Ректификация жидкого воздуха

Достаточно полное разделение воздуха достигается в результате непрерывной ректификации, которая осуществляться в ректификационных колоннах. Схема такой колонны представлена на рис. 4.4.

В нее на разделение подается жидкая бинарная смесь веществ (А+К). В колонне создаются два непрерывных встречных потока: вверх – пары; вниз – жидкость.

В испарителе к жидкой смеси подводится теплота Q и, под воздействием которой жидкость кипит. Пар поднимается по колонне и при этом он обогащается легкокипящим компонентом. Это происходит потому, что верхняя часть колонны холоднее, а нижняя теплее. Таким образом, пар, поднимающийся вверх, постепенно охлаждается, а жидкость стекающая вниз, постепенно нагревается. За счет разности температур по высоте колонны происходит непрерывный процесс тепломассообмена.

Рис. 4.4. Схема ректификационной колонны и процесса ректификации бинарного раствора в ней

Продукты разделения выводятся из колонны, как в жидком, так и парообразном состоянии, как показано на схеме.

Термодинамические основы и принцип работы ректификационной колонны не зависят от температурного уровня проходящих в ней процессов. То есть внутренние процессы одинаковы и при Т > Т о.с и Т < Т о.с.

Но во внешних процессах, т.е. в подводе теплоты Q и и отводе Q к, есть отличия. Нельзя организовать непосредственный нагрев в испарителе, а также охлаждение в конденсаторе. Так как процесс конденсации происходит при криогенных температурах, то для его организации необходимы циклы криогенного обеспечения. Они требуют значительных затрат энергии. Тем более, что потери при низких температурах всегда выше, чем при высоких.

Например: при подводе в испарителе 1000 кДж теплоты при t и = 200 °С (473 К) ее ценность (в единицах эксергии) составит

При отводе из конденсатора такого же количества теплоты Q к = 1000 кДж при температуре t к= –200 °С (73 К) его ценность составит

,

т.е. примерно в 8 раз больше.

Организовать нагрев в испарителе за счет внешнего теплоподвода просто – достаточно нарушить теплоизоляцию. Но этот путь неприемлем, так как эту теплоту затем нужно будет удалять в конденсаторе. И, как мы видели, очень дорогой ценой. Поэтому теплота испарения, обычно, отбирается у самого сжижаемого газа (воздуха).

Колонна однократной ректификации (для получения кислорода)

Это наиболее простое устройство для ректификации воздуха. Для лучшего понимания на рис. 4.5 вместе с колонной приведена схема сжижения воздуха по К. Линде, хотя можно применить любую другую схему.

Рис. 4.5. Схема колонны однократной ректификации для получения кислорода в блоке с воздухосжижительной установкой К. Линде

Работа установки в процессах:

1 – 2 – изотермическое сжатие атмосферного воздуха;

2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике ТО встречными потоками азота (А), кислорода (К) воздуха (В);

3 – 4 – сжижение воздуха в змеевике испарителя. Здесь воздух является источником теплоты Q и;

4 – 5 – дросселирование. Флегма при давлении Р» 0,1 МПа подается на верхнюю тарелку колонны.

В точке 6 отводятся пары азота, но не чистые, а равновесные кипящему воздуху при температуре Т 5 (в точке 5). Поэтому они содержат примерно 10-12 % кислорода. Пары отводятся в ТО, где охлаждают встречный поток сжатого воздуха, идущего в змеевик испарителя для конденсации.

В испарителе колонны скапливается кислород (как более труднокипящая жидкость). Он может отводиться в жидком (в точке 7') или газообразном (в точке 7) виде.

В такой установке можно получить до 2/3 технически чистого кислорода от общего количества кислорода в воздухе, переработанного установкой. Около 1/3 теряется с азотом. Давление в колонне близко к атмосферному и не превышает 0,13 – 0,15 МПа.

Особенность этой колонны (см. рис. 4.6) – наличие конденсатора.

Рис. 4.6. Схема колонны однократной ректификации для получения азота

Сжатый и охлажденный в теплообменнике (ТО) воздух через дроссельный вентиль Др1 подается в куб колонны, при этом происходит его сжижение и частичное испарение. Обогащенный азотом пар по колонне поднимается вверх навстречу стекающей флегме и, уже практически чистый азот, попадает в трубное пространство конденсатора. Здесь азот конденсируется за счет отвода теплоты кипящему обогащенному кислородом жидкому воздуху, который поступает из куба через дроссель Др2 в межтрубное пространство конденсатора.

Флегма, образующаяся в конденсаторе, по существу чистый азот, стекая вниз по колонне, скапливается в карманах конденсатора и отводится как конечный продукт в жидком виде.

Чистые пары азота скапливаются под крышкой конденсатора. Отсюда они отводятся как конечный продукт – газообразный азот.

Обогащенный кислородом воздух из межтрубного пространства конденсатора используется для охлаждения сжатого воздуха в ТО.

….