Тема 29. Разделение воздуха методом низкотемпературной

ректификации

Процесс ректификации воздуха основан на явлении коденсации кислорода в азотно-кислородной жидкости с одновременным испарением из нее азота.

Сущность процесса состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода (и большим азота).

Такая жидкость имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пара. Это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости и одновременно испарение из жидкости азота, т.е. обогащение им паров над жидкость..

Процесс происходит при непосредственном соприкосновении пара с жидкостью и повторяется многократно, пока не получится пар, состоящий почти из одного азота, и жидкость, представляющая собой почти чистый кислород. Процесс осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных колоннах.

Аппарат представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну с расположенными внутри горизонтальными перегородками (тарелками). В небольших колоннах (ф250 мм) иногда вместо тарелок применяется насыпная насадка.

Жидкая смесь азота и кислорода стекает вниз по тарелкам или насадке, а навстречу поднимается смесь паров азота и кислорода. Соприкасаясь на тарелках или насадке с жидкостью, пары отдают кислород, а сами обогащаются азотом, испаряемым из жидкости конденсирующимся в ней кислородом.

В результате, наверху колонны получают почти чистый газообразный азот, а внизу – жидкость, состоящую почти из чистого кислорода.

Рассмотрим конструкцию и схему работы двух наиболее распространенных типов ректификационных тарелок.

Ситчатая тарелка (рис.29, а) представляет собой тонкую пластинку из латуни, алюминия или нержавеющей стали =0,8-1,0 мм с отверстиями ф=0,9-1,2 мм (100 тыс.шт. на 1 м²). Уровень жидкости определяется сливной перегородкой.

Пар проходит через отверстия в тарелке снизу вверх, барботируя через жидкость. Тарелки устанавливают одну над другой, переливание жидкости с одной тарелки на другую происходит через сливные стаканы 2.

Колпачковые тарелки (рис.29, б) снабжены штуцерами с колпачками. Пар через штуцеры поступает под колпачки, выходит через прорези в нижней их части и барботирует через жидкость.

29.1. Однократная ректификация

Наиболее простое устройство для разделения воздуха – колонна однократной ректификации.

На схеме (рис.29.2.) показан процесс ожижения Линде, но точно так же может быть использован и любой другой из известных процессов ожижения.

При разделении воздуха та часть процесса ожижения, которая по рассмотренным ранее схемам протекала в отделителе жидкости и дросселе (штриховые линии), осуществляется одновременно с процессом ректификации.

Сжатый воздух после теплообменника (точка 3) подают на дросселирование через змеевик (З), расположенный в испарителе (И) ректификационной колонны. В змеевике сжатый воздух ожижается, при этом испаряется жидкость испарителя, т.к. температура кипения воздуха выше температуры в кубе колонны, где жидкость находится под давлением, равным 1 кгс/см².

Полученный жидкий воздух (точка 4) дросселируют до 1 кгс/см² и (точка 5) подают на верхнюю тарелку ректификационной колонны.

Таким образом, змеевик является как бы продолжением теплообменника, и необходимое тепло передается жидкости испарителя от сжатого воздуха, который в результате ожижается. Следовательно, испаритель одновременно играет и роль конденсатора для флегмы.

Из колонны в точке 6 отводится не чистый азот, а пар, равновесный жидкому воздуху в точке 5. Так как полного равновесия не достигается, практически газ, отходящий из колонны, содержит около 10-12% О₂.

Пары загрязненного азота отводят через теплообменник противотоком по отношению к поступающему воздуху, аналогично тому, как отводят пары из отделителя жидкости при ожижении воздуха.

В испарителе колонны собирается кислород, который может быть отведен либо в жидком (точка 7^`), либо в газообразном виде (точка 7).

В колонне однократной ректификации можно получить до 2/3 кислорода от количества, содержащегося в воздухе, так как около 1/3 его теряется с азотом.

Если кислород отводят в газообразном виде, пропуская его так же, как и азот, через теплообменник, то жидкость из системы не выводится, и, следовательно, в колонну необходимо подавать только такое ее количество, которое компенсирует потери от испарения в результате теплопритока из окружающей среды через изоляцию и от разности температур между точками 2, 9 и 8. Поэтому при получении газообразного кислорода не требуется такой затраты энергии, как при получении жидкости, что позволяет снизить рабочее давление сжатого воздуха.

Энергетический баланс процесса разделения воздуха на газообразный

кислород и азот аналогичен балансу процесса ожижения воздуха.

В процессе с детандером при получении жидкого кислорода

,

где

i_ож – разность энтальпий между входящим воздухом и отводимым

жидким кислородом;

i_н - коэффициент недорекуперации, относится к отходящему из

теплообменника азоту.

При получении газообразных О₂ и N₂ жидкость из аппарата не выводится, т.е. y=0. Следовательно, с учетом потерь от притока теплоты через изоляцию

Изотермический дроссель-эффект i_Т при разделении несколько меняется, т.к. из теплообменника выходит не воздух в смеси кислорода и азота, а кислород и азот отдельно. Однако эта разница настолько невелика, что ею пренебрегают.

Величина потери от недорекуперации i_н при разделении воздуха на газообразные О₂ и N₂ складывается из двух величин i_н для азота и для кислорода.

Для кислорода (1 кг):

Для азота (1 кг):

где и - соответственно теплоемкости кислорода и азота.

Окончательно уравнение энергетического баланса воздухоразделитель-ного аппарата имеет вид:

,

где В кг/ч – количество разделяемого воздуха

Для установок без детандера М=1 второй член левой части обращается в нуль.

Если известны величины потерь от недорекуперации и через изоляцию, то используя уравнение энергетического баланса, можно по расчетным и опытным данным определить необходимое рабочее давление и количество воздуха (1-М).