5. Теоретические основы разделения жидкого воздуха на азот и кислород. Устройство ректификационной установки.

Теоретическая минимальная работа для разделения воздуха определяется как сумма работы изотермического сжатия каждого компонента от его парциального давления до давления смеси:

парц. давление компонента в смеси.

Действительный расход энергии выше теоретического. Для разделения на кислород и азот сжиженный воздух подвергают ректификации. С повышением давления разница составов жидкой и паровой фаз уменьшается. Она полностью исчезает при критическом давлении.

В современных крупных агрегатах ректификация жидкого воздуха происходит в колоннах двукратной ректификации. Аппарат состоит из нижней колонны, конденсатора и верхней колонны.

С жатый воздух поступает в нижнюю часть колонны 4, где обогащенный кислородом жидкий воздух, содержащий 35-45% . Этот жидкий воздух дросселируется и попадает на тарелку верхней колонны 1. Пары поднимаются через тарелки нижней колонны к конденсатору 2, постепенно обогащаясь азотом; стекающая по тарелкам жидкость обогащается кислородом. Газообразный азот, находящийся под давлением, конденсируется в аппарате 2 за счет холода испаряющегося жидкого кислорода, получаемого в верхней колонне. Азот стекает в виде флегмы в нижнюю колонну и частично попадает в карманы 3 конденсатора, откуда дросселируется и направляется на орошение верхней колонны. Поступающий в среднюю часть верхней колонны обогащенный воздух ректифицируеся, причем кислород стекает в конденсатор; газообразный азот отводится из верхней части колонны.

Давление в верхней колонне зависит от сопротивления трубопроводов, регенераторов и обычно находиться в пределах 0,13 – 0,15МПа. При этом давлении темп. кипения кислорода равна 93 – 94К. Чтобы происходила конденсация азота, в нижней колонне необходимо создать давление, соответствующее температуре конденсации азота 96К. Указанная температура конденсации азота 96К. Указанная температура конденсации азота соответствует давлению 0,6 МПа. Наличие в воздухе аргона оказывает влияние на ректификации. Он скапливается на средних тарелках колонны. Одновременное получение азота высокой чистоты и технического кислорода невозможно без отбора аргонной фракции. Число тарелок ректиф. колонны зависит от требуемой чистоты продуктов разделения. В нижних колоннах имеется 24-36, в верхних 36-58 тарелок. Средняя скорость паров в нижней колонне 0,15-0,25 м/c, в верхней 0,25-0,8 м/с. Используются ситчатые кольцевые тарелки с одним, двумя или тремя переливами.

6.Типы воздухоразделительных установок.

Отличаются холодильным циклом, методом подготовки воздуха к разделению.

Виды: азотные (А), кислородные (К), азотно-кислородные (АК).

Процесс разделения воздуха состоит из:

1. Очистка воздуха от пыли

2. Сжижение воздуха

3. Осушка воздуха

4. Очистка воздуха от СО₂

5. Очистка воздуха от горючих газов

6. Дросселирование или расшир.

7. Сжижение

8. Ректификация

В воздухе пыли 0.002-0.02 г/м.Очистка от пыли осущ. в масляных фильтрах путем пропуск. возд. через насадку, которая орошается маслом.

В воздухе всегда сод-ся водяной пар. Кол-во зависит от температуры. С увеличением температуры увеличивается содержание влаги.

Абс.,адс.,криогенный метод(вымораживание). При абсорбции используют H₂SO₄ конц. При адсорбции используют силикогель, цеолиты. Абсорбция и адсорбция в настоящее время не применяются. Криогенный метод – охлаждение воздуха до низкой температуры. Влага конд-ся на поверхности насадки ввиде льда, а при обратном потоке прод. разделения эта влага испар-ся и уносится.

В воздухе содержится СО₂ 0.03%. Применяются адсорбция, абсорбция и криогенный метод. При абсорбции используется щелочь, но дорого, поэтому не применяется. В промышленности применяется адсорбция на цеолитах и вымораживание. Сухой лед отлажив. на поверхности холод. или регенераторов.

Содержание горючих газов опасно, т.к. с жидким кислородом может взорваться. Основной способ очистки – адсорбция на силикогелях при температуре 100 К.

1. Компрессор

2. Кислородные регенер.

3. Азотные регенер.

4. Вентели

5. Абсорбер СО₂

6. Нижняя ректификационная колонна

7. Выносной конденсатор N₂

8. Верхняя ректификационная колонна

9. Турбодетандер

10. Абсорбер ацетилена

11. Дроссельные вентели

Исходный воздух сжимается до Р=0.6 МПа и разделяется на 2 потока: в азотный и кислородный регенераторы. Это теплоизолированная цилиндрическая емкость, которая заполнена базальтовой насадкой. Задача регенератора: использование холода продуктов для охлаждения воздуха. Регенераторы работают попеременно. Воздух в 1-м цикле поступает на насадку, которая в предыдущем цикле была охлаждена до 100К. На насадке вымораживается вод. пар. Переключение потоков осущ. через 9 мин. Пройдя через охлажденную насадку возд. поступает нижнюю ректификац. колонну для для предварит. разделения. Вод. пар и СО₂ с насадки уносятся обратным потоком. Чтобы насадка не забивалась, часть возд. (10%) отбир. Из регенер. При температуре 110 К вод. вымораживается , остается СО₂. Возд. идет в абсорбер, дальше в детандер. В нижн. Ректиф. Колонне р=0.6 МПа. Возд. разделяется на N₂ чист.(отбир. с верхн. тарелки). Часть несконд. возд. отбир. и смешив. с возд. из регенер. и подается в турбодетандер, где расшир. до р=0.13-0.15 и Т=198К. Абсорбер ацетилена. В ср. часть верхн.ректифик. колонны. Продукты разделения: верхн.тарелка нижней колонны – часть N₂ – идет в межтрубное пространство конд., в котором охлождается кип. жидкий кислород, который отбирается из нижней части верхней колонны. Сконденс. N₂ подается на орошение верхн. тар. верхней колонны. Этот N₂ дросселир. с 0.6 до 0.13 МПа и подается в верхн. часть колонны. Здесь происходит окончательное разделение воздуха на N₂ чист., грязн. и технолог. О₂. Чист. N₂ отбир. с верхн./верхн. и он им. низкую Т. Поэтому чистый N₂ поступает в змеевики, расположенные во всех регенераторах. Далее N₂ может быть использован. Жидкий кислород из куба нижн.поступ. в конд., испар. Испар-ся О₂ в верхн. кол. и направляется на насадку кислородного регенератора. Грязный азот отбирается из средней части верхней колонны и подается на насдку азотных регенер. Проходя через насадку кислород и азот охлаждают ее и уносят СО₂ и сконденс-ый вод. пар.