Лекция № 24

Прямой коричневый светопрочный М

Прямой голубой светопрочный 23М

Кислотный алый 2Ж

Прямой коричневый светопрочный 2КХ

Диаминобензанилид

Бриллиантовый желтый

Хризофенин

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА И ДРУГИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

9-1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Разделение различных газовых смесей посредством низкотемпера­турной ректификации и фракционированной конденсации играет суще­ственную роль в современной тех­нике.

Широкое распространение ме­тодов низкотемпературного раз­деления смесей связано с тем, что они позволяют в большинстве слу­чаев провести разделение с мень­шей затратой работы, чем при других способах, и получить до­статочно чистые продукты.

Разделение смесей основано на использовании различий в свойствах молекул разных газов; размеров, массы, магнитных, хи­мических и других свойств, меж- молекулярного взаимодействия и т. д. Эти различия и основан­ные на них способы разделения— диффузионный, термодиффузион­ный, адсорбционный, магнитный и др. — не позволяют во многих случаях создавать процессы раз­деления в большом масштабе и с малым расходом энергии. Исполь­зование разности в упругости па-

Разделяемые	газовые смеси
> <1	ё * * у g^13	^ - si *j Г	а •>§ i^a ч ^|*'Я § *	ш в §	1 feb «щ.§ 33& VI si?	*Э £* I %.	Is il It t* <&§	Получаемые газы
								Hueлород 02 Азот И2 Неон We' Криптон Кг Ксенон Хе Ар ген Л г Водород Н, Дейтерий. В
							-—	Инертные газы Воздуха
							—
								ли. 'ig 'Y
								г
	о—>-		---				|-	Ме/оап С(1?'	Г!реде ль -
			о—*—	о-*-			~4	Jmax Пропан CjHfl 5утал СД( flpomuienZ^ Этилен Углекислыи п газ ^L^,^t-	У ИсдороЗьг Непредель- >ные уеле- Зодорпды !,

Рис. 9-1. Таблица технических газов, полу­чаемых из газовых смесей методом низко­температурной ректификации.

ров ожиженных газов -позволяет сравнительно легко и с меньшим рас­ходом энергии произвести их разделение путем низкотемпературной ректификации.

Процесс ректификации обеспечивается подводом тепла в нижнюю часть ректификационной колонны и отводом тепла от верхней ее части. При низкотемпературной ректификации оба ■процесса протекают при температурах более низких, чем Т₀._с. Поэтому работа таких ректифика­ционных установок основана на применении низкотемпературных транс­форматоров тепла, в том или ином виде входящих в схему процесса. С помощью низкотемпературной ректификации получают такие необхо­димые для современной промышленности газы, как кислород, азот, аргон, криптон, ряд углеводородных газов: гелий, дейтерий и др. Осо­бенно важен для промышленности кислород, без которого невозможно современное металлургическое производство, в частности j выплавка стали; азот, идущий иа производство минеральных удобрений и взрыв­чатых веществ; углеводородные газы, иа которых основана промыш­ленность пластмасс.

Важную роль играют инертные газы — гелий, аргон, неон, криптон и ксенон. Первые два широко применяются в качестве инертной среды при плавке чистых металлов, электросварке и резке; гелий и неон неза­менимы как низкотемпературные хладоагенты. Четыре последних газа используются в электроламповой промышленности и электронных приборах. Дейтерий является основой термоядерной энергетики.

На рис. 9-1 приведена таблица, показывающая, какие газовые смеси служат для получения различных газов методами низкотемпера­турной ректификации.

9-2. МИНИМАЛЬНАЯ РАБОТА РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОЗОЙ СМЕСИ \

И ВЫДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ВОЗДУХА

Расход энергии на разделение данной газовой смеси может быть различным в зависимости от применяемого способа. Введение тех или иных усовершенствований позволяет уменьшить потери и снизить рас­ход энергии. Однако, как и во всех других процессах, существует пре­дел, определяемый минимальной затратой работы.

Минимальная затрата работы на полное разделение смеси газов при данных условиях окружающей среды р₀._с и Т₀._с равна сумме работ обратимого изотермического сжатия всех компонентов смеси от их пар­циального давления до общего исходного давления смеси р₀._с. Подсчи­таем, например, минимальную работу разделения 1 м^в воздуха на кис­лород, азот и аргон ¹ при Т_0Х = 2§3°К и р₀._с= 1 ат.

Парциальное давление кислорода в воздухе составляет

= 21 кн[м², азота p_N^7b кн/м², аргона р_Кт 1 кн[м^%.

Следовательно,

где У_к, У₀ и V_Ar — объемы азота, кислорода и аргона перед ежа

тием, м^а.

По условию задачи V_N = V₀ = У_Дг = 1 м³. Отсюда /_кпв = 78• Мп 2Ы ■ in¹-§-+1 • Mn 19,3 + 33,15 + 4,6 Щ

= 57,05 кдж/м³ = 0,0157 кет?ч/м³.

¹ Для упрощения расчетов все инертные газы отнесены к аргону,

Рис. 9-3. Схема е—^-диаграммы для давления р=р₀.е-

нулевой эксергиен разделяемой смеси. В том случае, если _Ппл с разделением смеси осуществляется в установке с замкнутым „ ^^есс

ЦпКлл. _

Рис. 9-4. Диаграмма е~1 бинарной смеси при различных давлениях

а — р=р_о._с: б^р<р_ос; в-р_>р ■

(например, в водоаммиачнои холодильной или теплонасосной устанп ке), выбор точки начала отсчета произволен. Все изотермы на диагпам ме е— I обращены выпуклостью вниз, так как эксергии чистых веществ

Г па ПСЛИЧИ-

ну минимальной работы разделе­ния.

В верхней части диаграммы находится область влажного па­ра,.причем линия *=0 лежит вы­ше, чем линия х~ 1. Это объяс­няется большим значением эк­сергии жидкости для любого значения £, чем сухого насыщен­ного пара. В области влажного пара изотермы представляют со­бой наклонные прямые, причем угол их наклона изменяется по мере приближения к линиям £=0 и |=1, где изотермы вертикаль­ны, как и в диаграмме г—

При давлении р<р₀.с (ваку­ум) изотерма Т_ох опускается ча­стично или полностью под пря­мую е=0 в область е<0. Соот­ветственно смещаются вниз и другие изотермы. Границы обла­сти влажного пара раздвигаются вследствие увеличения разности е при а:=0 и х=1 для всех значе­ний концентрации (рис. 9-4).При давлении изотевмы сме­

щаются вверх, а гоанинкт Давлении р>р₀._с изотермы сме-

Проведем некотпп^ области влажного пара сближаются.

Духа, рассматоивярмпго^{6 расчеты на е}~g-диаграмме на примере воз- ¹ и 5 бар дана на рис ³ 9 5^{М6СЬ Na И} °²’ ^диагР^амма которой дл*

азота не требуется, он выходит через полупроницаемую перегородку X в атмосферу и обратимо смешивается с ней. Состав атмосферы при этом не меняется, так как он? является окружающей средой практически бесконечного объема.

Кислород посредством компрессора IX сжимается изотермически обратимо до давления р₀.с, для чего необходима работа /г, равная его нулевой эксергии в со­ответствии с формулой (9-2). Таким образом, выделение одного компонента из смеси требует в идеальном случае только работы, равной его нулевой эксергии.

" Если требуется разделить воздух с получением также и азота, то необходимо установить компрессор на линии азота VII, чтобы сжать его от парциального давле* ния до ро.с.

Затрата работы в этом случае будет рав­на сумме нулевых эксергий кислорода и азо­та. Очевидно, что приведенные зависимости остаются в силе и в тех случаях, если из сме­си нужно выделить не один, а несколько ком­понентов, а остаток, выбрасываемый в атмо­сферу, состоит не из одного газа, а из смеси.

Необходимо отметить, что нулевая эксергия данного компонента смеси может служить мерой минимальной работы, нужной для его 'выделения из смеси при соблюдении двух условий: l| Из данной смеси нужно выде­лить только данный компонент; остав­шийся компонент (или смесь компо­нентов) выпускается из системы и воз­вращается в исходную смесь,

2. Разделяемая смесь должна представлять собой окружающую сре­ду (например, воздух, воду) или иметь­ся в таких количествах, чтобы возвра­щение в нее оставшихся компонентов смеси не могло практически изменить ее состав.

'Во всех остальных случаях при выделении компонента необходимо учитывать работу выделения и других компонентов из смеси. Примени­тельно к воздуху нужные для таких расчетов нулевые эксергии комшн нентов приведены в табл. 9-1.

Рис. 9-7. Физическая модель процес­са выделения кислорода из воздуха.

/—цилиндр; II—поршень; III, IV, X полупроницаемые перегородки; V—VII — патрубки; VIII — клапан; IX — компрессор, кислорода.

Таблица 9-1

Нулевые эксергии компонентов сухого воздуха

Г аз кдж/кг	^ео к дж1 м?	кдж/кмоль
Кислород..................... 127	170,6	4 060
Азот.................................. 23,1	27,2
Аргон.............................. 303	508,1	12 095
Криптон........................... 421	1 481	35 248
Ксенон............................. 321	1 765	42 031
Неон................................. 1 490	1 269	30 202
Гелий............................... 8 070	1 328
Углекислый газ............... 457		20 944

При низкотемпературном разделении воздуха оценку к. п. д. ^уста­новок необходимо проводить по сравнению с обратимой работой извлек чения только тех компонентов, которые используются как продукт. На­пример, в случае, когда воздухоразделительная установка работает на получение только кислорода, расход энергии в реальном процессе нуж­но сравнивать только с идеальной работой выделения кислорода, а не­с работой разделения, в которую входит и работа выделения азота. Это. положение основано на том, что в принципе, как было показано выше, с термодинамической точки зрения получение кислорода из воздуха

ппвсе не связано с необходимостью сжимать азот от парциального „ атмосферного давления. Принципиально не исключена Возможн*⁰ созданий более экономичного процесса, в котором азот выбрасывав в атмосферу при парциальном давлении. ***

Наиболее экономичная современная установка для получения ки

лорода из воздуха посредством низкотемпературной ректификации Т'

шотяет довести расход энергии до 1600 кдж (0,45 квт-ч) _На j кислорода. Таким образом, к. п. д. ц современных установок разделен! воздуха, выдающих в качестве продукта кислород и выпускающих _в п ружающую среду остальные компоненты, не превышает т| = 170,6/1 600*' «106%.''Остальная работа затрачивается на компенсацию различив потерь от необратимости реальных процессов и теряется при выбрав вании в атмосферу смеси других компонентов. В случае, когда _аз“' не выбрасывается, а целиком полезно используется, к. п. д. установки разделения воздуха возрастает до

/ 0,23 \ _л

170 + гР==27,2 100

Ч- ¹--------------------------------------- ',60В - -170/₀,

По. м* я

1 600

Другие низкотемпературные процессы разделения газовых смесей имеют различные значения к. п. д. т] — от 20 до 1% и даже ниже в за­висимости от масштабов установки, ее совершенства и рабочих темпе­ратур. Как правило, г\ тем ниже, чем ниже температуры ректификации и меньше производительность установки.

Работа по повышению эффективности низкотемпературных процес­сов и снижению удельных расходов энергии ведется как в направлении улучшения схем установок, так и в области усовершенствования машин л аппаратов. В основе такой работы лежит термодинамический анализ процессов в установках и их отдельных частях.

9-3. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ БИНАРНЫХ [ДВОЙНЫХ) СМЕСЕЙ

Ректификация при низких температурах имеет ряд существенных особенностей с точки зрения энергетики. Прежде чем перейти к их ана­лизу, необходимо рассмотреть условия проведе­ния этого процесса и некоторые расчетные ме­тоды.

Условия проведения процесса

Схема ректификационной колонны показана на рис. 9-8. Разделяемая смесь в количестве В, кг/н поступает в среднюю часть колонны в виде сухого насыщенного или влажного пара или, на­конец, в виде жидкости.

В испарителе, расположенном в нижней части колонны, к жидкой смеси подводится теп­ло Q_n. В результате часть жидкости, стекающей сверху, испаряется, а образовавшийся пар П поднимается по колонне..

В конденсаторе, установленном над верхнем частью колонны, отводится тепло Q_K, в результа- пяпя i/rmn ^{те чего} часть поднимающегося из колонны

пячпи _ Дснсируется и жидкость стекает обратно в колонну. Таким об- нпм 1г’япг^°^Л0ННе °бР^азУ^ются непрерывно движущиеся в противополож- пеоехпггит n п ^1ИИг^{ПОТОКИ па}Р^{а П и} жидкости Ж. Так как в испарителе _жн^_л„_т,, ^аР °°льше легкокипящего компонента, находящаяся в нем кипения гтп.°^{ГаЩаСТС}^ ^тРУД^нокипящим компонентом и температура ее ышается. В конденсаторе, напротив, в жидкость, стекающую

Рис. 9-8. Принципиаль­ная схема ректифика­ционной колонны непре­рывного действия.

в колонну, переходит больше трудпокипящего компонента, а несконден- сировавшийся пар обогащается легкокипящнм компонентом и темпера­тура его конденсации понижается. Верхняя часть колонны оказывается холоднее, а нижняя — теплее. В результате на каждом уровне колонны температура идущего снизу пара П несколько выше температуры дви­жущейся навстречу жидкости Ж и, следовательно, пар содержит боль­ше труди скип я щс го компонента, чем то, которое соответствует состоя­нию равновесия с жидкостью. Таким образом, за счет подвода тепла в испарителе и отвода в конденсаторе, по всей высоте колонны создает­ся разность температур АТ—

= Т_а—Т_ж и разность концен­траций, под действием которых возникает тепломассообмен между паром и жидкостью.

Рассмотрим процесс взаи­модействия пара и жидкости на одной из ректификацион­ных тарелок колонны на диа­грамме концентрация — темпе­ратура —Т, рис. 9-9,а). Для наглядности ордината диа­граммы расположена так, что­бы возрастание температуры шло книзу в соответствии с распределением температур в колонне.' Состояние пара Я, поступающего на тарелку сни­зу, характеризуется соста­вом, соответствующим точке п. а состояние жидкости, поступающей на тарелку сверху, харак­теризуется точкой Ь. Разность температур пара, и жидкости при поступ­лении на тарелку ДТ = Т_и—Г_ж. Ори контакте пара и жидкости их тем­пература выравнивается. В пределе как пар, так и жидкость прини­мают среднюю температуру Т_м. При этом па-р частично конденсируется (точка а"), а жидкость частично испаряется (точка Ъ"). В результате получается пар, обогащенный легкокипящнм веществом (точка а'), и равновесная ему жидкость, обогащенная труднокипящим веществом- (точка Ь'). Массообмен происходит в результате как перемешивания жидкости и пара, так и диффузионного процесса.'

После установления равновесия при температуре Т_м образуется:

1) пар П' (точка a'), состоящий из оставшейся части исходного- пара и испарившейся части жидкости, и 2) жидкость Ж' (точка Ь'), состоящая из оставшейся части исходной жидкости и сконденсировав­шейся части пара.

Таким образом, в результате испарения и конденсации пар обога­щается легкокипящнм компонентом (сдвиг вправо на диаграмме},, а жидкость — труднокипящим (сдвиг влево). Такие же процессы проте­кают и на других уровнях колонны, как показано на рис. 9-9,6, где нанесены три последовательно расположенные тарелки /, 2 и 3. В ре~ зультате последовательных сдвигов по ходу жидкости концентраций: влево, в нижней части колонны, пар и жидкость имеют высокое содер­жание труднокипящего компонента.

По мере движения,по ходу пара вверх концентрации как пара, так и жидкости смещаются вправо и содержание легкокипящего компо­нента как в ларе, так и в жидкости может быть доведено до нужной- концентрации. По диаграмме легко видеть также, что температуры к низу колонны возрастают, а к верху — понижаются {Т^<Т/₂<То). Необходимая поверхность соприкосновения пара и жидкости обеспечивается

Рис. 9-9. Схема процесса тепло- и м асе п обмен а- между лара.м и жидкостью.

a ■— одна тарелка; 6 — несколько последовательно расположенных тарелок.

в низкотемпературных установках либо использованием сит... тых ректификационных тарелок (крупные и средние установки), _Лиг насадкой из элементов различной формы (малые и лабораторные уст’⁰ новкн) При расчете ректификационных установок используется п₀„ тис о числе теоретических тарелок, иод которым понимается чиг т-щелок, необходимое для получения заданных конечных концентраний пара и жидкости при идеальном процессе тепломассообмена на _Ка дон тарелке. В идеальном процессе на каждой теоретической тарел^* достигается полное равновесие между паром и жидкостью, т. _{е п} и жидкость покидают тарелку при одной н той же температуре. Поя тически полное равновесие на каждой тарелке не достигается, поэтом число тарелок на каждом отрезке колонны берется большим, чем теопр тическое. Величина ф, равная отношению числа теоретических тарело к числу действительных тарелок, зависит от конструкции колонны свойств и состава разделяемой смеси, скорости потоков и т. д. и опроде ляется по экспериментальным данным. ^д '

В насадочных колоннах процесс тепло- и массообмена протекае непрерывно по всей высоте насадки. Поэтому п расчет вводится высот слоя насадки, эквивалентная одной теоретической тарелке.

Продукты разделения — легкокнпящий D и труднокипящнй _Как показано на рис. 9-8, могут выводиться из колонны как в парообразном (D, ух)\ /?, г/п), так и в жидком виде (D, x_D; R, х_п) *. При этом соответ­ственно меняются тепловые нагрузки конденсатора Q_K и испарителя О Энергетический баланс колонны имеет вид:

Qh+ Qwa = Rin. + Div + Q_I{ rn.gx

или ’

Qn—Qi<=-Rin+Dii)—Bin—Q_II3, (9.4)

где Q„o — внешний теплоприток через изоляцию.

При заданных условиях получения продуктов разделения, подачи разделяемой смеси и потерях от неадиабатности колонны Q_ra величина правой части уравнения (9-4) постоянна. Следовательно количества тепла Q_it и Q_u могут иметь самые различные значения при условии чтобы их разность удовлетворяла уравнению (9-4). Из уравнения (9-4) видно также, что чем больше Q„, тем больше должна быть и величина Все процессы теплопередачи в колонне (на тарелках или насадке, в испарителе и в конденсаторе) проходят при некоторых конечных раз­ностях температур, что вызывает соответствующие потери от необрати- „г большие количества тепла передаются в колонне, тем боль-

гтптУо-г^¹⁰¹⁶*³¹¹’ ^ПоэтомУ ^ПР^И проведении процесса ректификации всегда пполукт'1^Яг,мп^Ти^МУ’ ^чтобь1 величины Q„ и Q,< на единицу получаемого и О и ™ меньше. Чтобы определить минимальные количества Q»

cMnrnPTv ^е^^{овательн}°. минимальный расход энергии, необходимо рас- колонии ^{т,юшения} между потоками пара и жидкости в сечениях определения ^теоР^е™^,’<*^к*”‘ грелок и методы расчетного

овные закономерности, определяющие работу колонны

щающие* лпп«т«'!^.^{Г1ИТЬ основмые} закономерности, зафиксируем упро- LHaE'¹ которыми мы уже пользовались выше равновесие Р^ектификационной тарелке полностью достигается

2 Колонн жидкостью и паром, батных условияГ?А^{У ис}1^паРителем и конденсатором работает в адиа*

_ * \Vira —0).

этом X— концент^’ация^жи'пип ^К01,Иеитрация легкокнпящего продукта в сыеси. бой фазе. ^{н в} жидкости, у — концентрация в паре, \ — коицеитрацм i

■Ч

3.. Давление по всей высоте колонны одинаково.

Рассмотрим материальные балансы участков колонны выше ввода разделяемой смеси (сечение п-п) и ниже ввода (сечение т-т) ¹ (рис. 9-8),

Для концентрационной части колонны

Я_к—Жк-^^idem. Для отгонной частя колонны

Жо—ДоШ?==1Йет.

(9-5)

(9-6)

Уравнения (9-5) и (9-6) показывают, что разность потоков пара и жидкости в каждой части колонны есть постоянная величина, не зави­сящая от уровня, на котором находится сечение пщ или т-т.

Однако абсолютные значения расходов Я_к и Жк> так же как и Я₀ и Жо, изменяются по высоте колонны.

Для упрощения анализа работы и метода расче* та ректификационных колонн удобно ввести расчет­ную величину — разность потоков it.

Для ректификационной колонны, представленной на рис. 9-8, разность потоков концентрационной ко­лонны равна гг_к = (Я_к—Ж_к),а отгонной Ло~ (Жо—Я₀).

Разность двух потоков я не всегда равна расхо­ду в каком-либо конкретном третьем потоке, как это имеет место на рис. 9-8, где Я_к—Мк—Ян а Жо—

—Яо=^? = jto-

В некоторый случаях разность потоков является абстрактной вели­чиной. Например, в концентрационной колонне,.приведенной на рис. 9-10, нет потока, расход в котором равен разности потоков (Я—Ж). В этой колонне я=Я—Ж=0—R. Тем не менее для удобства расчетных опе­раций разность потоков используют во всех случаях и наделяют пара­метрами концентрации и энтальпии, как и конкретные потоки.

Перейдем к рассмотрению материального и энергетического балан­сов ректификационной колонны.

Для верхней части (концентрационной) колонны, лежащей выше любого сечения п-п, расположенного над уровнем питания, действи­тельно следующее уравнение материального баланса по легкокипящему компоненту:

П_ку - (17 _к — Жк) ©

Рис. 9-10. Схема колонны с пода­чей флегмы извне.

откуда

FT нУ Пуу у/i х

П_г

Ж К

(9-7)

где Я_к и Ж_к — расходы пара и жидкости в любом сечении концентра­ционной колонны; у, х — концентрации пара и жидкости в этих сечениях.

Из формулы (9-7) следует, что концентрация 5 разности потоков (Я_к—к равна разности произведений расходов отдельных пото­ков на их концентрацию, деленной на разность потоков.

Для колонны, представленной «а рис. 9-8, величина я._1: —

- (Яй-Жк) Ш a Ii = У V

¹ Место ввода разделяемой смеси принято называть уровнем питания; часть колонны выше уровня питания называют концентрационной колонной, ниже — от­гонной.

* Условно принят вариант с отбором продукта D в внде пара. Вывод не изме­нится при отборе продукта в виде жидкости.

Рассмотрим коротко два таких процесса — ректификацию воздуха и получение дейтерия из технического водорода. Схемы этих процессов значительно отличаются от основной схемы, показанной на рис. 9-8. Однако каждая сложная колонна может быть разделена на адиабатные участки, для которых все изложенные закономерности действительны.

9-5, РЕКТИФИКАЦИЯ ВОЗДУХА Однократная ректификация

Наиболее простым устройством для ректификации воздуха являет­ся колонна однократной ректификации, схема которой вместе со схемой процесса ожижения показана ^;на рис. 9-15. Для простоты на схеме пока­зан процесс Лш-ще, но точно так же может быть использован и любой

другой из описанных процессов ожи­жения.

При разделении воздуха часть процесса ожижения, протекающего в отделителе жидкости и дросселе' (по­казанная штрихом), осуществляется совместно с процессом ректификации. Сжатый воздух после теплообменника (точка 3') поступает на дросселирова­ние через змеевик, расположенный в испарителе ректификационной ко­лонны. В змеевике сжатый воздух до­полнительно охлаждается и ожижает- ся, так как его температура кипения выше, чем температура в испарителе, где давление над жидкостью лишь не­много превышает атмосферное (на ве­личину сопротивления теплообменника потокам, выходящим из колонны). По­лученный жидкий воздух (точка 3) дросселируется до давления в колонне (точка 4) и в качестве разделяемой смеси и флегмы подается на верх­нюю тарелку колонны. Таким образом, змеевик является как оы про­должением теплообменника. Тепло испарения Q„ передается жидкости в нижней части колонны от воздуха, который за счет этого ожижается. Испаритель, следовательно, играет и роль конденсатора для флегмы.

При сравнении колонны однократной ректификации с колонной, показанной на рис. 9-8, видно, что первая представляет собой ее ниж­нюю часть (отгонную), расположенную мод уровнем питания. Верхняя (концентрационная) часть, необходимая для получения технически чис­того легкокипящего вещества (в данном случае азота), отсутствует. Поэтому из колонны в точке 6 отводится не чистый азот, а пар, равно­весный жидкому воздуху в точке 4. Так как полное равновесие не до­стигается, то практически пар, отходящий из колонны, содержит около {0—12%' 0₂. Пары загрязненного азота отводят через теплообменник противотоком по отношению к поступающему воздуху аналогично тому, как отводят пары из отделителя жидкости при ожижении воздуха. В кубе¹ колонны собирается труднокипящее вещество (в данном слу­чае— кислород), которое мсжет быть отведено либо в жидком (точка 5'), либо в газообразном виде (точка 6'). В первом случае колонна играет также роль и отделителя жидкости, и количество отводимого кислорода будет определяться уравнением (8-5) или (8-13) так же, как и количество жидкого воздуха.

Рис. 9-15. Схема однократной ректи­фикации воздуха.

¹ 1\уб — нижняя часть колонны.

В колонне однократной neK-rnrW лорода от количества, содержащеесяв'то,“„°^{Жно ПОл}У“ить до •/, _{Кис тер}яется с азотом. Если кислород отводят ^ДуХе’ ^{так ка1}< около „уская его так же, как и азот, через теплппГ ^газообР^азном виде псо системы не выводится, и, след_0Ва?ельно Т? ^ИНИК’ ^то жидкость из _вагь только такое ее количество, которой \™°^{НКУ необ}*°ДИмо пода _0Г „спарения в результате теплопри^Т® ¹«“"«нсирсяало бы i „золяцию.и от разности температурив toJkS ^сР^ы через

„енни газообразного кислорода не ’ ⁹-^{и 8}' Поэтому при пол?

как при получении жидкости что и2_Вол^^{СЯ Такйй за}^Раты э„_ерги^У„ сжатого воздуха. Следовательно, при nonvLZ³”^ ^{рабочее дав}^ниё рода процесс ожижения играет вспомогателы^ю^а30°^{браЗНОГО кисл}°- яеобходимую разность температур _в испапи™^{У Р}°^ЛЬ’ ^обеспечивая пенс пру я потери жидкости от протокатотлЛП ^{И конденсат}°ре и ком- „а теплом конце теплообменника и чспм^:чет разности температур потери, тем меньшая затрата энеогии ^{цию; чем} меньше эти

Только в пусковой период необходима вы^{ИХ компе}нсацию. количестве, чтобы заполнить жидкостью In ™^а жидкости в большем Энергетический баланс про_ЦессГп1пЛ!^{РИТеЛЬ И ТареЛКИ коло}«*- чые кислород и азот аналогичен балянг? ^{Л я В03д}У^ха на газообраз- Воспользуемся формулой (8-13) лля ^{у п}Р^оцесса ожижения воздуха, жидкости в процессе с детандером: ^{Ч6Та количества} получаемой

U — -^А<т + (1 — ^М) ^Д‘д - — <7„з

Дг'ож —Дг_н» ^: (9*25)

жиТкого'Тимо^Роо³^_я^ОСТЛ/ ^Э™^{ьпий входящего} воздуха и отводимого жидкого кислорода, Ai„ относится к отходящему из теплообменника

азоту. При получении газообразных кислорода и азота жидкость из

аппарата не выводится и, следовательно, у = 0.

Тогда

Ai_T+ (1— M)Ai_a=Ai_a+q_na. (9-26)

Все члены уравнения относятся к I кг сжатого воздуха.

Изотермический дроссель-эффект Д/_т при разделении воздуха не­сколько изменяется, так как из теплообменника выходит не воздух — смесь кислорода и азота, а кислород и азот отдельно. Однако эта раз­ница в величине Ai_T настолько невелика, что ею пренебрегают. Величина потери от недорекулерации Ai_n при разделении воздуха на газообразные

кислород и азот равна сумме двух величин: АС азота и Ы* кислорода;

Ai = Д С -f- Д/^к.

^н н ¹ в

Каждое из слагаемых равно произведению массовой доли выходящего газа g на его теплоемкость и на разность температур на теплом конце

теплообменника между выходящим газом и входящим воздухом: Дi* = ~giAT_Kc*; Ai,³, =ga^T_ac^a_p, где ДГ_к = 7\, —7\; AТ_Я = Т_Я — Т_Л; с_р и с_р — соответственно теплоемкости кислорода и азота; g_a и g_K — массовые доли получаемых технических продуктов—кислорода К и азота А.

С учетом вышесказанного тепловой баланс воздухоразделитель­ного аппарата на 1 кг воздуха может быть записан в следующем виде;

Д/_т —|— (1 —М) &in=giAT}tC*-\- ga&TaC^-^- q_a3. (9-27)

Для установок без детандера М — 1 и второй член левой части обраща­ется в нуль. Зная величины потерь от недорекуперации и через изоля­цию можно по уравнению (9-27) определить необходимое рабочее

Поэтому практически эффективность процесса в установке однократной ректи­фикации нужно* сравнивать только с работой выделения кислорода. Тогда

(5 670— 1686) -100

t = 101208

= 3,8%.

Таким образом, несмотря на сравнительно высокий к. п. д. колонны, потери^ связанные с холодильным процессом (включая компрессор),.теплообменом и с оторо нь;м продуктом намного снижают к. я. д. V процесса в целом.

кислород, 'НО И

Двукратная ректификация

Колонна двукратной ректификации (разработанная Линде в 1907 г.) позволяет получать ори ректификации не только технически частый чистый азот. Отличие этого метода от однократной рек­тификации заключается в том, что при обогреве испарителя колонны поступаю­щий воздух не только ожижается, но и одновременно частично разделяется. Это разделение позволяет получить достаточ­но чистый жидкий азот. Для этого необ­ходимо дополнить колонну частью, рас­положенной выше ввода разделяемой

смеси. _ц

Схема колонны двукратной ректи­фикации представлена на рис. 9-16,а. Штриховой линией показана часть ^ко­лонны, соответствующая по своей работе колонне однократной ректификации. Вместо змеевика в испарителе кислорода установлен трубчатый теплообменник IV, называемый конденсатором-испари­телем, под которым расположена так на­зываемая нижняя ректификационная ко­лонна, предназначенная для предвари­тельного разделения воздуха одновре­менно С егО Ю|1Ж(!!ШС|.

Сжатый воздух, охлажденный в теп­лообменнике, после дросселирования в вентиле I поступает в нижнюю колон­ну. При дросселировании воздух частично ожижается. Образовавшаяся при этом

жидкость, обогащенная кислородом до

нижней колонны, откуда через дроссельный |ент№ //.^noc^^acJ, _

исходная смесь для разделения в верхнюю колонну. Пар в нижнеи ю

лоине поднимается к конденсатору-испарителю в'

гтве которого кипит жидкии кислород. Для того чтооы этот ^ап^ра служил конденсатором для нижней колонны, необходимо, чтобы подни­мающийся к нему из нижней колонны пар имел температуру на 4 град выше, чем кипящий кислород в верхней колонне

Давление -в верхней колонне, так же как и Давление в колкие однократной ректификации, в идеальном случае равно 1 бар. Практ чески' -вследствие гидравлических сопротивлении * тлубопооводах теплообменных аппаратах и арматуре это давление ЗЙЖ в пределах 1,3-1,5 бар. Температура кипения || пода в "тих условиях составляет 93-94» К. Поэтому температура, при коадойШк! происходить конденсация паров азота в нижнеи колон не должна быть «е ниже 96-97» К. Азот имеет такую температуру

Рис. 9-16. Схема колонны дву­кратной ректификации воздуха.

/ воздушный дроссельный вентиль;

]1 — дроссельный вентиль жидкости испарителя; III— азотный дроссель­ный вентиль; IV — конденсатор-испа­ритель.

400 м³/ч кислорода) весь пеоеояГ»ят».,_и

_ления. необходимого для того чтобы посп? ^В°^{ЗДух с}*™ается _до Клода полечить количество жйг.^^^Ь1__?^{средств}ом пооиегг_а^Тп^Я.^{До дав}' жания работы аппарат

В более

крупных установках (до 3

ООО л!³/ч

Для поддеп-

_часть воздуха сжимают только до'давлен и я^Г ^кислоР°Да) основную спечения работы колонны двойной ректЕЕ,' °^{рос н}У^Жн° Для обе

„хождения в теплообменных аппарата™*"™*'>: -Se

„ нижнюю колонну без дросселирования Нмбх^^{Ь В03духа} "°"ают _шш потерь количество жидкости ^Меибходимое для компенса-

ГИ nuic^D лилнчество жидкости получают поспТ,^{ДЛЯ Компеь} предварительным охлаждением или Гейгт_Яи?!°^{М п}Р⁰¹^сса Ли

rr I тлг i/л Попп 1 г- vHtfld Н ДТ 3 Hrrmm

нде

Рис. 9-18. Принципиальная схема воздухо­разделительной установки низкого давле­ния.

/-турбокомпрессор; // — азотные регенераторы: /// — кислородные регенераторы: IV — подогрева­тель азота; V — детандерный теплообменник; VI — охладитель жидкости испарителя; V// — охладитель жидкого азота; VIII — нижняя колон­на: IX — верхняя колонна: X — конденсатор-испа­ритель; XI — детандер.

ции потер с

небольшую часть воздуха (5________

12%). сжимаемую до высокого давления. Чем больше установ­ка, тем меньше необходимая доля воздуха высокого давления. Та­кие установки называются уста­новками двух давлений воздуха.

По мере увеличения разме­ров установок и улучшения каче­ства изоляции и теплообменной аппаратуры можно совершенно отказаться от воздуха высокого давления. Создание высокоэф­фективного турбодетандера по­зволяет получить необходимое для работы таких-установок ко­личество жидкого воздуха по­средством процесса Капицы, для которого используется воздух того же давления, что и для рек­тификации. Такие установки называют установками низкого давления.

В них и больших установках двух давлений воздуха используют колон­

ны двойной ректификации, в которых применены усовершенствования, позволяющие снизить потери от необратимых процессов в колонне. Установки низкого давления являются наиболее экономичными и совер­шенными из существующих в настоящее время и предназначены длл получения больших количеств кислорода с целью интенсификации тех­нологических процессов в металлургии и других отраслях промышлен­ности.

Принципиальная схема такой установки показана на рис. 9-J8. Как видно из схемы, регенераторы и ректификационная колонна такой \ста- новки отличаются от описанных выше регенераторов (§ ' -) и колонн двойной ректификации. Поэтому перед описанием установки рассмотри

°Ре^бг^еГн⁰еТатор ы. Как видно из схемы рис. ⁹-¹⁸^^ПЛ^°^^Н₀бьн- Ду поступающим воздухом и отходящим кислородом Р - _{е межД}у ным методом посредством двух регенераторовi ///. ■ причем через

азотом и воздухом участвуют не два регенератора, а р, P один из них пропускается в том же ^напР^ав^^ш,1 ’_лнительный’ поток- холодного воздуха, прошедшего регеиераторь _{р Q} условия, при воздуха создает в нижнеи части азотных р Р _н„_телЬный воздух) которых суммарный обратный поток (азот+д• ‘. _ВОЗДУх). Допол-

Делается больше, чем прямой (сжатый охла Д _{н е} б а л а н с и Р У ю-

нительный воздушный поток поэтому называ Щимся потоком.'

Дата добавления: 2014-01-04