3.4. Колонны для разделения воздуха

Разделение воздуха на составные части - кислород и азот - осуществля­ется в ректификационных колоннах.

Для получения в чистом виде одного из компонентов воздуха: кисло­рода или азота применяют колонны однократной ректификации. Для полу­чения в чистом виде сразу оба продукта применяют колонны двукратной ректификации.

Колонна однократной ректификации

С хематично колонна одно­кратной ректификации для полу­чения только чистого кислорода показана на рис. 3.7. Внизу колон­ны имеется испарительный сосуд со змеевиком, заполненный жид­ким кислородом. В кислород по­гружен змеевик, через который проходит сжатый и предваритель­но охлажденный в теплообменни­ках воздух до температуры близ­кой к температуре насыщения. В колонне цилиндрической формы расположены горизонтально та­релки в количестве, необходимом для осуществления процесса рек­тификации. Сжатый воздух, про­ходя змеевик испарительного со­суда, конденсируется, вызывая ис­парение кислорода. Для получения чистого кислорода сконденсированный воздух через дроссельный вентиль ДВ подается в верхнюю часть колонны.

Испарившаяся часть воздуха в процессе дросселирования отводится из верхней части колонны вместе с поднимающимися парами, которые от тарелки к тарелки все время обогащаются нижекипящим компонентом - азотом.

Жидкая часть воздуха, обогащенная кислородом, стекает вниз, при­ходя в тесный контакт на каждой тарелке с поднимающимися парами.

Стекающаяся жидкость в результате тепломассобмена на каждой тарелке обогащается кислородом от тарелки к тарелке, отбирая его у поднимаю­щихся паров.

При достаточном количестве тарелок в нижней части колонны-испа­рителя получается чистый жидкий кислород. Получаемый кислород может отводится из испарителя в жидком или газообразном виде.

П ары, уходящие из верхней части колонны в идеальном случае будут находиться в равновесном состоянии с жидкостью, поступающей в верх­нюю часть колонны, то есть уходящий «грязный или отбросной» азот должен содержать 7 % кислорода, что влечет за собой потерю примерно35 % кислорода, содержащегося в воздухе.

Для получения только чистого азота воздух должен поступать в ко­лонну в нижней части (рис. 3.8). Поднимаются пары от тарелки к тарелке, обогащаются азотом, в верхней части поднимающиеся пары содержат чистый азот. Выходящий из колонны газообразный азот частично конден­сируется в конденсаторе К и в жидком виде в качестве флегмы стекает на верхнюю тарелку. Процесс ректификации на каждой тарелке протекает аналогичным образом. В результате ректификации в верхней части колон­ны поднимающиеся пары содержат чистый азот, а стекающая жидкость от тарелки к тарелке обогащается кислородом и в нижней части колонны об­разуется жидкость, находящаяся в равновесном состоянии с поступающим в колонну воздухом, то есть в идеальном случае жидкость должна содер­жать 51,5 % кислорода.

Колонна двукратной ректификации

Для одновременного получения кислорода и азота применяются ко­лонны двукратной рек­тификации (рис. 3.9). Разделитель­ная колонна состоит из нижней колонны, отгон­ной секции, в которой происходит процесс рек­тификации при давлении 0,5-0,6 МПа, и верхней, концентрационной сек­ции работающей под не­большим избыточным давлением 0,13-0,14 МПа.

Между этими колоннами размещен кон­денсатор, который одно­временно является испа­рителем для верхней ко­лонны и конденсатором для нижней колонны.

И спарение кислоро­да в межтрубном про­странстве (за последнее время и в трубном про­странстве) конденсатора происходит при давле­нии 0,13-0,14 МПа, а конденсация азота внут­ри трубок того же кон­денсатора - при давле­нии 0,5-0,6 МПа. Давление в нижней колонне выбирается из необхо­димости создания разности температур между испаряющимся кислородом и конденсирующимся азотом на уровне .

Чем больше разность температур, тем выше необходимо поддержи­вать давление в нижней колонне.

При такой организации процесса ректификации отпадет необходи­мость в постороннем теплоносителе для кипения кислорода и хладоноси­теле для конденсации азота. Роль теплоносителя и хладоносителя в этом случае играют непосредственно азот и кислород, поступающие в конден­сатор. Процесс ректификации в колонне двукратной ректификации проте­кает следующим образом: При использовании для вру цикла высокого или среднего давления воздух при давлении, выше 0,5-0,6 МПа (в случае дросселирования после испарителя) проходит вначале через змеевик испа­рительного сосуда, вызывая испарение кубовой жидкости в испарителе, подохлаждается и частично ожижается. После чего частично ожиженный воздух проходит дроссельный вентиль Д1, где дросселируется (до давле­ния 0,5–0,6 МПа) и поступает в среднюю часть нижней колонны при давле­нии 0,5–0,6 МПа. Жидкая часть воздуха стекает вниз по ректификацион­ным тарелкам, а газообразная часть, обогащенная азотом, поднимается вверх, проходя ректификационные тарелки.

В нижней колонне происходит предварительное разделение воздуха: в ее нижней части образуется жидкость, названная кубовой жидкостью, обогащенная кислородом до 36–45 %; в верхней части колонны образуется газообразный чистый азот.

Пары азота, поступая в конденсатор, установленный в верхней части нижней колонны, конденсируются и в виде жидкости-флегмы стекают вниз по ректификационным тарелкам. При этом часть жидкого азота попа­дает в азотные карманы, откуда через дроссельный вентиль Д3 дроссели­руется до избыточного давления 0,13–0,14 МПа и поступает наверх верх­ней колонны. Жидкий азот стекает вниз по ректификационным тарелкам нижней колонны, постепенно обогащается кислородом, и в нижней части колонны имеет концентрацию кислорода, равную 36–45 % в испарителе.

Кубовая жидкость, обогащенная кислородом до 36–45 %, из испарите­ля через дроссельный вентиль Д2 поступает в среднюю часть верхней колонны.

В верхней колонне жидкий азот и кубовая жидкость в качестве флег­мы стекают вниз навстречу поднимающимся парам, имеющим температуру, примерно на выше температуры жидкости на каждой тарелке.

В результате ректификации в верхней колонне, в верхней ее части, об­разуется газообразный чистый азот, а нижней – жидкий кислород.

Чистый кислород в газообразном или жидком виде из нижней части верхней колонны отводится в качестве продукта разделения. Газообраз­ный кислород направляется в теплообменные аппараты для подогрева до температуры окружающей среды, охлаждая прямой поток воздуха. Жидкий кислород отводится в специальные низкотемпературные емкости – сосуды.

Чистый газообразный азот отводится из верхней части верхней ко­лонки в качестве продукта и также направляется в теплообменные аппара­ты для подогрева до температуры окружающей среды, охлаждая прямой поток воздуха.