МЕТОДЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА И АЗОТА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Методы промышленного разделения воздуха основаны на его ожижении с последующей низкотемпературной ректификацией. В основу такого разделения положено различие в температуре кипе­ния кислорода и азота (температура кипения азота ниже темпера­туры кипения кислорода: соответственно 77,4 и 90,19 К при 0,1 МПа).

В соответствии со сказанным идеальный процесс ожижения газа (Toc>Tkp) может выполняться:

1) отводом теплоты при неизменном начальном давлении и тем­пературах Т, изменяющихся от Тос до температур фазового превра­щения (процесс реализуется с помощью холодильной машины или криогенной установки);

2) отводом части теплоты при Тох = const в процессе изотерми­ческого сжатия в компрессоре, а оставшейся — с помощью охлаж­дения при понижающейся температуре и P = const (процесс реали­зуется с помощью компрессора и холодильной машины);

3) изотермическим сжатием с последующим адиабатным рас­ширением до давления рос (реализуется с помощью компрессора и дроссельного вентиля).

Следует заметить, что последний способ конденсации в инженер­ной практике крайне невыгоден, так как для его реализации тре­буется очень высокое давление перед адиабатным расширением в дроссельном вентиле. Технические процессы ожижения в боль­шинстве случаев реализуются в соответствии со вторым методом.

Идеальные процессы ожижения (конденсации) и заморажива­ния газов показаны на рис. 6.1. Начальное состояние газа (точка 1) соответствует условиям окружающей среды Ро.с и То.с.

В дальнейшем нами будут рассмотрены случаи, когда началь­ная температура газа То.с выше критической (То.с > Ткр), так как при То.с <Ткр ожижение не сопряжено с техническими трудностями и может быть достигнуто обычным изотермическим сжатием. Также обратим внимание на тот факт, что начальное давление Рос— 10⁵ Па для всех газов, используемых в технике низких температур, ниже критического.

Охлаждение газа, находящегося в состоянии 1, по линии Рос=const протекает с отводом теплоты путем использования холо­дильной или криогенной установки. При этом температура воздуха будет снижаться вплоть до состояния 2 (линия 1—2). При дальнейшем отводе теплоты (Рос = const, линия 2—3), температура остается постоянной, но снижается энтальпия (по мере образова­ния жидкой фазы) от значения h2 до h3. В точке 3 находится только жидкость (х = 0). Количество теплоты (соответствующее Рос), которое нужно отвести с помощью холодильной машины в процессе ожижения 1—2—3, q,.3 = h1—h5. Дальнейший отвод теплоты (линия 3—4) приведет к началу затвердевания жидкости (точка 4). При продолжении теплоотвода (Т4 = const) жидкость переходит вначале (в промежутке 4—5) в двухфазную смесь, а в точке 5— в твердое состояние. В процессе замораживания 1—2—3—4—5 отводится теплота q_1-5 = h1—h5.

Рассмотрим аналогичный процесс ожижения и замораживания газа при Р> Рос, а именно при Р6 = const (см. рис. 6.1). Вначале газ сжимают в компрессоре от начального состояния 1 до состояния 6 при Тос = const. Если Р<Ркр, то процесс будет идти аналогично описанному, с той лишь разницей, что конденсация будет начи­наться и протекать при более высокой температуре, чем это имело место в процессе 2—3, а теплота, отводимая холодильной машиной (теплота конденсации r), будет меньше h2 — h3. При сверхкрити­ческом давлении (к примеру, P6) газ переходит в критическое состояние при Ткр (точка 7, рис. 6.1), но без постепенной конден­сации, когда степень сухости х изменяется от 1 до 0. Дальнейший переход в шугу, а затем твердое состояние осуществляется по линии 7—8—9.

Сравнивая процесс 1—2—3—4—5 с процессом при P> Pос (в частности: р6, P10, P11 и т.д.), видим, что конденсация дости­гается только за счет отвода теплоты при охлаждении во всем интервале температур от Тoс до T4.

В остальных же случаях газ вначале подвергается изотермическому сжатию в компрессоре с отводом значительного количества теплоты (процессы 1—6, 1—10, 1—11 и т. п.). Причем, чем выше давление предварительного сжатия, тем больше такой теплоотвод (Тос = const). В пределе можно представить процесс ожижения, когда вся теплота ожижения отводится при изотермическом сжатии (Тoс = const). При этом ожижение достигается адиабатным расширением (процессы 10—3 и 11—5) до давления Poс.