Разделение воздуха методом низкотемпературной ректификации

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 22Следующая ⇒

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 d=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.

Однократная ректификация

Наиболее простое устройство для разделения воздуха – колонна однократной ректификации.

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

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

Di_ож – разность энтальпий между входящим воздухом и отводимым жидким кислородом;

Di_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 Di_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 Di_н при разделении воздуха на газообразные О₂ и N₂ складывается из двух величин Di_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).

Двукратная ректификация

Аппарат двукратной ректификации состоит из двух ректификационных колонн. В нижней колонне происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азото-кислородную смесь. Эти жидкости в дальнейшем используются для орошения верхней колонны, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот.

Сжатый воздух после теплообменника Т поступает в змеевик 1 испарителя И, расположенный в жидкой смеси, состоящей из 45% О₂ и 55% N₂. В змеевике воздух конденсируется и через дроссельный вентиль 2 подается в середину нижней колонны, где происходит предварительная ректификация воздуха.

Между верхней и нижней колоннами расположен конденсатор-испаритель 4, состоящий из большого числа вертикально расположенных трубок, концы которых впаяны в горизонтальные трубные решетки. Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной. В межтрубном пространстве кипит жидкий кислород.

Для того, чтобы испаритель 4 служил конденсатором для нижней колонны, температура конденсации поднимающегося из нижней колонны пара должна быть на 2-4⁰С выше температуры кипящего кислорода. Только в этом случае пар будет конденсироваться.

Давление в верхней колонне с учетом необходимости преодоления гидравлических сопротивлений трубопроводов и арматуры, несколько более атмосферного – 1, 3 кгс/см². Температура кипения кислорода для этих условий составляет 93-94 К (-180-181⁰С). Такая температура конденсации азота соответствует давлению в нижней колонне 5-6 кгс/см².

Сконденсировавшийся в трубке конденсатора-испарителя азот стекает на тарелки нижней колонны. Пары, поднимаясь навстречу стекающей из конденсатора более холодной жидкости, обогащаются азотом. Часть жидкого азота (94-97% N₂) собирается в карманах конденсатора и через азотный дроссельный вентиль 5 подается на орошение верхней колонны. В эту же колонну, примерно на уровне 2/3 ее высоты, через дроссельный вентиль 3 подается жидкая азотно-кислородная смесь.

В результате ректификации в верхней колонне, в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород с концентрацией 99, 5-99, 8%. Использование азотной флегмы для орошения верхней колонны позволяет получить технически чистый азот концентрации 97-98%. Следовательно, в аппаратах двукратной ректификации потери кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации, и процесс разделения воздуха в них более экономичен.

Змеевики в кубе колонны устанавливаются только в воздухоразделитель-ных аппаратах небольшой производительности, работающих с использованием воздуха высокого давления. Змеевика в кубе колонны может и не быть. В этом случае воздух частично сжижается в дроссельном вентиле 6 и подается в куб нижней колонны. Часть воздуха из куба поднимается в виде пара и подвергается ректификации

на тарелках нижней колонны при соприкосновении со стекающей жидкостью.

Жидкая смесь О₂ и N₂ из куба подается на дальнейшую ректификацию в верхнюю колонну.

Змеевики не ставят в крупных аппаратах с циклами низкого давления. Воздух в этом случае сжимается до давления в нижней колонне и вводится в нее над поверхностью жидкости в кубе в состоянии сухого насыщенного пара. Так же вводят воздух в установках высокого и среднего давления, работающих с использованием детандера.

Ректификационные колонны двукратной ректификации используют в установках производительностью до 35000 м³/ч и более газообразного кислорода.

Чем больше производительность установки, тем меньше потери, приходящиеся на 1 м³ перерабатываемого воздуха.

По мере увеличения размеров установок и улучшения качества изоляции и теплообменной аппаратуры можно совершенно отказаться от воздуха высокого давления, используя процесс Капицы, для которого применяют воздух того же давления, что и для ректификации.

В установках для получения жидкого кислорода малой и средней производительности чаще всего применяют процесс ожижения по Гейландту, в котором используется весь воздух, подаваемый на разделение. В больших установках используют цикл низкого и среднего давления.

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒