Низкотемпературная ректификация

Разделение сжиженных газовых смесей ректификацией проводят при очень низких температурах под избыточным давлением в аппаратах, не­сколько отличающихся от обычных. При этом продукты разделения полу­чают полностью или частично в парообразном виде. Однако основные зако­номерности процесса разделения и методика расчета ректификационных аппаратов сходны с рассмотренными выше.

Отметим специфические особенности устройства разделительных аппа­ратов для газовых смесей на примере ректификации жидкого воздуха, получаемого методами глубокого охлаждения (см. главу XV). Разделение воздуха осуществляют в одноколонных разделительных аппара­тах, или в аппаратах одинарной ректификации, и в двухко­лонных аппаратах, или в аппаратах двойной ректификации.

Установки одинарной ректификации. Сжатый в компрессоре воздух после очистки от пыли, двуокиси углерода и водяных паров подается в теплообменник 1 (рис. XII-35), где охлаждается продуктами ректифика­ции (кислородом, и азотом). Затем воздух поступает в змеевик кипя­тильника 2 колонны, где он частично конденсируется, отдавая тепло жид­кому кислороду, кипящему снаружи змеевика. Пары практически чисто­го кислорода отводятся из кипятильника в теплообменник 1.

Частично сконденсированный воздух, пройдя через дроссельный вен­тиль 3, еще больше охлаждается. Смесь жидкого и парообразного воздуха поступает на верхнюю тарелку ректификационной колонны 4. На тарел­ках колонны происходит обычный процесс ректификации: при много­кратном взаимодействии стекающей жидкости с поднимающимися снизу парами из последних конденсируется кислород (высококипящий компо­нент), а из жидкости испаряется азот (низкокипящий компонент). В ре­зультате из

Рис. ХII-35. Установка оди­нарной ректификации для разделения жидкого воз­духа: 1 — теплообменник; 2 — змеевик-кипятильник; 3 — дроссельный вентиль; 4 — ректификационная колонна.

верхней части колонны удаляются пары азота, близкие к рав­новесию с подаваемым в колонну воздухом и поэтому содержащие при­месь кислорода (не более 7—10%). В кипятильник колонны поступает чистый кислород. Как указывалось, кислород и технический азот направ­ляются в теплообменник / для охлаждения сжатого в компрессоре воз­духа.

Рис. XII-36 Установка двойной ректификации для разделения воздуха: 1-нижняя ректификацион­ная колонна; 2-верхняя ректификационная rколонна; 3- зиеевик; 4 — кипятильник нижней колонны; 5- 7дроссельные вентили; 8-карман.

Особенность устройства ректификационной колонны 4 заключается в том, что она не имеет дефлегматора и работает как колонна исчерпыва­ния. Это объясняется тем, что практически невозможно подобрать охлаж­дающий агент для конденсации паров дистиллята (азота), так как для этой цели понадобилась бы жидкость, имеющая температуру более низкую, чем температура жидкого азота. Кроме того, в качестве исходной смеси и флегмы в колонну поступает воздух с очень низкой температурой, при которой точка пересечения рабочих линий может практически соответ­ствовать составу дистиллята, что вообще устраняет потребность в дефлег­маторе.

Существенным недостатком одинарной ректификации являются поте­ри кислорода с азотом. Около одной трети кислорода удаляется с азотом, загрязняя его, и лишь две трети кислорода, находящегося в воздухе, сжимаемом в компрессоре, полезно используется.

Принципиально возможный способ повышения степени чистоты азота и увеличения выхода кислорода при разделении воздуха заключается в питании ректификационной колонны исходной смесью более богатой азо­том, чем обычный воздух. Этот принцип используется в установках двой­ной ректификации для разделения воздуха.

Установки двойной ректификации. В такой установке (рис. ХII-36) для предварительного обогащения воздуха применяют добавочную ниж­нюю колонну 1, работающую под высоким давлением, большим, чем дав­ление в основной верхней колонне 2, которая устанавливается непосред­ственно на колонне 1. Благодаря более высокому давлению в нижней ко­лонне она имеет дефлегматор (охлаждаемый жидким кислородом, стекаю­щим из колонны 2), который одновременно служит кипятильником для колонны 2. Исходный очищенный и охлажденный воздух, сжатый до ~7 ат, вводят в змеевик 3 кипятильника колонны 1. Отдавая тепло, не­обходимое для кипения жидкости в кипятильнике, воздух конденсирует­ся. Сжиженный воздух проходит через дроссельный вентиль 5, и, охла­дившись еще больше, поступает на питающую тарелку колонны 1, в ко­торой поддерживается давление, равное ~6 ат. В результате в колонне 1 собирается жидкость, обогащенная ВК (кислородом), и в кипятильник 4 стекает жидкость, содержащая примерно 40—60% О₂. Здесь она частич­но испаряется вследствие теплообмена с воздухом, проходящим через змеевик 3. Образовавшиеся пары поднимаются вверх и, взаимодействуя со стекающей жидкостью, обогащаются азотом. Пары азота, содержащие 94—96% N₂, поступают в трубки дефлегматора, где они полностью кон­денсируются, отдавая тепло жидкому кислороду, стекающему из колон­ны 2 и кипящему в межтрубном пространстве дефлегматора.

Для осуществления процесса теплообмена в дефлегматоре температура кипения НК (азота) в трубках дефлегматора должна быть выше темпера­туры кипения кислорода в кипятильнике колонны 2. Это достигается при указанном выше повышении давления до ~6 ат в колонне / по сравнению с давлением в колонне 2, равным ~1,5 ат.

Обогащенная кислородом жидкость из кипятильника нижней колон­ны поступает через дроссельный вентиль 6 (снижающий ее давление до ~1,5 ат) на тарелку питания верхней колонны 2.

Жидкий азот (с концентрацией 98% N₂), сконденсированный в деф­легматоре, делят на две части. Около половины его количества подают на орошение колонны 1 для более полной очистки кислорода от азота, а остальная его часть, собирающаяся в кармане 5, через дроссельный вен­тиль поступает в качестве флегмы на орошение колонны 2.

Получаемые азот и кислород содержат некоторое количество аргона и других редких газов, которые находятся в исходном воздухе. Для по­вышения степени чистоты конечных продуктов разделения приходится удалять часть паров с той тарелки колонны 1, на которой в наибольшем количестве накапливается аргон. Дальнейшее разделение редких газов происходит путем низкотемпературной ректификации в отдельных ко­лонных аппаратах.

Из верхней части колонны 2 выводят пары азота, содержащие 99,8-99,9% N₂, снизу колонны 1 — технический жидкий кислород (99,3% О₂).

Известен также другой способ повышения степени чистоты азота при использовании аппарата, в котором вместо дополнительной колонны применяют дефлегматор с длинными трубками. Охлажденный воздух из компрессора частично конденсируется и обогащается азотом. Такое пред­варительное разделение воздуха в дефлегматоре, работающем при более высоком давлении, чем колонна 2, позволяет заменить им колонну 1.

В настоящее время выпускаются комплектные установки для разделе­ния воздуха производительностью до 7500 м³/ч воздуха и более.