37. Ожижение воздуха.

Наиболее часто происходит по схеме 2, когда теплота вначале отнимается при изотермическом сжатии (Тo.c = const) в компрессоре, а затем при Р=const с помощью внешнего источника охлаждения.

Большое применение получил квазицикл Капицы (рис. 6.2), в котором в качестве нагнетателя используется низконапорный (Р2 = 0,5...0,7 МПа) турбокомпрессор, КПД и производительность которого выше, чем у поршневых компрессоров.

В квазицикле Капицы воздух (исходное сырье для получения О2 и N2) сжимается изотермически (Toc = const, линия 1—2) до давления P2 = 0,5...0,7 МПа. Изотермический процесс дости­гается охлаждением воздуха в холодильнике II. Затем воздух с параметрами Тос и P2 = 0,5...0,7 МПа направляется в регенера­тивный теплообменник (принцип регенеративного использования энергии квазицикла) III, где происходит его охлаждение до темпе­ратуры Т8 (см. рис. 6.2, б) при P2 = const. После этого поток охлаж­денного воздуха с параметрами P2 и Т8 раздваивается на две части. Меньшая часть (5...10 %) направляется на ожижение, а осталь­ная (90...95 %)—в турбодетандер V (рис. 6.2, а). Конденсация (ожижение) происходит в теплообменнике-ожижителе, омываемом смесью воздуха из детандера и сухого насыщенного пара, посту­пающего из сепаратора VII. На sT-диаграмме процесс охлаждения и конденсации соответствует линии 8—3. После теплообменника-ожижителя воздух претерпевает дросселирование (дроссель VI, процесс 3—4) и направляется в сепаратор VII, где жидкость отде­ляется от сухого насыщенного пара. Жидкий воздух (3...6 % от его общего объема, поступающего от компрессора с температурой Т5) отводится по трубопроводу VIII на разделение. Процесс 9—10 соот­ветствует расширению потока в детандере, 10—7— нагреванию при Poc = const в

элементах IV и III. Состояние Т7 (рос) соответ­ствует его сбросу в атмосферу при температуре, несколько мень­шей Toc.

Как видно из рис. 6.2, а, детандер V предназначается для охлаж­дения воздуха за счет его адиабатного расширения (линия 8—10) с получением внешней работы. Конечная температура расширения в турбодетандере (точка 6) примерно равна 103 К.

Рис. 6.2. Цикл Капицы:

а — схема; б — отображение процессов ожижения

38. Разделение воздуха.

Охлаждение и ожижение воздуха является предварительным этапом его разделения. Разделению подвергается жидкий воздух (сухой насыщенный пар), поступающий из трубо­провода VIII (рис. 6.2, а), путем низкотемпературной ректифика­ции, когда смесь жидкостей О2 и N2 подвергается многократно повторяющимся частичным испарениям и конденсации. При этом пар, находящийся в равновесии с жидкостью, естественно, содержит больше вещества с низкой температурой кипения, а жидкость соот­ветственно обедняется низкокипящей компонентой (азотом).

Принципиальная схема колонны однократной ректификации показана на рис. 6.3. Однократная ректификация применяется в установках малой производительности и для получения жидкого кислорода. При большой единичной производительности установки используется двукратная ректификация.

Разделяемая смесь в виде жидкости, сухого насыщенного пара или смеси пара и жидкости подается по трубопроводу 1 в среднюю часть колонны 2. В нижней части колонны разделяемая смесь накапливается в виде жидкости, где размещен трубчатый испари­тель 3. Жидкая фаза смеси О2 и N2 стекает по тарелкам колонны вниз и за счет подвода теплоты к элементу 3 испаряется, подни­маясь вверх колонны, и поступает в конденсатор 4, в котором осу­ществляется отвод теплоты. Образовавшаяся при этом жидкая фаза стекает вниз, контактируя с восходящим потоком паров. В испарителе 3 в первую очередь начинает испаряться жидкий азот, а оставшаяся в испарителе жидкость насыщается кислородом. При этом температура кипения жидкости в испарителе возрастает и начинает испаряться тяжелокипящая ее составляющая (кисло­род). В конденсаторе вначале конденсируются пары кислорода и жидкий кислород стекает вниз. Температура конденсации сни­жается за счет обогащения смеси азотом.

В результате из верхней части колонны отбирается жидкий или газообразный азот (соответственно N2(ж) и N2(г), а из нижней час­ти— жидкий и газообразный кислород (О2(ж) и О2(г)).

В колонне однократной ректификации удается получить чистый кислород и разбавленный кислородом до 5... 10 % азот.

В колоннах двукратной ректификации получают кислород и чистый азот. Колонна состоит из частей высокого (нижняя часть, 0,5...0,6 МПа) и низкого давления (верхняя часть, 0,13... ...0,14 МПа).

Воздух по трубе 1 подается в нижнюю часть 2 составной колон­ны (рис. 6.4). При входе в колонну воздух конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования на испарение азота. В резуль­тате испарения части N2 жидкая фаза обогащается кислородом до 39...40 %, и через переохладитель 9 и дроссельный вентиль 8 направляется в качестве исходной смеси в часть 4 низкого давле­ния составной колонны. Пары N2 поднимаются к испарителю 3, где конденсируются жидким кислородом, находящимся в межтрубном

пространстве. В свою очередь кислород (О2(ж)) кипит за счет кон­денсации паров азота. Жидкий кислород, стекая вниз, орошает тарелки высокого давления, а также частично собирается в карма­нах испарителя и оттуда направляется на орошение части низкого давления, минуя переохладитель 7 и дроссельный вентиль 6. При дросселировании жидкого воздуха в вентиле 8 и азота в вентиле 6 их давление снижается. При этом получается дополнительное коли­чество холода для снижения температуры и покрытия хладопотерь в верхней части составной колонны.

В части низкого давления колонны происходит окончательное разделение обогащенной до 39...40 % кислородом смеси, посту­пающей из части высокого давления.

Газообразный азот с концентрацией 97...98 % отбирается по трубе 5, проходит через переохладитель 7 флегмы N2 и переохла­дитель жидкого воздуха 9 (кубовой жидкости), где охлаждает азотную флегму и жидкий воздух и отводится к потребителям по трубе 10.

К ислород (концентрация 99,8...99,7 %) отбирается из части низкого давления соответственно по трубам 11 (О2(г)) и 12(О2(ж)) газообразного и жидкого целевого продукта.