Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

4-2. Колонна двукратной ректификации воздуха, ее модификации

Колонна двукратной ректификации (разработанная К. Линде в 1907 г.) позволяет получить при ректификации не только технически чистый кислород, но и чистый азот. Отличие этого метода от однократной ректификации заключается в том, что при обогреве испарителя колонны (схема на рис. 4-1 а) поступающий воздух не только очищается, но и одновременно частично разделяется.

Схема колонны двукратной ректификации представлена на рис. 4-2. Штриховой линией показана часть колонны, соответствующая по своей работе кислородной колонне однократной ректификации (рис. 4-1 а). Вместо змеевика в испарителе кислорода установлен конденсатор-испаритель, под которым расположена так называемая нижняя ректификационная колонна, предназначенная для предварительного разделения воздуха одновременно с его ожижением. Нижняя колонна работает аналогично азотной колонне (рис. 4-1 б).

Рис. 4-2.

Сжатый воздух В, охлажденный в теплообменнике, после дросселирования в вентиле 1 поступает в нижнюю колонну 2. При дросселировании воздух частично ожижается. Образовавшаяся при этом жидкость, обогащенная кислородом до 35-36%, собирается в сборнике нижней колонны, отсюда она через дроссельный вентиль 4 поступает как исходная смесь для разделения в среднюю часть верхней колонны 5 и стекает в конденсатор-испаритель 6. Пар в нижней колонне поднимается в конденсатор-испаритель, в межтрубном пространстве которого кипит жидкий кислород. Для того, чтобы этот аппарат служил конденсатором для нижней колонны, необходимо, чтобы поднимающийся к нему из нижней колонны пар имел температуру на 3-4 градуса выше, чек кипящий кислород в верхней колонне.

Давление р вк в верхней колонне так же, как и давление в кислородной колонне однократной ректификации, несколько превышает 1 атм(1,3÷1,5 атм). Температура кипения кислорода в этих условиях составляет 93÷94K. Поэтому температура, при которой может происходить конденсация пара азота в нижней колонне, должна быть не ниже 96÷97K. Азот имеет такую температуру конденсации при давлении 5,5÷6 атм.

Поэтому давление в нижней колонне устанавливается в этих пределах. Часть конденсирующегося жидкого азота стекает в нижнюю колонну. Пар, поднимаясь вверх по колонне навстречу стекающей из конденсатора более холодной жидкости, обогащается азотом. Часть жидкого азота собирается в сборнике колонны (карманах), откуда подается на орошение верхней колонны через дроссельный вентиль 7. Наличие азотной флегмы для орошения верхней колонны позволяет установить выше ввода разделяемой смеси концентрационную часть колонны, в которой получается технически чистый азот.

Таким образом, в результате двойной ректификации воздуха из конденсатора отводится кислород, а из верхней части колонны 5 – азот, которые после теплообмена с поступающим воздухом используются как конечные продукты.

До сих пор воздух рассматривался как двойная спесь без учета содержания в нем 0,932% аргона. Наличие аргона в воздухе не позволяет одновременно получать технически чистые кислород и азот в обычной колонне двойной ректификации. Если, например, получать концентрированный азот (99,99%N₂), то в кислороде будет содержаться 4,3%Ar. Если же получать более концентрированный кислород, то аргон будет в основном выходить с азотом. При получении технического кислорода, содержащего 99,2%О₂) отходящий из колонны азот содержит около 97%N₂.

В колонне фактически разделяется не двойная смесь N₂-О₂,а тройная N₂-О₂-Ar; поэтому аргон оказывает значительное влияние на процесс ректификации [3, 10]. Кроме Ar в воздухе содержатся и другие инертные газы. Проследим подробно их путь при ректификации (рис. 4-3).

Рис. 4-3.

1. Неон и гелий, поступая с воздухом в нижнюю колонну разделительного аппарата, не конденсируясь, поднимаются вместе с паром и постепенно накапливаются под крышкой конденсатора-испарителя, откуда неоно-гелиевую смесь удаляют.

Неоно-гелиевую смесь используют только для получении неона. Гелий в промышленном масштабе получают из природных гелиеносных газов, содержащих Не в значительно больших количествах, чем воздух.

Отбор неоно-гелиевой смеси производится через небольшой дополнительный конденсатор, установленный в верхней части колонны низкого давления. Так как температура в этой части колонны (~80K) более низкая, чем у Ne-Нe в смеси, то при давлении 5,5 атм часть азота сконденсируется и содержание Ne-He в сvеси повысится до 30-40%. Жидкий азот стекает в сборник, откуда его периодически сливают, а обогащенная неоно-гелиевая смесь отводится. Содержание в смеси Ne относится к содержанию He, как ~3:1.

2. Криптон и ксенон – тяжелокипящие компоненты остаются в жидкости испарителя, вместе с которой поступают в середину верхней колонны, а затем в межтрубное пространство конденсатора; здесь они накапливаются, растворяясь в жидком кислороде. По мере увеличения концентрации криптона в жидкости соответственно увеличивается его концентрации в газообразном кислороде. Накопление криптона в жидкости продолжается до тех пор, пока его концентрация в газообразное: кислороде не достигнет величины, при которой количества криптона, вносимые с воздухом и отводимые с газообразным кислородом, не будут равны. Так как на каждом кубометре кислорода, отводимого из аппарата, поступает около 5 м³ воздуха, то концентрация криптона в газообразном кислороде будет в 5 раз больше, чем в воздухе (т.е. 5,5·10^-4%). Если отводить кислород из конденсатора не в газообразном, а в жидкого виде, то криптон будет выводиться с ним.

Аналогично криптону концентрируется в кислороде и ксенон. Таким образом, процесс получения криптона и ксенона заключается в извлечении возможно большой части криптона и ксенона из кислорода. Полученный продукт (концентрат) очищается в дальнейшем от кислорода и примесей других веществ, накапливающихся в кислороде.

Основная часть аргона, содержащегося е воздухе, концентрируется в жидкости испарителя вместе с кислородом (жидкость испарителя содержит около 2%Ar). Попадая с ней в верхнюю колонну, аргон концентрируется я нижней трети колонны до тех пор, пока не будут сбалансированы количества аргона, поступающие с воздухом и отводимые с кислородом и азотом. Чтобы извлечь аргон, из верхней части колонны на соответствующем уровне отводится аргонная фракция, представляющая собой смесь аргона и кислорода с небольшой примесью N₂. При получении аргона задача заключается в том, чтобы вывести из колонны с аргонной фракцией наибольшее количество аргона.

Аргонная фракция, содержащая от 5 до 18% аргона, подвергается обогащению в специальной аргонной колонне. Полученный сырой аргон, содержащий 70÷95%Ar (остальные 30-5% составляют кислород и азот), выводится через теплообменник из аппарата. После этого производится его очистка от кислорода (химическим связыванием О₂ или его адсорбцией на неолитах) и от азота путем ректификации.

Усовершенствование колонны двукратной ректификации производилось путем использования ее резервов в двух направлениях: во-первых, увеличением количества жидкости (флегмы), поступающей в верхнюю колонну; во-вторых, разделением дополнительного количества воздуха или получением холода.

Первая задача была решена введением охладителей 1 и 2 азотной флегмы и жидкости испарителя, поступающей из сборника нижней колонны в верхнюю (рис. 4-4). Оба потока жидкости перед дросселированием охлаждаются газообразном азотом А, выходящим из верхней колонны. Это приводит к уменьшению доли пара, образующегося при дросселировании, и увеличению флегмового отношения в верхней колонне. В результате число тарелок в этой колонне при тех же параметрах получаемых продуктов может быть сокращено или, напротив, при том же числе тарелок можно получить более чистые продукты.

Второе направление основано на использовании идеи Лахмана. Количество флегмы, орошающей верхнюю часть колонны низкого давления, превышает минимально необходимое, в особенности при использовании охладителей на потоках жидкости из нижней колонны. В 1932 г. Лахман предложил использовать избыток флегмы для того, чтобы разделять в колонне дополнительное количество воздуха В. Это количество может составить до 20-30% всего перерабатываемого в колонне воздуха и должно подаваться в среднюю часть колонны в состоянии сухого насыщенного пара при давлении верхней колонны 1,2÷1,5 атм (рис.4-4).

Рис. 4-4.

Таким образом, без затраты дополнительной работы на сжатие до 6 атм разделяется еще 20÷25% воздуха.

Другой вариант этой же идеи заключается в том, что из-под крышки конденсатора нижней колонны отбирается часть (до 20÷25%) сжатого азота (рис.4-4). При этом количество сконденсированной азотной флегмы уменьшается – в пределах допускаемых ее избытком, и, соответственно, меньше флегмы подается в верхнюю колонну. Азот А под давлением нижней колонны может отводиться из установки как сжатый продукт или использоваться для получения холода при расширении в детандере, а затем отводиться наряду с другими продуктами. В этой случае также без дополнительных затрат работы получается либо сжатый продукт, либо эффект охлаждения.

Колонны двойной ректификации с охладителями потоков жидкости из нижней колонны в сочетании с каким-либо из вариантов способов Лахмана применяются в установках средней и большой производительности. При очень больших размерах колонн двойной ректификации верхняя и нижняя колонны, а такое конденсатор выполняются в виде отдельных аппаратов [3, 8].

Следующая страница: Сочетание ректификационной колонны и криогенного процесса