1. Общие сведения

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.): колонны высокого давления (нижняя часть) и колонны низкого давления (верхняя часть).
Р ис.4. Схема колонны двукратной ректификации с подачей насыщенного воздуха непосредственно в куб
Работа схемы.
Сжатый воздух, охлажденный в теплообменнике (ТО), дросселируется в Др₁и 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 Др₂поступает, 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 на встречу 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.5).
Р ис.5. 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.

Типы воздухоразделительных установок.

Основными продуктами разделения воздуха являются азот и кислород, для получения которых используются воздухоразделительные установки отличного друг от друга принципа действия и имеющие три основных типа:
• криогенные - разделением воздуха методом низкотемпературной ректификации;
• адсорбционные, работающие при температуре окружающей среды и обеспечивающие разделение воздуха с помощью адсорбентов;
Принцип работы адсорбционных установок воздухоразделения основан на способности поглощения материалом (через который проходит воздух) молекул одного из газов: N2, 02, Н2, Аг, С02. Воздух в такой установке вначале сжимается компрессором, проходит через адсорбент и выходит из установки без поглощённого газа. Наиболее часто используется поглощение азота и кислорода, как наиболее востребованных технических газов.
• мембранные, работающие при температуре окружающей среды и обеспечивающие разделение воздуха с помощью полимерных мембран (молекулярных сит), выполненных в виде капиллярных трубок. Принцип работы мембранных установок воздухоразделения основан на
различии в размерах молекул газов, входящих в состав воздуха. Используется специальный материал в виде полого волокна (мембрана), в структуре которого есть трубки с диаметром по размеру молекулы того газа, который необходимо получить. Возможен и другой вариант воздухоразделения: по трубкам мембраны проходят молекулы меньшего диаметра, чем молекулы азота.
Технология разделения воздуха на газы методом адсорбции и с помощью мембран используется там, где требуется меньший объём производства газов из воздуха и меньшие энергозатраты.
Для выбора типа воздухоразделительных установок основным критерием является необходимый продукт, его состояние (сжиженное или газообразное), чистота, давление продуктового газа, производительность и экономичность.
Объектом исследования являются криогенные воздухоразделительные установки, широко используемые в технике.

Схема агрегата разделения воздуха типа БР-1