1, 2-Ректификац. Колонны; 3 - конденсатор-испаритель
ВРУ низкого давления (рис. 2) применяют для получения газообразных продуктов разделения. Очищенный от механических примесей воздух сжимают компрессором до давления 0,55 МПа, а требуемая холодопроизводительность достигается расширением части его в турбодетандере до давления 0,14 МПа. По этой схеме, основоположником которой был П. Л. Капица, строится большинство крупных отечественных и зарубежных ВРУ. Решающим фактором, определившим возможность их создания, явилась разработка П. Л. Капицей высокоэффективного реактивного турбодетандера.
Рис. 2. Принципиальная схема воздухоразделительной установки
низкого давления:
1-турбокомпрессор; 2-концевой холодильник; 3 -реверсивные теплообменники; 4-турбодетандер; 5, 7-соотв. нижняя и верхняя ректификац. колонны; 6-конденсатор-испаритель; 8, 9-охладители соотв. азотной флегмы и кубовой жидкости. 10-адсорбер; 11 и 12, 13-клапаны соотв. автоматического и принудительного переключения потоков..
Сжатый в компрессоре воздух охлаждается затем продуктами разделения до - 170°С в переключающихся регенераторах или реверсивных пластинчатых теплообменниках. Одновременно с понижением температуры воздухавымораживаются содержащиеся в нем водяныепарыи СО2. Затвердевшие примеси сублимируются и выносятся при рекуперации холода продуктами разделения и при соответствующем переключении теплообменных аппаратов. Далее воздух подвергается адсорбционной очистке отацетиленаи др. взрывоопасных примесей и делится на три потока. Первый (большая часть воздуха) поступает на разделение в нижнюю колонну. Второй подогревается в теплообменниках и смешивается с третьим потоком; смесь после расширения в турбодетандере направляется на разделение в верхнюю колонну. В нижней колонне происходит предварительная ректификациявоздухана 97,0-99,9%-ный N2 и жидкость, содержащую 36-40% О2; последняя окончательно разделяется на N2 и О2 требуемой концентрации в верхней колонне.
Рис. 3. Принципиальная схема воздухоразделит. установки среднего давления: 1-компрессор; 2-концевой холодильник; 3, 6-соотв. Предварительный и основной теплообменники; 4-отделитель влаги; 5-блок комплексной адсорбционной очистки воздуха; 7 - детандер. 8- теплообменник-ожижитель; 9, 11-соответственно нижняя и верхняя ректификационные колонны; 10-конденсатор-испаритель; 12, 13-охладители соотв. азотной флегмы и кубовойжидкости. 14-дроссельный вентиль.
В обеих колоннах в результате массообмена между поднимающимися вверх парами N2 и О2 и стекающей вниз флегмой (жидким N2) парыобогащаются азотом (конденсируется высококипящий О2), а жидкость-кислородом (испаряется низкокипящий N2). При этом азот отводится из верхней колонны сверху, а кислород - из ее куба. .
ВРУ среднего давления (рис. 3) используют для получения жидких продуктов разделения. В этих установках в отличие от ВРУ низкого давления большая часть сжатого (до 3 МПа и выше) воздухарасширяется до 0,55 МПа в турбодетандере, благодаря чему обеспечивается необходимое увеличение холодопроизводительности. разделение воздуха также производится в аппарате двукратной ректификации. .
Получение Аr. При разделении воздуха содержащийся в воздухе Аr(0,93%) распределяется между N2 и О2. При получении чистого азотаосновное количество Аr отводится скислородом(до 4%), при получении чистого кислорода – с азотом (до 1%). Наличие в N2 и О2 примеси Аr не всегда допустимо. Например, при синтезе NH3 из элементов Аr как инертный газ накапливается в системе, что снижает эффективное давление процесса. Кроме того, поддержание в цикле содержания Аr на допустимом уровне приводит к необходимости непрерывного вывода (путем продувки) из системы части циркулирующей азотоводородной смеси. Чистые азот и кислород получают отбором из верхней колонны фракции N2-O2-Ar, а Аг как целевой продукт - ректификацией данной фракции в дополнительной колонне (рис. 4, а). Отводимый из этой колонны сырой Аr, содержащий 2-5% О2 и 1-2% N2, смешивают (для связывания О2) с водородом и подвергают очистке от О2 на палладиевом катализаторе. Отазотаи некоторого избытка водорода аргон освобождают ректификацией в специальной колонне (рис. 4,6).
Получение Ne, Кr и Хе. Неон в составе азото-неоногелиевой смеси вместе с Н2 накапливается под крышкой конденсатора-испарителя. Далее эта смесь обогащается противоточной дефлегмацией в спец. концентраторе, расположенном над тарелками верхней ректификац. колонны в сборнике жидкого азота. Смесь неона с гелием отбирается из-под крышки концентратора. Криптон и ксенон, накапливаемые в кубе верхней колонны, выделяются при получении больших количеств кислорода и азота.
Смесь О2-Кr-Хе разделяется в дополнит. колонне, из куба которой отбирается жидкий О2, содержащий небольшие количества Кr и Хе (так называемый первичный концентрат). Ne из неоно-гелиевой смеси и Кг и Хе из обогащенного первичного концентрата выделяются адсорбционным методом. .
Рис. 4. Схема получения аргона: a-блок выделения сырого аргона: