Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Перегонка с помощью ректификационной колонны

Попробуем все же постичь более совершенную третью схему перегонки, которая появилась уже позже (рис. 5.4, в). Здесь между испарителем и дефлегматором был установлен аппарат, названный ректификационной колонной. [От латинского слова rectificare — исправлять, улучшать.] В ней поток более теплого пара, идущего из испарителя, движется навстречу более холодной жидкости, стекающей из дефлегматора. Колонна устроена так, чтобы способствовать контакту стекающей жидкости и поднимающегося пара. [Для этого колонна либо заполняется пористой "насадкой" (металлическими или керамическими частицами различной формы или сетками), либо в ней устанавливаются ректификационные тарелки (плоские перфорированные диски с отверстиями для прохода пара и патрубками для слива жидкости)] Как происходит их взаимодействие, можно видеть из схемы на рис. 5.5. На рис. 5.5 а показан процесс взаимодействия подымающегося пара П и стекающей жидкости Ж некоторого уровня колонны (например, на одной из тарелок) на Т, ξ - диаграмме. Для наглядности направление оси температур соответствует тому, чтобы возрастание их шло книзу в соответствии с тем, как это происходит в колонне.

Состояние пара П, подходящего к тарелке снизу, характеризуется точкой а, а жидкости, стекающей на нее сверху, точкой b. Разность температур пара и жидкости, поступающих на тарелку, ΔТ = Т_а - Т_b. При контакте пара и жидкости их температуры выравниваются до некоторой средней температуры Т_m. При этом пар частично конденсируется (точка а'), а жидкость частично испаряется (точка b'). В результате взаимодействия из обоих потоков получается пар П', обогащенный легкокипящим компонентом (точка а'), и равновесная ему жидкость Ж', обогащенная тяжелокипящим компонентом (точка b'). Таким образом, в конечном итоге пар обогащается легкокипящим компонентом (из П получается П'), а жидкость тяжелокипящим компонентом (из Ж получается Ж').

Рис. 5.5. Схема процессов в ректификационной колонне

Такие же процессы протекают и на других уровнях колонны, как показано на рис 5.5.б, где нанесены процессы на трех последовательно расположенных тарелках 1-3. В результате последовательных сдвигов концентраций вправо по мере движения пара вверх по колонне он на выходе из нее перед дефлегматором может практически представлять собой чистый легкокипящий компонент. Таким образом, схема на рис. 5.4в может обеспечить получение из исходной смеси спирта предельно высокой концентрации. Нетрудно видеть, что процессы на ней полностью соответствуют тем, которые протекают в генераторе и дефлегматоре абсорбционной холодильной установки с той лишь разницей, что роль легкокипящего компонента там играет аммиак NН3, а не спирт (см. гл. 6).

Смесь кислорода и азота, т.е. воздух (если не считать небольших примесей инертных газов, которые в первом приближении можно не рассматривать), полностью подчиняется описанным закономерностям. Разница в температурах кипения при атмосферном давлении между кислородом (90K) и азотом (77K), составляющая 13K, меньше, чем в смесях Н₂O и NН₃, Н₂O и C₂H₅, но вполне достаточна для разделения.

Еще в первом варианте Линде для ожижения воздуха (см. рис. 4.5) было замечено, что собирающийся в сепараторе и затем сливаемый в виде продукта жидкий воздух обогащен кислородом. Это и естественно: при дросселировании в аппарате Линде ожижается менее 10% воздуха. В этом случае жидкость, как видно из Т, ξ - диаграммы рис. 5.1, должна быть значительно обогащена кислородом (более 60%). Если учесть, что при сливе жидкости часть ее испаряется (а в пар уходит преимущественно азот), то обогащение кислородом будет еще больше.[Незнание этого свойства жидкого воздуха многократно приводило к несчастным случаям (пожарам и взрывам). Наивно полагая, что жидкий воздух имеет тот же состав, что и атмосферный, некоторые экспериментаторы соответственно с ним и обращались, забывая, что имеют дело практически с кислородом. А фамильярность в отношениях с кислородом (особенно жидким) недопустима: к нему надо обращаться на «Вы»!]

Однако получение обогащенного кислородом жидкого воздуха не решало задачи: нужно было непосредственно получать газообразный кислород высокой концентрации. Схема первого аппарата, созданного Линде для этой цели, показана на рис. 5.6. Видно, что он очень похож на первый его ожижитель воздуха (см. рис. 4.5а). Сжатый воздух, поступающий из компрессора, разделяется в точке а на два потока: один идет по внутренней трубке с змеевика О, а другой - по трубке d змеевика N. После охлаждения обратными потоками отходящих газов, идущих в кольцевом пространстве змеевиков, оба потока в точке b соединяются и подаются в змеевик S, погруженный в ванну с жидким воздухом. Здесь сжатый воздух ожижается и дросселируется в вентиле r, после чего сливается в ту же ванну W. Находящаяся в ней жидкость кипит, так как нагревается воздухом, конденсирующимся в змеевике.

Рис. 5.6. Первая воздухоразделительная установка К. Линде

Рис. 5.7. Два варианта получения воздуха, обогащенного кислородом: а - простой отбор жидкости; б - частичное испарение жидкости в отделителе посредством змеевика

Из сосуда отводятся два продукта: холодный пар (из верхней его части), обогащенный азотом, и жидкость, обогащенная кислородом. Количество отбираемой жидкости регулируется вентилем r так, чтобы уровень в сосуде поддерживать неизменным. Два обратных потока продуктов разделения нагреваются в соответствующих змеевиках и выводятся в виде газообразных продуктов А и К.

Такая система несомненно лучше, чем простое ожижение воздуха, как предлагал Линде, с отдельным отбором пара и жидкости, обогащенной кислородом. На рис. 5.7 показаны упрощенные схемы обоих вариантов. В схеме рис. 5.7а, соответствующей аппарату на рис. 4.5, получается просто жидкость обогащенная кислородом, и продукт А, обогащенный азотом. В схеме рис. 5.7б, соответствующей аппарату рис. 5.6, имеются два отличия. Первое состоит в том, что обогащенный кислородом жидкий воздух К не выводится сразу, а испаряется в теплообменнике, охлаждая часть поступающего сжатого воздуха В. Соответственно холод не теряется, а рекуперируется, что позволяет снизить расход энергии. Кроме этого, продукт получается в виде газа и сразу может быть использован.

Второе отличие связано с тем, что жидкий воздух в сборнике постоянно кипит, поскольку к нему подводится тепло от змеевика S. Введение этого змеевика - одно из частных, но одень важных нововведений Линде. Действительно, в установках, работающих при температурах выше Тос (например, при разделении спирта и воды), осуществить кипение легко. Внешний нагрев можно делать, например, огнем или паром. Здесь же тепло извне подводить, в принципе, нельзя: холод достается очень дорого. К. Линде осуществил подогрев за счет "внутренних ресурсов", без какого-либо подвода тепла извне.

К. Линде рассчитывал, что благодаря этому подогреву из жидкости будет дополнительно удаляться оставшийся в ней азот как легкокипящий компонент. Тогда в жидкости, уходящей через вентиль V, остается почти чистый кислород, Однако этот расчет оправдался лишь частично, поскольку сверху в сосуд все время вливался жидкий воздух, содержащий много азота; эта жидкость загрязняла жидкий кислород.

К. Линде довольно быстро понял, как устранить этот недостаток: ведь решение задачи разделения "теплых" смесей уже существовало - это была ректификация. Нужно было жидкий воздух, сливающийся сверху, сначала очистить от азота, пропустив его через ректификационную колонну, навстречу пару, идущему от кипящей в сборнике жидкости. К. Линде так и сделал, создав тем самым первую воздухоразделительную установку, действие которой основано на низкотемпературной ректификации. На рис. 5.8 показана соответствующая схема. Здесь жидкий воздух В не сразу попадает в испаритель, а стекая по колонне, постепенно освобождается от азота и сливается, внизу практически не отличаясь по составу от кипящего жидкого кислорода К. Пары, подымающиеся по колонне, напротив, постепенно обогащаются азотом А и выходят из колонны в состоянии, близком к равновесию с поступающим воздухом, т.е. содержат примерно 92-93% азота (ξ_А = 0,92÷0,93). Таким образом, задача получения из воздуха чистого кислорода была решена. Его можно было либо отводить из испарителя непосредственно наружу в виде жидкости, либо направлять, в теплообменник в виде пара, нагревать в нем до температуры окружающей среды и только после этого выдавать потребителю.

Рис. 5.8. Схема воздухоразделительной колонны однократной ректификации

Рис. 5.9. Схема колонны двойной ректификации, изобретенной К. Линде

Воздухоразделительные установки Линде стали распространяться и быстро вытеснили старые аппараты, где дорогой кислород получался химическими методами. Усовершенствованием низкотемпературного разделения воздуха занялись в это время такие изобретатели, как Ж. Клод, известный нам Р. Пикте и др. Продолжал работу и К. Линде, сохраняя еще долго лидерство.

Следующая страница: Разделение воздуха и получение инертных газов