ, ở giửa là chân không để 
á h hiệtc c n .
 Một số bình còn có bộ làm lạnh.
 Việc duy trì chân không trong võ 
bình là hết sức quan trọng.
11/13/2009
42
Sơ đồ bình 
chứa 2 vỏ 
dạng đứng
11/13/2009
43
Robot ACFM (Alternating Current 
Field Messurement)
Chai 2 vỏ
11/13/2009
44
Tóm tắt chương 2
Các bước điều chế Oxy và Ni-tơ từ 
khô khíng .
 Không khí được nén và làm sạch khỏi 
các loại khí CO2, Axetilen, khí trơ 
và hơi nước.
 Hổn hợp khí được đưa vào bộ chưng 
cất với áp suất 6 bar nhiệt độ -173o C
 Ở đầu ra của bộ chưng cất nhiệt độ 
có thể thấp hơn nửa và áp suất còn 
khoảng 0.6 bar.
 Sản phẩm dạng khí sẽ được nén đến 
200-300 bar trước khi nạp vào chai.
 Sản phẩm dạng lỏng sẽ được chứa 
trong các bình 2 vỏ.