4.2.3. Колонна однократной ректификации для получения азота
Особенность этой колонны (см. рис. 4.6) – наличие конденсатора.
Рис. 4.6. Схема колонны однократной ректификации для получения азота
Сжатый и охлажденный в теплообменнике (ТО) воздух через дроссельный вентиль Др1 подается в куб колонны, при этом происходит его сжижение и частичное испарение. Обогащенный азотом пар по колонне поднимается вверх навстречу стекающей флегме и, уже практически чистый азот, попадает в трубное пространство конденсатора. Здесь азот конденсируется за счет отвода теплоты кипящему обогащенному кислородом жидкому воздуху, который поступает из куба через дроссель Др2 в межтрубное пространство конденсатора.
Флегма, образующаяся в конденсаторе, по существу чистый азот, стекая вниз по колонне, скапливается в карманах конденсатора и отводится как конечный продукт в жидком виде.
Чистые пары азота скапливаются под крышкой конденсатора. Отсюда они отводятся как конечный продукт – газообразный азот.
Обогащенный кислородом воздух из межтрубного пространства конденсатора используется для охлаждения сжатого воздуха в ТО.
4.2.4. Колонна двукратной ректификации
Колонну двукратной ректификации разработал и создал К. Линде в 1907 г. для разделения воздуха. Она позволяет более полно извлекать кислород из воздуха и дает возможность получать не только технически чистый кислород (99,2 % О2), но и технически чистый азот (99,99 % N2).
В эту установку составной частью входит колонна однократной ректификации. Аппарат состоит из двух частей (см. рис. 4.7): колонны высокого давления (нижняя часть) и колонны низкого давления (верхняя часть).
Рис. 4.7. Схема колонны двукратной ректификации с подачей насыщенного воздуха непосредственно в куб
Работа схемы
Сжатый воздух, охлажденный в теплообменнике (ТО), дросселируется в Др1 и поступает в куб нижней колонны. При этом он частично сжижается. Обогащенная кислородом жидкость (35 – 36 % О2) собирается в нижней части колонны – в кубе. Отсюда она через дроссельный вентиль Др2 поступает как исходная жидкость (смесь) в середину верхней части колонны для разделения.
Обогащенный азотом пар в нижней колонне поднимается в трубное пространство конденсатора-испарителя (К-И), где в межтрубном пространстве кипит кислород. Чтобы этот обогащенный азотом пар сконденсировался, надо, чтобы его температура конденсации была выше температуры кипящего кислорода на 2 – 4 градуса.
Давление в верхней колонне, как и в колонне однократной ректификации, немного выше атмосферного (0,13 – 0,15 МПа). Температура кипения кислорода при этом будет равна 93 – 94 К. Следовательно температура азота в нижней колонне должна быть равной 96 – 97 К. Эта температура может быть температурой конденсации азота при давлении 0,56 – 0,6 МПа. Именно такое давление устанавливается в нижней колонне.
Жидкий, сконденсировавшийся азот из К-И стекает в нижнюю колонну. Пары поднимаются ему навстречу и обогащаются при этом азотом. Часть жидкого азота скапливается в карманах и в виде флегмы направляется на орошение верхней колонны через Др3. Это позволяет в верхней части колонны получать технически чистый азот.
Таким образом, в результате двойной ректификации воздуха из конденсатора отводится кислород, а из верхней части колонны – азот. После прохождения ТО они являются конечными продуктами.
В установках небольшой производительности удобнее и эффективнее применять колонны двукратной ректификации с подачей воздуха высокого давления через змеевик в кубе (см. рис. 4.8).
Рис. 4.8. Схема колонны двукратной ректификации с подачей насыщенного сжатого воздуха через змеевик в кубе нижней колонны
В этом змеевике воздух полностью конденсируется и одновременно осуществляется испарение жидкости в испарителе (кубе). Жидкость в кубе обогащается кислородом до 45 % (выше, чем в предыдущей схеме). Это позволяет увеличить флегмовое число (по азоту) в верхней колонне и, следовательно, улучшить показатели установки.
В колоннах двукратной ректификации обеспечивается практически полное извлечение кислорода или азота из воздуха.
Однако приведенный процесс не учитывает присутствие в воздухе 0,932 % аргона. Из-за него не удается одновременно получать технически чистые азот и кислород. В описанных колоннах двукратной ректификации если получать технически чистый азот (99,99 %), то в кислороде будет 4,3 % аргона. Если же получать технически чистый кислород (99,2 %), то в выходящем азоте будет 2 – 3 % аргона. Чтобы отделить аргон, установку необходимо усложнить.