4.2. Ректификация жидкого воздуха

4.2.1. Общие сведения

Достаточно полное разделение воздуха достигается в результате непрерывной ректификации, которая осуществляться в ректификационных колоннах. Схема такой колонны представлена на рис. 4.4.

В нее на разделение подается жидкая бинарная смесь веществ (А+К). В колонне создаются два непрерывных встречных потока: вверх – пары; вниз – жидкость.

В испарителе к жидкой смеси подводится теплота Q_и, под воздействием которой жидкость кипит. Пар поднимается по колонне и при этом он обогащается легкокипящим компонентом. Это происходит потому, что верхняя часть колонны холоднее, а нижняя теплее. Таким образом, пар, поднимающийся вверх, постепенно охлаждается, а жидкость стекающая вниз, постепенно нагревается. За счет разности температур по высоте колонны происходит непрерывный процесс тепломассообмена.

Рис. 4.4. Схема ректификационной колонны и процесса ректификации бинарного раствора в ней

Продукты разделения выводятся из колонны, как в жидком, так и парообразном состоянии, как показано на схеме.

Термодинамические основы и принцип работы ректификационной колонны не зависят от температурного уровня проходящих в ней процессов. То есть внутренние процессы одинаковы и при ТТ_о.с и ТТ_о.с.

Но во внешних процессах, т.е. в подводе теплоты Q_и и отводе Q_к, есть отличия. Нельзя организовать непосредственный нагрев в испарителе, а также охлаждение в конденсаторе. Так как процесс конденсации происходит при криогенных температурах, то для его организации необходимы циклы криогенного обеспечения. Они требуют значительных затрат энергии. Тем более, что потери при низких температурах всегда выше, чем при высоких.

Например: при подводе в испарителе 1000 кДж теплоты при t_и = 200 С (473 К) ее ценность (в единицах эксергии) составит

При отводе из конденсатора такого же количества теплоты Q_к = 1000 кДж при температуре t_к= –200 С (73 К) его ценность составит

,

т.е. примерно в 8 раз больше.

Организовать нагрев в испарителе за счет внешнего теплоподвода просто – достаточно нарушить теплоизоляцию. Но этот путь неприемлем, так как эту теплоту затем нужно будет удалять в конденсаторе. И, как мы видели, очень дорогой ценой. Поэтому теплота испарения, обычно, отбирается у самого сжижаемого газа (воздуха).

4.2.2. Колонна однократной ректификации (для получения кислорода)

Это наиболее простое устройство для ректификации воздуха. Для лучшего понимания на рис. 4.5 вместе с колонной приведена схема сжижения воздуха по К. Линде, хотя можно применить любую другую схему.

Рис. 4.5. Схема колонны однократной ректификации для получения кислорода в блоке с воздухосжижительной установкой К. Линде

Работа установки в процессах:

1 – 2 – изотермическое сжатие атмосферного воздуха;

2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике ТО встречными потоками азота (А), кислорода (К) воздуха (В);

3 – 4 – сжижение воздуха в змеевике испарителя. Здесь воздух является источником теплоты Q_и;

4 – 5 – дросселирование. Флегма при давлении Р  0,1 МПа подается на верхнюю тарелку колонны.

В точке 6 отводятся пары азота, но не чистые, а равновесные кипящему воздуху при температуре Т₅ (в точке 5). Поэтому они содержат примерно 10-12 % кислорода. Пары отводятся в ТО, где охлаждают встречный поток сжатого воздуха, идущего в змеевик испарителя для конденсации.

В испарителе колонны скапливается кислород (как более труднокипящая жидкость). Он может отводиться в жидком (в точке 7') или газообразном (в точке 7) виде.

В такой установке можно получить до 2/3 технически чистого кислорода от общего количества кислорода в воздухе, переработанного установкой. Около 1/3 теряется с азотом. Давление в колонне близко к атмосферному и не превышает 0,13 – 0,15 МПа.