Теория воздухоразделения

Технология разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты известна очень давно. Принцип работы криогенных установок основан на сжижении воздуха и последующем его разделении на азот, кислород и аргон.

Такой способ получения газов называется разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 K и превращается в жидкость.

Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов: кислорода — 90,18 K, азота — 77,36 K. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкие кислород, азот и аргон нужной чистоты.

Принцип разделения газов

В основе работы криогенных установокразделения воздуха лежит метод низкотемпературной ректификации, базирующийся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов находящихся в равновесии жидких и паровых смесей. В процессе разделения воздуха при криогенных температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, осуществляется массо- и теплообмен. В результате паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (компонентом, имеющим более низкую температуру кипения), а жидкая высококипящим компонентом. Таким образом, поднимаясь по ректификационной колонне вверх, пар обогащается низкокипящим компонентом — азотом, а стекающая вниз жидкость насыщается высококипящим компонентом — кислородом.

Преимущества

Криогенный метод — единственный метод, который обеспечивает высокую чистоту продуктов разделения при, что немаловажно, высоком коэффициенте извлечения, и любом количестве продукта, что обуславливает высокую экономичность. При этом метод позволяет одновременно получать несколько продуктов разделения и получать продукты, как в виде газа, так и в виде жидких продуктов. В данном случае, чем больше продуктов получается на выходе, тем эффективнее работает установка. Таким образом, криогенная технология обеспечивает более высокую гибкость технологии.

Недостатки

К недостаткам криогенных кислородных установок можно отнести более длительный, по сравнению с адсорбционными и мембранными установками, пусковой период. В силу чего данный метод целесообразно применять для крупных

Разделения воздуха осуществляется при криогенных температурах (ниже — 150°С) в так называемых воздухоразделительных установках (ВРУ) путем ректификации; воздух предварительно подвергают сжижению. Теоретически минимальная работа, необходимая для разделения воздуха, при обратимом процессе определяется только начальным состоянием воздухаи конечным состоянием продуктов разделения: LМИН =, где Т - температура окружающей среды,-изменение энтропии системы. Действительный расход энергии в ВРУ намного больше, что объясняется потерями холода в окружающую среду, недорекуперацией (необратимостью теплообмена между воздухом и продуктами разделения), гидравлического сопротивлениями и др. Так, расход энергии на получение 1 м3 99,5%-ного О2 достигает 0,38-0,42 кВт*ч, тогда как LMИH = 0,067 кВт*ч. .

В атмосферном воздухе возможно присутствие углеводородов(ацетилена,пропилена, пропана и др.), которые при криогенных температурах затвердевают и образуют с жидким О2 взрывоопасные смеси. Поэтому для обеспечения полной взрывобезопасности ВРУ снабжены специальными системами очисткивоздухаи продуктов его разделения от органических примесей. Ректификациювоздухаобычно проводят в аппарате двукратного действия, который состоит из двух расположенных одна над другой колонн (рис. 1) со встроенным между ними по высоте или выносным конденсатором-испарителем. Трубное пространство последнего сообщается с нижней колонной, и в нем конденсируются пары азота, образующие флегму для обеих колонн. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной, являясь одновременно ее кубом и испарителем.Давлениев верхней колонне (0,14 МПа) обусловливается в основном гидравлическими сопротивлениями, которые должны преодолеть продукты разделения, отводимые из ВРУ.Давлениев нижней колонне (0,55 МПа) соответствует температуре конденсации паровазотажидким кислородом, кипящим в кубе верхней колонны. Принятому перепаду давлений между трубным и межтрубным пространством конденсатора отвечает разность температур 2,5°С. Давление, необходимое для проведения процесса, обусловливается требуемой холодопроизводительностью, агрегатным состоянием продуктов разделения и указанными выше необратимыми потерями. В соответствии с этим различают ВРУ низкого и среднего давления.

Рис. 1. Аппарат двукратной ректификации: