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

Разделение воздуха и получение инертных газов

Главной задачей в это время было получение не только чистого кислорода, но одновременно с ним и чистого азота, а затем и инертных газов (т.е. полное разделение воздуха).

История инертных газов очень интересна и заслуживает отдельного рассмотрения, которое мы проведем в §5.3. Что касается получения одновременно с кислородом чистого азота, то стремление к этому объяснялось не только (и не столько желанием иметь этот продукт; в то время он еще не был нужен в столь больших количествах. Дело было в другом: ведь с грязным азотом уходила и терялась некоторая часть кислорода, что заметно уменьшало производительность установки. Если отводить чистый азот, то производительность установки соответственно возрастает. Естественно поэтому, что задача получения чистого азота (т.е. полного извлечения кислорода) при разделении воздуха была очень актуальной.

Среди тех, кто работал в этих двух направлениях, наиболее существенных успехов удалось достигнуть К. Линде и французу Жоржу Клоду (1870-1960 гг.) - ученику уже известного нам Д'Арсонваля, одного из изобретателей сосудов с вакуумной изоляцией.

И Линде, и Клод, работая над способами полного разделения воздуха на кислород и азот, шли довольно близкими путями. Идея состояла в том, чтобы проводить процесс разделения в две стадии - сначала получать чистый азот и воздух, только обогащенный кислородом, а затем из него и чистый кислород. Разница была только в том, что для первой стадии процесса Клод применил дефлегмацию, а Линде - ректификацию. В дальнейшем практика показала, что вариант Линде оказался более удобными надежным. Поэтому его ректификационная колонна для разделения воздуха ("колонна двойной ректификации") используется практически во всех воздухоразделительных установках. даже фирма "Air Liquid", организованная Клодом (и существующая до сих пор), перешла на использование такой колонны. Изобретенная и запатентованная в 1907 г., она, конечно, существенно усовершенствована за прошедшие годы, но основная идея, лежащая в основе ее работы, не изменилась до сих пор. Таким долголетием в эпоху НТР отличаются очень немногие технические устройства.

Принципиальная схема аппарата двойной ректификации показана на рис. 5.9. Видно, что он состоит из двух ректификационных колонн, поставленных одна на другую и соединенных последовательно. В первой (нижней) происходит предварительное разделение воздуха В на азот А, получающийся в верхней ее части, и обогащенный кислородом воздух (36-38% О₂), собирающийся внизу, в испарителе. Для этого воздух, ожижающийся в змеевике, находящемся в испарителе, через дроссель подается в среднюю часть колонны. Пар идет наверх, в конденсатор, а жидкость стекает в испаритель. Оба продукта, получаемые в нижней колонне, в жидком виде через дроссельные вентили подаются в верхнюю колонну, где и происходит их окончательное разделение.

Мы видели, что для полного разделения двухкомпонентной смеси ректификацией необходимо, чтобы сверху в нее сливался жидкий низкокипящий компонент, а снизу поступал пар высококипящего компонента. Именно такая ситуация создается в верхней колонне аппарата Линде с двойной ректификацией.

Разделяемая смесь подается в середину верхней колонны Пар, двигаясь вверх, обогащается азотом, а жидкость, стекающая вниз, - кислородом, в соответствии с процессами, показанными на рис. 5.5. Готовые продукты разделения - технически чистые кислород и азот отводятся из колонны либо в газообразном (штриховые линии), либо в жидком виде (сплошные линии). В первом случае они подаются в регенеративный теплообменник, где нагреваются, охлаждая сжатый воздух, поступающий на разделение.

Красота идеи, положенной в основу колонны двойной ректификации, определяется тем, что как подогрев, обеспечивающий поток пара в верхней колонне, так и конденсация, создающая стекание вниз жидкости в ней, обеспечиваются без внешних подвода и отвода тепла. Колонна в этом отношении поставлена на "самообслуживание". Действительно, теплообменный аппарат, соединяющий нижнюю. и верхнюю колонны, служит в первой из них конденсатором для азота, который обеспечивает флегмой обе колонны, и во второй - испарителем, обеспечивая в ней поток пара. Поэтому он и называется "конденсатор-испаритель".

Для конденсации азота в нижней колонне при испарении кислорода в верхней его давление должно быть около 0,5 МПа чтобы температура его конденсации была 92-93K, т.е. превышала температуру кипения кислорода в верхней колонне. Интересно, что это давление в нижней колонне поддерживается само, автоматически. Действительно, если оно снизится, то конденсация прекратится и газообразный азот, оставшийся неожиженным; сразу автоматически поднимет давление" Это классический пример отрицательной обратной связи, обеспечивающей саморегулирование процесса; ее наличие характерно для лучших и наиболее "живучих" технически систем.

Следующая страница: 5.2. Энергетика низкотемпературной ректификации