Двукратная ректификация

Аппарат двукратной ректификации состоит из двух ректификационных колонн. В нижней колонне происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азото-кислородную смесь. Эти жидкости в дальнейшем используются для орошения верхней колонны, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот.

Сжатый воздух после теплообменника Т поступает в змеевик 1 испарителя И, расположенный в жидкой смеси, состоящей из 45% О₂ и 55% N₂. В змеевике воздух конденсируется и через дроссельный вентиль 2 подается в середину нижней колонны, где происходит предварительная ректификация воздуха.

Между верхней и нижней колоннами расположен конденсатор-испаритель 4, состоящий из большого числа вертикально расположенных трубок, концы которых впаяны в горизонтальные трубные решетки. Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной. В межтрубном пространстве кипит жидкий кислород.

Для того, чтобы испаритель 4 служил конденсатором для нижней колонны, температура конденсации поднимающегося из нижней колонны пара должна быть на 2-4⁰С выше температуры кипящего кислорода. Только в этом случае пар будет конденсироваться.

Давление в верхней колонне с учетом необходимости преодоления гидравлических сопротивлений трубопроводов и арматуры, несколько более атмосферного – 1,3 кгс/см². Температура кипения кислорода для этих условий составляет 93-94 К (-180-181⁰С). Такая температура конденсации азота соответствует давлению в нижней колонне 5-6 кгс/см².

Сконденсировавшийся в трубке конденсатора-испарителя азот стекает на тарелки нижней колонны. Пары, поднимаясь навстречу стекающей из конденсатора более холодной жидкости, обогащаются азотом. Часть жидкого азота (94-97% N₂) собирается в карманах конденсатора и через азотный дроссельный вентиль 5 подается на орошение верхней колонны. В эту же колонну, примерно на уровне 2/3 ее высоты, через дроссельный вентиль 3 подается жидкая азотно-кислородная смесь.

В результате ректификации в верхней колонне, в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород с концентрацией 99,5-99,8%. Использование азотной флегмы для орошения верхней колонны позволяет получить технически чистый азот концентрации 97-98%. Следовательно, в аппаратах двукратной ректификации потери кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации, и процесс разделения воздуха в них более экономичен.

Змеевики в кубе колонны устанавливаются только в воздухоразделитель-ных аппаратах небольшой производительности, работающих с использованием воздуха высокого давления. Змеевика в кубе колонны может и не быть. В этом случае воздух частично сжижается в дроссельном вентиле 6 и подается в куб нижней колонны. Часть воздуха из куба поднимается в виде пара и подвергается ректификации

на тарелках нижней колонны при соприкосновении со стекающей жидкостью.

Жидкая смесь О₂ и N₂ из куба подается на дальнейшую ректификацию в верхнюю колонну.

Змеевики не ставят в крупных аппаратах с циклами низкого давления. Воздух в этом случае сжимается до давления в нижней колонне и вводится в нее над поверхностью жидкости в кубе в состоянии сухого насыщенного пара. Так же вводят воздух в установках высокого и среднего давления, работающих с использованием детандера.

Ректификационные колонны двукратной ректификации используют в установках производительностью до 35000 м³/ч и более газообразного кислорода.

Чем больше производительность установки, тем меньше потери, приходящиеся на 1 м³ перерабатываемого воздуха.

По мере увеличения размеров установок и улучшения качества изоляции и теплообменной аппаратуры можно совершенно отказаться от воздуха высокого давления, используя процесс Капицы, для которого применяют воздух того же давления, что и для ректификации.

В установках для получения жидкого кислорода малой и средней производительности чаще всего применяют процесс ожижения по Гейландту, в котором используется весь воздух, подаваемый на разделение. В больших установках используют цикл низкого и среднего давления.