Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
Двукратная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот в два этапа: вначале жидкий воздух обогащается кислородом, а затем он разделяется на жидкий кислород и газообразный азот.
| Сжатый в компрессоре и охлажденный в теплообмен-нике воздух по трубе 1 поступает в змеевик испа-рителя 3. В кубе 2 находится жидкая смесь, состоящая из 45 % кислорода и 55 % азота. В змеевике 3 воздух конден-сируется и через дроссельный вентиль 4 подается в середину колонны А. Стекая по тарелкам колонны, жидкий воздух встре-чается с поднимающимися па-рами, вследствие чего проис-ходит предварительная ректи-фикация жидкого воздуха. Между верхней и нижней колоннами расположен конден-сатор В, состоящий из боль-шого числа вертикальных тру-бок 8, концы которых впаяны в горизонтальные трубные ре-шетки 9. Внутреннее про-странство трубок сообщается с нижней колонной, работающей под избыточным давлением 0,45÷0,55 МПа. Это давление в нижней колонне устанав-ливается самопроизвольно в соответствии с тепловой на-грузкой конденсатора. |
| Кислород чистый |
| Азот отбросный |
| Воздух |
| Б |
| В |
| А |
| Рис. 6. Схема кислородного аппарата двукратной ректификации |
При данных составах пара в верхней части нижней колонны и жидкости в конденсаторе количество конденсирующихся паров азота определяется высотой уровня жидкого кислорода между трубками конденсатора (т.е. размером действующей поверхности теплопередачи в конденсаторе) и величиной давления в нижней колонне А. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной Б, избыточное давление в которой не превышает 0,05 МПа; это давление обусловлено сопротивлением линий отвода продуктов разделения (кислорода и азота из колонны).
Жидкий кислород заполняет межтрубное пространство конденсатора. Поскольку избыточное давление паров азота составляет около 0,5 МПа, а паров кислорода – около 0,05 МПа, температура конденсации паров азота на несколько градусов превышает температуру жидкого кислорода. Вследствие этого азот конденсируется в трубках конденсатора и стекает в нижнюю колонну, орошая ее насадку, расположенную выше ввода жидкого воздуха из змеевика испарителя, и обеспечивает процесс ректификации на ней.
Остальная часть жидкого азота (концентрация 94–97 %) собирается в карманах 7 конденсатора и через азотный дроссельный вентиль 11 подается на орошение верхней тарелки колонны Б. В ту же колонну, примерно на уровне 2/3 ее высоты, через кислородный дроссельный вентиль 6 подается жидкая азото-кислородная смесь (кубовая жидкость) из куба 2. В результате ректификации в верхней колонне, в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород концентрации 99,5÷99,8 %. Пары его частично поднимаются вверх по колонне и участвуют в процессе ректификации, в частично отводятся по трубе 10 в теплообменник и затем направляются в газгольдер готового продукта. Азот концентрации 97–98 % собирается в верхней части колонны Б и по трубе 12 через теплообменник удаляется в атмосферу.
Благодаря тому, что в верхнюю часть колонны аппарата двукратной ректификации подается почти чистый жидкий азот, отходящий азот (при достаточном орошении верхней тарелки) содержит не более 2-3 % кислорода. Следовательно, потери кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации, и процесс разделения воздуха при двукратной ректификации более экономичен.
Воздушный дроссельный вентиль ставят после змеевика куба нижней колонны и пропускают через него весь воздух. Конденсируясь в змеевике, воздух одновременно испаряет часть кубовой жидкости, образуя пары для ректификации на тарелках, расположенных ниже уровня ввода воздуха в колонну. Жидкий воздух, стекая вниз, несколько обогащается кислородом (примерно 45 %), что соответственно уменьшает количество азота в кубовой жидкости, а это дает возможность увеличить количество азота, подаваемого в верхнюю колонну, и тем улучшить в ней процесс ректификации. Змеевики в кубе колонны устанавливаются только в воздухоразделительных аппаратах небольшой производительности, работающих с использованием воздуха высокого давления.
Змеевика в кубе колонны может и не быть. В этом случае, воздух после теплообменников по трубе 1 (рис. 7) поступает к дроссельному вентилю 2, в котором давление понижается до давления в нижней колонне 3, а затем непосредственно в куб 4 колонны. При дросселировании воздух частично сжижается и собирается в кубе 4 нижней колонны, образуя жидкость, обогащенную кислородом до 35–39 %. Эта жидкость по трубе 5 подается через кислородный дроссельный вентиль 6 на дальнейшую ректификацию в верхнюю колонну. Туда же подается через дроссельный вентиль 7 жидкий азот из карманов конденсатора 8. Часть воздуха из куба поднимается в виде пара и подвергается ректификации на тарелках 9 нижней колонны при соприкосновении со стекающей жидкостью.
| В крупных аппаратах с циклами низкого давления змеевики в кубе нижней колонны не ставятся. Воздух низкого давления в этом случае сжимается до давления в нижней колонне и вводится в нее над поверхностью жидкости в кубе в состоянии сухого насыщенного пара. В установках высокого и среднего давления для получения жидкого и газообразного кислорода, работающих по холодильным циклам с использованием детандеров, воздух после детандера вводится также непосредственно в куб нижней колонны. В зависимости от конкретных условий использования аппаратов ректификации в установках разделения воздуха схемы аппаратов, изображенных на рис. 6 и 7 могут претерпевать те или иные изменения. |
8
Рис. 7. Схема нижней колонны без змеевика
в кубе колонны
Эти изменения могут быть вызваны следующими причинами:
уменьшением высоты воздухоразделительного аппарата;
требованиями получить наряду с кислородом чистый азот и другие компоненты воздуха;
стремлением снизить расход энергии на процесс ректификации.
Уменьшение высоты аппарата достигается установкой колонны высокого давления 1 рядом с колонной низкого давления 3. При этом используются два конденсатора-испарителя: один (2) устанавливают над колонной высокого давления, а другой (4) – под колонной низкого давления. Часть кубовой жидкости подается через дроссельный вентиль в конденсатор колонны высокого давления. Пары кубовой жидкости из конденсатора
| направляются в середину колонны низкогодавле-ния. Однако при этом уменьшается количество флегмы в колонне низко-го давления, и с отходя-щим азотом теряется зна-чительное количество кислорода. Приведенная на рис. 8 схема нашла применение в установках небольшой производи-тельности, в которых расход энергии не имеет решающего значения. |
| А |
R N
К
| В |
Рис. 8. Схема воздухоразделительного аппарата с распо-
ложением колонны высокого и низкого давления
на одном уровне
Тема № 6. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИ-ТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.