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

4-1. Колонны однократной ректификации для извлечения одного из компонентов

Наиболее простым устройством для ректификации воздуха является колонна однократной ректификации, разработанная К. Линде, два типа которой представлены па рис. 4.1.

В обеих системах используется внутренний криогенный процесс, в котором обратные циклы, показанные на рис. 3-20, осуществляются воздухом и продуктами его разделения.

В колонне 3 (рис. 4-1 а) сжатым до давления и охлажденный в регенеративном теплообменнике воздух через змеевик 1, расположенный в испарителе 2 колонны З, подается па дроссель 4, где его давление снижается с р_в до р_к (давление р_к обычно несколько превосходит атмосферное р_ос ). Полученная в результате конденсации в змеевике I и последующего дросселирования жидкость сливается в колонну, стекает по тарелкам и накапливается в испарителе.

Рис. 4-1.

Так как температура сжатого воздуха в змеевике выше, чем температура жидкости, в которую он погружен, то возникает теплообмен, в результате которого эта жидкость испаряется, а воздух в змеевике конденсируется и поступает к дросселю 4 в жидком виде. Давление в колонне рк (1,2 ÷ 1,4 атм) определяется только сопротивлением колонны и теплообменной аппаратуры на выходе продуктов разделения.

Таким образом, змеевик (или теплообменник другого типа) служит конденсатором для флегмы и одновременно обеспечивает испарение. В установившемся режиме создаются условия, характерные для отгонной колонны.

Пары азота А, отводимые из колонны, в идеальном случае равновесны жидкому воздуху, который поступает на верхнюю тарелку; практически концентрация паров азота y_А меньше равновесной концентрации у_А,рвн на 2?4% и составляет 89÷92% N₂ . Поэтому получение чистого азота в этой колонне невозможно, она предназначена только для получения кислорода и часто называется кислородной. Коэффициент извлечения кислорода в ней невелик и не превышает 0,65, т.к. около одной трети кислорода теряется с азотом.

Колонна 3 на рис. 4-1 б представляет собой концентрационную колонну и предназначена для получения концентрированного легкокипящего компонента – азота, А; поэтому ее называют азотной.

Сжатый воздух после дросселирования в вентиле 1 поступает непосредственно в нижнюю часть колонны; пар поднимается вверх, а жидкость заполняет сборник. Концентрация этой жидкости х близка по значению к концентрации х_рвн, равновесной воздуху при заданных условиях, практически х>х_рвн.

Жидкость из сборника подается через дроссель 2 в конденсатор-испаритель (змеевик) 4, расположенный вверху колонны 3. При испарении жидкости в змеевике под давлением рзм,близком к атмосферному, в колонне происходит конденсация азота, и азотная флегма орошает колонну.

Часть пара азота выводится в виде продукта А. Как второй продукт из змеевика отводится пар, обогащенный кислородом, концентрация его y_А равна х. В этой колонне невозможно получение чистого кислорода; она предназначена только для получения азота и обогащенного кислородом воздуха.

Давление со стороны испарения (внутри змеевика) рзм только несколько превышает атмосферное, поэтому давление со стороны конденсации, т.е. в колонне р_к , должно быть выше и определяется условиями конденсации азота. Температура конденсации азота при заданной концентрации должна на величину ΔТ_к=1,5÷3 градуса быть выше температуры кипения жидкого обогащенного кислородом воздуха. Величина р_к составляет 3,5÷4 атм.

В азотной колонне, так же как и в кислородной, значительная часть продукта – азота теряется с отбросным потоком, предельная концентрация которого не регулируется, а жестко определяется принципиальными особенностями процесса. Азот из такой колонны выходит под повышенным давлением р_к, которое может быть использовано.

Таким образом, оба вида колонн как азотная, так и кислородная – характеризуются неполным разделением, а также совмещением в одном аппарате конденсатора и испарителя. Последнее обстоятельство позволяет избежать трудностей, связанных с необходимостью применения внешнего криогенного цикла, и использовать в качестве рабочего тела в криогенном процессе разделяемую смесь (т.е. воздух) и продукты его разделения. Подробнее этот вопрос рассматривается в разделе 4-3.

Колонны однократной ректификации применяются в небольших воздухоразделительных установках, где одновременное получение обоих продуктов разделения не обязательно, а небольшое значение коэффициента извлечения не играет существенной роли.

Следующая страница: Колонна двукратной ректификации воздуха