Однократная ректификация

Наиболее простое устройство для разделения воздуха – колонна однократной ректификации.

На схеме показан процесс ожижения Линде, но точно так же может быть использован и любой другой из известных процессов ожижения.

Сжатый воздух после теплообменника (точка 3) подают на дросселирование через змеевик (З), расположенный в испарителе (И) ректификационной колонны. В змеевике сжатый воздух ожижается, при этом испаряется жидкость испарителя, т.к. температура кипения воздуха выше температуры в кубе колонны, где жидкость находится под давлением, равным 1 кгс/см².

Полученный жидкий воздух (точка 4) дросселируют до 1 кгс/см² и (точка 5) подают на верхнюю тарелку ректификационной колонны.

Таким образом, змеевик является как бы продолжением теплообменника, и необходимое тепло передается жидкости испарителя от сжатого воздуха, который в результате ожижается. Следовательно, испаритель одновременно играет и роль конденсатора для флегмы.

Из колонны в точке 6 отводится не чистый азот, а пар, равновесный жидкому воздуху в точке 5. Так как полного равновесия не достигается, практически газ, отходящий из колонны, содержит около 10-12% О₂.

Пары загрязненного азота отводят через теплообменник противотоком по отношению к поступающему воздуху, аналогично тому, как отводят пары из отделителя жидкости при ожижении воздуха.

В испарителе колонны собирается кислород, который может быть отведен либо в жидком (точка 7^`), либо в газообразном виде (точка 7).

В колонне однократной ректификации можно получить до 2/3 кислорода от количества, содержащегося в воздухе, так как около 1/3 его теряется с азотом.

Если кислород отводят в газообразном виде, пропуская его так же, как и азот, через теплообменник, то жидкость из системы не выводится, и, следовательно, в колонну необходимо подавать только такое ее количество, которое компенсирует потери от испарения в результате теплопритока из окружающей среды через изоляцию и от разности температур между точками 2, 9 и 8. Поэтому при получении газообразного кислорода не требуется такой затраты энергии, как при получении жидкости, что позволяет снизить рабочее давление сжатого воздуха.

Энергетический баланс процесса разделения воздуха на газообразный кислород и азот аналогичен балансу процесса ожижения воздуха. В процессе с детандером при получении жидкого кислорода

,

где

Di_ож – разность энтальпий между входящим воздухом и отводимым жидким кислородом;

Di_н - коэффициент недорекуперации, относится к отходящему из теплообменника азоту.

При получении газообразных О₂ и N₂ жидкость из аппарата не выводится, т.е. y=0. Следовательно, с учетом потерь от притока теплоты через изоляцию

Изотермический дроссель-эффект Di_Т при разделении несколько меняется, т.к. из теплообменника выходит не воздух в смеси кислорода и азота, а кислород и азот отдельно. Однако эта разница настолько невелика, что ею пренебрегают.

Величина потери от недорекуперации Di_н при разделении воздуха на газообразные О₂ и N₂ складывается из двух величин Di_н для азота и для кислорода.

Для кислорода (1 кг):

Для азота (1 кг):

где и - соответственно теплоемкости кислорода и азота.

Окончательно уравнение энергетического баланса воздухоразделитель-ного аппарата имеет вид:

,

где В кг/ч – количество разделяемого воздуха

Для установок без детандера М=1 второй член левой части обращается в нуль.

Если известны величины потерь от недорекуперации и через изоляцию, то используя уравнение энергетического баланса, можно по расчетным и опытным данным определить необходимое рабочее давление и количество воздуха (1-М).