2. Розділення повітря глибоким охолоджуванням

Чистий кисень або збагачене киснем повітря використовується в деяких процесах конверсії природного газу як окислювач метану і інших вуглеводнів. Рідкий азот знайшов вживання для тонкого очищення водню від СО та СН₄ і паралельного отримання стехіометричної азотоводневої суміші.

Джерелом для отримання азоту і кисню є атмосферне повітря, ресурси якого практично необмежені. У ньому міститься також 0,93 % об’єм. аргону і дуже мала кількості неону, гелію і інших рідких газів. У виробництві розділення повітря з отриманням кисню та азоту здійснюють шляхом зріджування повітря з подальшою його низькотемпературної ректифікацією, оскільки температури кипіння кисню, азоту і аргону при атмосферному тиску різні: температура кипіння кисню —182,81 °С, азоту — 195,61 °С і аргону — 185,87 °С.

Вивчається також можливість розділення повітря адсорбційним методом на цеолитах (молекулярних ситах) і дифузійним методі, заснованому на різній швидкості дифузії газів через напівпроникні перегородки (мембрани).

Теоретичні основи процесу

Глибоким охолоджуванням прийнято називати зниження температури речовини нижче —100 °С, помірним охолоджуванням — до температури вище —100 °С. Критична температура, тобто така температура, вище за яку речовина не може знаходитися в рідкому стані, для кисню рівна —118,4 °С, а для азоту —147 °С. Відповідно критичний тиск, тобто тиск пари над рідиною при цій температурі, для кисню рівний 5,01 МПа, а для азоту — 3,35 МПа. Так, щоб виділити азот і кисень методом розділення, слід отримати рідке повітря.

Відомо, що такі реальні гази, як азот і кисень, не підкоряються законам ідеальних газів, зокрема, законам Бойля — Маріотта і Гей-Люссака, оскільки в цих законах не враховується робота, що витрачається на подолання сил тяжіння між молекулами, а також не враховується вплив власного об'єму самих молекул. Чим вище тиск і нижче температура газу, тим більше відхилення від законів ідеальних газів.

Якщо при постійній температурі Т₁ стискування якого-небудь, реального газу від початкового тиску Р₁, до тиску Р₂, а потім знизити тиск до тиску Р₁ шляхом дроселювання, тобто пропустивши газ через пристрій, створюючи опір (наприклад, через діафрагму або вентиль) без здійснення зовнішньої роботи і без теплообміну із зовнішнім середовищем, то кінцева температура Т₂ може бути вище, рівна або нижче за початкову температуру Т₁ (ефект Джоуля — Томсона). При дроселюванні ідеального газу температура залишається постійною.

Для отримання холоду представляє інтерес такий випадок, коли в результаті дроселювання температура газу понизиться. При дроселюванні повітря від початкового тиску 20—30 МПа до атмосферного або до якого-небудь проміжного тиску в області яка нас цікавить то спостерігається пониження температури газу.

Використовувати лише дроселювання попередньо зжатого повітря для його зрідження технічно не є можливим, оскільки для цього необхідно стискати повітря дуже високого тиску, тому в техніці принцип дроселювання поєднується з теплообміном.

Дросель-ефект повітря приблизно пропорційний різниці тисків до і після дроселювання (Р₂ — Р₁). Відомо, що витрата енергії, на стискування за ізотермічних умов пропорційна величині lg(Р2/Р1). Можна вважати, що дросель-ефект при дроселюванні від 20 МПа до атмосферного тиску в 2 рази вище за дросель-ефект при дроселюванні від 10 МПа (також до атмосферного тиску), а витрата енергії вище лише на 15%. Тому для здобуття холоду доцільно використовувати дроселювання більш високого тиску. У техніці Початковий тиск дроселювання складає близько 20 МПа. Застосування вищих тисків ускладнює і здорожує компресорні агрегати.

Можливий і інший процес отримання глибокого холоду: розширення попереднє стислого в ізотермічних умовах газу із здійсненням зовнішньої роботи. Розширення протікає в адіабатичних умовах, тобто без теплообміну з навколишнім середовищем в поршневій або турбомашині, званими відповідно поршневим або турбодетандером. Холодильний ефект, що створюється детандером, в кілька разів вище, чим ефект, що отримується при дроселюванні. Поршневі детандери використовуються у повітрєроздільних агрегатах відносно невеликої продуктивності, а турбодетандери — в агрегатах високої продуктивності. Проте експлуатація детандерів, особливо поршневих, при низьких температурах складніше, тому в промисловості використовуються агрегати як з дросель-ефектом, так і з здійсненням зовнішньої роботи.

Цикли глибокого охолоджування

Цикли з використанням ефекту однократного дроселювання. Повітря стискується в поршневому компресорі до тиску Р₂ і охолоджується водою в холодильнику до температури Т₁, а в теплообміннику — до температури Т₂. Потім він дроселюється до тиску Р₁, охолоджуючись при цьому до температури зжиження. Рідке повітря відділяється в збірці, а повітря, що розширилося, нагрівається в теплообміннику до початкової температури Т₁.

Цей цикл може бути вдосконалений введенням відносно дешевого аміачного охолоджування повітря до —45 °С, а також стискуванням частини повітря до 12—20 МПа, при якому досягається досить високий ефект дроселювання, і стискуванням останньої частини повітря до мінімально можливого тиску, рівного 0,6 МПа.

Цикл низького тиску з турбодетандером. Повітря зжимається турбокомпресором від тиску Р₁, близького до атмосферному, до тиску Р₂, рівного 0,5—0,6 МПа, проходить водяний холодильник, охолоджується в теплообміннику-регенераторі і розділяється на два потоки: велика його частина (90%) розширюється в турбодетандері до тиску 0,13 МПа, охолоджуючись при цьому та температури, близької до температури зрідження а потім віддає свій холод послідовно в конденсаторі і теплообміннику.

Менша частина повітря в конденсаторі охолоджується і зріджується. Потім рідке повітря дроселює до 0,13 МПа з пониженням температури; при цьому частина рідини випаровується, рідина і пари розділяються в збірниках. Зріджене повітря виводиться з сепаратора для подальшого розділення його на кисень і азот. Пари холодного повітря поступають в конденсатор, змішуються з основним потоком повітря і віддають свій холод в конденсаторі і теплообміннику потоку стислого повітря, що поступає на зріджування.

Цей цикл, що включає здобуття холоду шляхом розширення приблизно 90% всього повітря, що переробляється, в детандерах, вживання замість поршневих машин турбокомпресора і турбодетандера з високим к.к.д. і використання регенераторів як теплообмінники, є економічним і найбільш прийнятним для великотоннажних установок розділення повітря, тому він знайшов широке вживання для найбільш потужних повітрєроздільних установок.