Молекулярная

Аппаратура для ректификации воздуха

Процесс ректификации воздушной смеси осуществляется при
температурах, значительно более низких, чем
температура окружающей среды; кроме того,
продукты разделения чаще получают в газообразном
виде. Для разделения воздуха применяют
разделительные колонны однократной и двукратной
ректификации.
В колоннах однократной ректификации можно
получить чистый кислород и отходящий азот,
содержащий 7 - 10 % об. О2, что является их
существенным недостатком.
Для увеличения выхода кислорода применяют
колонны двукратной ректификации,
принципиальная схема которых представлена на рис.
38. Разделительный аппарат состоит из двух колонн:
нижней (А), в которой процесс разделения
происходит при абсолютном давлении 0,5 - 0,6 МПа,
и верхней, (Б) работающей при небольшом
избыточном давлении - 0,12 - 0,14 МПа.
В нижней колонне происходит
предварительное разделение воздуха на жидкий азот
и обогащенную кислородом азото-кислородную
смесь. Эти жидкости служат для орошения верхней
колонны, в которой происходит окончательное
разделение воздуха на кислород и азот.
Принцип действия колонны заключается в
следующем. Сжатый компрессором и охлажденный
воздух по трубе 1 идет в змеевик 2 испарителя (куба)

3. 
   В кубе нижней колонны находится жидкая смесь,
   содержащая 35 -40 % кислорода.
   

Кислород


Втдух


Рис. 38. Колонна двукратной ректификации


118




В змеевике 2 воздух конденсируется. Затем он через дроссельный вентиль 4 подается в середину колонны А. Стекая по тарелкам колонны, жидкий воздух встречается с поднимающимися парами, благодаря чему осуществляется процесс предварительной ректификации жидкого воздуха.
Между колоннами расположен конденсатор-испаритель В. Он состоит из большого количества вертикальных трубок 5, концы которых впаяны в горизонтальные трубные решетки 6. Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной, в трубках которого конденсируется азот при давлении 0,5 - 0,6 МПа. Это давление в нижней колонне устанавливается само собой, в соответствии с количеством паров азота, конденсирующихся в трубках. При данных составах паров 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.
Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной, давление в которой составляет 0,12-0,14 МПа. При этом давлении температура кипения кислорода примерно равна 93 - 94 К. Следовательно, чтобы происходила конденсация азота, в нижней колонне необходимо создать давление, соответствующее температуре конденсации азота (96 - 97 К), т.е. обеспечивающее перепад температур порядка 3 К. Такая температура конденсации азота соответствует давлению 0,6 МПа, которое обычно и поддерживается в нижней колонне.
Газообразный азот конденсируется в трубках конденсатора за счет холода испаряющегося жидкого кислорода, получаемого в верхней колонне. Часть жидкого азота стекает вниз, орошая нижнюю колонну выше места ввода жидкого воздуха из испарителя, тем самым, обеспечивая процесс ректификации.
Остальная часть жидкого азота, имеющего концентрацию 94 — 97 %, собирается в карманах 7 конденсатора и через дроссельный вентиль 8 подается на орошение верхней тарелки колонны Б. Примерно на уровне 1/3 высоты верхней колоны через дроссельный вентиль 9 в верхнюю колонну подается жидкая азото-кислородная смесь из куба нижней колонны.
В результате процесса ректификации в верхней колонне в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород, концентрация которого достигает 99,5-99,8 % об. Пары его частично поднимаются вверх по колонне и участвуют в процессе ректификации, а частично по трубе 10 отводятся в качестве готового продукта. Азот с концентрацией 97 - 98 % об. собирается в верхней части колонны Б и удаляется из нее по трубе 11.
Таким образом, для нижней колонны конденсатор предназначен для конденсации азота, для верхней - для испарения кислорода. Трубное пространство этого аппарата сообщается с нижней колонной, межтрубное — с верхней. В крупных блоках разделения воздуха колонны и конденсаторы установлены отдельно и соединены трубопроводами.


119




Давление в нижней колонне подбирают так, чтобы температура конденсации низкокипящего компонента (азота) в трубках конденсатора была выше температуры кипения высококипящего компонента (кислорода) в межтрубном пространстве. Температура конденсации азота под давлением 0,5 — 0,6 МПа составляет 95,5 — 97,6 К, температура кипения кислорода при 0,14 МПа находится в пределах 92,8 — 93,5 К. Следовательно, температурный напор в конденсаторе составляет 2 — 3 К, что обеспечивает нормальный ход процесса.
В небольших ректификационных колоннах сжатый воздух проходит через змеевик, расположенный в кубе нижней колонны, после чего дросселируется на тарелки. В этом случае кубовая жидкость содержит до 55
% Ш
В крупных агрегатах, использующих циклы с воздухом низкого давления и в колоннах змеевики отсутствуют. Воздух в этом случае сжимается до давления нижней колонны и вводится в нее над поверхностью жидкости в кубе колонны в состоянии сухого насыщенного пара.
Продукты разделения воздуха из нижней колонны подаются в верхнюю колонну в жидком виде, а отводятся из верхней колонны обычно в виде газов. Исключение составляют случаи получения жидкого кислорода или жидкого азота, когда продукт отводится в виде жидкости за счет добавочного количество холода, получаемого в детандере.
Холод отбираемых из нижней колонны продуктов разделения передается обратно в нижнюю колонну через поверхность конденсатора и используется для конденсации азота и образования флегмы, орошающей нижнюю и верхнюю колонны.
Поднимающиеся из конденсатора пары кислорода имеют запас тепла, необходимый для процесса ректификации в верхней колонне. Таким образом, тепловой баланс ректификационного аппарата замыкается сам на себя, и теоретически для осуществления процесса ректификации воздуха ввода тепла извне не требуется.
Ректификационная колонна представляет собой вертикальную цилиндрическую обечайку, снабженную внутри горизонтальными перегородками (тарелками) специального устройства. Для небольших колонн диаметром до 250 мм иногда применяются насадочные колонны; насадка - из отрезков медных или томпаковых трубочек размером 10x10x0,15 мм.
Ректификационные тарелки делаются обычно ситчатыми или колпачковыми. Ситчатая тарелка состоит из латунного листа толщиной 0,8 - 1,0 мм, в котором в шахматном порядке на расстоянии 3,25 мм друг от друга имеются отверстия диаметром 0,8 - 0,9 мм. На 1 м² размещается 110000 таких отверстий.
В колпачковых тарелках имеются отверстия, покрытые колпачками.
Схема устройства ректификационных тарелок показана на рис. 39.
Каждая тарелка обогащает кислородом поступающую на нее жидкость и понижает содержание в ней азота.


120

а

б