Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси

Разделение воздуха на составные части обычно осуществляется в колоннах одно- или двукратной ректификации.

Однократная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот без предварительного его обогащения кислородом.

Колонна однократной ректификации проста в исполнении и эксплуатации. Схема такой колонны представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема аппарата однократной ректификации для получения кислорода

Предварительно охлажденный в теплообменнике выходящими из аппарата по трубе 3 кислородом и по трубе 9 азотом сжатый воздух по трубе 4 направляется в змеевик 6, погруженный в сосуд испарителя (куб) 5 с кипящим жидким кислородом. В змеевике сжатый воздух частично конденсируется и испаряет соответствующее количество кислорода. После змеевика воздух проходит дроссельный вентиль 7, что снижает избыточное давление до 0,02–0,03 МПа и по трубе 8 подается на верх ректификационной колонны. Часть воздуха при этом испаряется, а большая часть стекает вниз по тарелкам 2. Этот воздух обогащается кислородом, контактируя на тарелках с поднимающимися парами. В результате в испарителе собирается жидкий кислород, часть паров которого отводится через трубу 3 в качестве продукта. Образующиеся в испарителе и проходящие вверх по колонне пары обогащаются азотом; на верху колонны пар содержит 88–93 % азота и 7– 12 % кислорода. Эта смесь (отбросный азот) по трубе 9 выбрасывается в атмосферу, предварительно пройдя теплообменник, в котором она охлаждает поступающий сжатый воздух.

Схема азотного аппарата однократной ректификации дана на рис. 5.

Рис. 5. Схема аппарата однократной ректификации для получения азота

Сжатый в компрессоре воздух после теплообменника подается через дроссельный вентиль 7 в куб 5 колонны, откуда через второй дроссельный вентиль поступает в межтрубное пространство конденсатора 12 для охлаждения и конденсации газообразного азота, собирающегося в трубках конденсатора. Чистый газообразный азот отводится из-под крышки конденсатора, а жидкий азот сливается из карманов 11. Обогащенный кислородом воздух из межтрубного пространства конденсатора отводится, как и газообразный азот, в межтрубное пространство теплообменника, охлаждая поступающий в колонну сжатый воздух.

При получении технического кислорода аппарат однократной ректификации работает неэкономично, так как вместе с отбросным газом в атмосферу выбрасывается около 1/13 кислорода, содержавшегося в перерабатываемом воздухе. Обусловлено это тем, что верхняя тарелка орошается жидким воздухом, над которым равновесный по составу пар теоретически должен содержать около 7 % кислорода. Для того, чтобы уменьшить потери кислорода с отходящим азотом, необходимо верхнюю тарелку орошать не жидким воздухом, а жидким азотом, для чего применяют аппараты двукратной ректификации.