Колонна однократной ректификации

 

Схема кислородного аппарата однократной ректификации представлена на рис. 35, а. Сжатый воздух из компрессора поступает в теплообменник, где охлаждается выходящими из аппарата по трубе 3 кислородом и по трубе 9 − азотом. Предварительно охлажденный в теплообменнике воздух по трубе 4 направляется в змеевик 6, погруженный в сосуд испарителя (куб) 5 с кипящим жидким кислородом. В змеевике сжатый воздух частично конденсируется и испаряет соответствующее количество кислорода. После змеевика воздух проходит дроссельный вентиль 7, что снижает избыточное давление до 0,2−0,3 кгс/см²и по трубе 8 подается на верх ректификационной колонны. Часть воздуха при этом испаряется, а большая его часть − стекает вниз по тарелкам 2. Этот воздух обогащается кислородом, контактируя с поднимающимися парами на тарелках. В результате в испарителе собирается жидкий кислород, часть паров которого отводится через трубу 3 в качестве продукта. Образующиеся в испарителе и проходящие вверх по колонне пары обогащаются азотом; на верху колонны пар содержит 88−93 % азота и 7−12 % кислорода. Эта смесь (отбросный азот) по трубе 9 выбрасывается в атмосферу, предварительно пройдя через теплообменник, в котором смесь охлаждает поступающий сжатый воздух.

Схема азотного аппарата однократной ректификации представлена на рис. 35, б. Сжатый в компрессоре воздух после теплообменника подается через дроссельный вентиль 7 в куб 5 колонны, откуда через второй дроссельный вентиль 7 поступает в межтрубное пространство конденсатора 12 для охлаждения и конденсации газообразного азота, собирающегося в трубках конденсатора. Чистый газообразный азот отводится из-под крышки конденсатора, а жидкий азот сливается из карманов 11. Обогащенный кислородом воздух из межтрубного пространства конденсатора отводится, как и газообразный азот, в межтрубное пространство теплообменника, охлаждая поступающий в колонну сжатый воздух.

При получении технического кислорода аппарат однократной ректификации работает неэкономично, т.к. вместе с отбросным азотом в атмосферу выбрасывается около 1/3 кислорода, содержавшегося в перерабатываемом воздухе. Обусловлено это тем, что верхняя тарелка орошается жидким воздухом, над которым равновесный по составу пар теоретически должен содержать около 7% кислорода. Для того чтобы уменьшить потери кислорода с отходящим азотом, необходимо верхнюю тарелку орошать не жидким воздухом, а жидким азотом; для этого применяются аппараты двукратной ректификации.

Рис. 35. Схемы аппаратов однократной ректификации: а − кислородный; б − азотный; 1 − ректификационные колонны; 2 − тарелки; 3,9 − трубы для отвода кислорода и азота; 4 − труба для подвода сжатого воздуха; 5 − куб колонны; 6 − змеевик испарителя; 7 − дроссельные вентили; 8 − труба для подачи жидкого воздуха на верхнюю тарелку; 10 − насадка (или тарелки); 11 − карманы конденсатора; 12 − конденсатор

 

Двукратная ректификация

Схема кислородного аппарата двукратной ректификации приведена на рис. 36. Этот аппарат состоит из двух ректификационных колонн. В нижней колонне А происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азотно-кислородную смесь. Эти жидкости используются затем для орошения верхней колонны Б, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот. Сжатый компрессором и охлажденный в теплообменнике (теплообменник на схеме не показан) воздух по трубе 1 поступает в змеевик испарителя 3. В кубе 2 находится жидкая смесь, состоящая из 45 % кислорода и 55 % азота. В змеевике 3 воздух конденсируется и через дроссельный вентиль 4 подается в середину колонны А. Стекая по тарелкам колонны, жидкий воздух встречается с поднимающимися парами, вследствие чего происходит предварительная ректификация жидкого воздуха.

Рис. 36. Схема колонны двукратной ректификации:

А − нижняя колонна; Б − верхняя колонна; В − конденсатор;
1 − труба для подвода сжатого воздуха из теплообменника; 2 − куб колонны; 3 − змеевик испарителя; 4 − воздушный дроссельный вентиль; 5 − тарелки; 6 − кислородный дроссельный вентиль; 7 − карманы конденсатора; 8 − трубки конденсатора; 9 − трубные решетки конденсатора; 10, 12 − трубы для отвода газообразных кислорода и азота; 11 − азотный дроссельный вентиль

Между верхней и нижней колоннами расположен конденсатор В, состоящий из большого числа вертикальных трубок 8, концы которых впаяны в горизонтальные трубные решетки 9. Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной, работающей под избыточным давлением 4,5−5,5 кгс/см². Это давление в нижней колонне устанавливается самопроизвольно в соответствии с тепловой нагрузкой конденсатора.

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 и величиной давления в нижней колонне А. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной, избыточное давление в которой не превышает 0,5 кгс/см². 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 5 кгс/см², а паров кислорода − около 0,5 кгс/см², температура конденсации паров азота превышает температуру жидкого кислорода. Поэтому азот конденсируется в трубках конденсатора и стекает в нижнюю колонну, орошая ее насадку, расположенную выше места ввода жидкого воздуха из испарителя, и обеспечивая процесс ректификации.

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 азотно-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, а 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.

 

Контрольные вопросы и задания:

1. Как формулируется закон Дальтона?

2. Как формулируется закон Рауля?

3. Что такое коэффициент разделения?

4. Что такое процесс ректификации?

5. Что представляет собой ректификационная колонна?

6. Объясните принцип действия ректификационных тарелок.

7. Что такое коэффициент обогащения?

8. Что такое средний коэффициент полезного действия тарелки?

9. Объясните принцип действия колонны однократной ректификации.

10. В чем отличие аппарата однократной ректификации для получения чистого кислорода и чистого азота?

11. Изобразите принцип действия колонны двукратной ректификации.