3. Розділення повітря методом ректифікації

В цілях спрощення розглядатимемо рідке повітря як подвійну (бінарну) суміш N₂—О₂, враховуючи при цьому, що азот і кисень взаємно розчинні у всіх співвідношеннях Оскільки при атмосферному тиску кисень кипить при — 182,81 °С, а азот — при — 195,61 °С, то азот є низько киплячим компонентом, а кисень — високо киплячим. Відомо, що температура кипіння суміші при даному тиску залежить від її складу і тим нижче, чим більше в суміші низько киплячої речовини. Так, пара, що знаходиться в рівновазі з рідиною, завжди містить більше низько киплячої речовини, чим рідина.

Шляхом однократної конденсації не можна досягти повного розділення повітря із отриманням достатньо чистого азоту і кисню. Тому в техніці застосовують процес багатократного випару і конденсації — процесу ректифікації, при якому пари поступово збагачуються легко киплячим компонентом — азотом, а рідина — киснем.

Температура пари в нижній частині колони, підтримувана випарником та відповідає температурі кипіння кисню, а температура рідини у верхній частині апарату, створена конденсатором, дорівнює температурі конденсації азоту. Пари, піднімаючись вгору, в результаті контакту з рідиною відповідно охолоджуються, а рідина нагрівається. В результаті контакту двох фаз і теплообміну безперервно змінюється склад пари і рідини. Пари збагачуються азотом, а рідина киснем, що дозволяє досить чітко розділити зріджене повітря на кисень і азот, що покидають колону.

Для отримання чистіших продуктів застосовується двократна ректифікація, що проводиться під тиском 0,55—0,65 МПа і 0,13—0,14 МПа.

Підготовка повітря до розділення

Повітря, особливо в промислових районах, забруднене пилом, вміст якого доходить до 0,05 г/м³. У нім присутні також діоксид вуглецю (0,03 об’єм. %), волога (до 50 г/м³) і ацетилен. Пил і інші тверді частки, потрапляючи в турбокомпресор, викликають підвищений знос направляючого апарата і лопаток, забруднюють поверхню теплообмінників, погіршуючи теплопередачу і збільшуючи гідравлічний опір установки. Волога, намерзаючи на холодильних поверхнях, спосібна швидко забити апаратуру. Діоксид вуглецю при (—130) —(170)°С також виділяється у вигляді твердих часток і може забивати устаткування. Ацетилен при температурах біля —180 °С може виділятися в твердому вигляді, що являє собою велику небезпеку, оскільки твердий ацетилен є сильною вибуховою речовиною. Тому повітря має бути очищене від цих речовин. Аби забезпечити вступ чистішого повітря, в деяких установках забір повітря передбачений з двох протилежних сторін; в цьому випадку точка забору повітря визначається пануючим зараз напрямом вітру.

Для очищення повітря від пилу зазвичай перед компресором встановлюють масляні фільтри, що самоочищаються, з сітками, змоченими маслом, на яких затримується пил. При стискуванні повітря в турбокомпресорах і подальшому охолодженні в холодильниках велика частина вологи конденсується і за допомогою бризковловлювача віддаляється із стислого повітря. Однак вміст вологи в стислому повітрі все ж дуже великий. Подальше осушення стислого повітря здійснюється шляхом адсорбції вологи на активному глиноземі або на синтетичних цеолітах або виморожуванні. При адсорбційному осушенні глинозем після насичення вологою регенерують для видалення поглиненої вологи, пропускаючи сухий нагрітий до 250—280 °С азот. Тривалість стадії сушки повітря 8—16 год, а стадії регенерації 3—4 год, тому установка для сушки складається з двох адсорберів.

Якщо адсорбцію ведуть на цеолитах, то вони одночасно поглинають з повітря вологу, діоксид вуглецю і ацетилен. При цьому досягається досить тонке очищення повітря від цих забруднень. Адсорбцію бажано вести при температурі не вище 10 °С, а регенерацію — азотом (при 400°С).

При осушенні виморожуванням на крупних установках охолодження повітря до —175 °С ведуть в регенераторах, тобто в апаратах, заповнених насадкою, через які поперемінно, в протилежних напрямах, пропускають спочатку холодний газ (азот або кисень), а потім повітря, що йде на розділення. При охолоджуванні стислого повітря на насадці регенератора виділяються частки води, а також діоксиду вуглецю, які потім при подачі холодного газу при тиску, близького до атмосферного, знов переходять в газоподібний стан і виводяться з регенераторів.

На установках середньої та невеликої потужності встановлюють теплообмінники, а не регенератори. У аміачних теплообмінниках повітря охолоджується від 5 до — 45 °С і в них заморожується основна частина вологи. Тому встановлюють два аміачних теплообмінника, тоді як в одному охолоджується повітря, інший відігрівається і волога виводиться з системи. Через декілька годин апарати перемикають. На цих установках стисле повітря найчастіше промивають від СО₂ розчином NaОН в скруберах.

Для захисту агрегату розділення повітря від накопичення твердого ацетилену встановлюють ацетиленові адсорбери, або на дорозі кубової рідини і детандерного повітря в верхню колону, або на потоці повітря після регенератора. Адсорбентом є силікагель. Адсорбцію ведуть також в двох адсорберах: поки один в роботі, інший на регенерації.

Стискування повітря на установках малою і середньою продуктивності здійснюється поршневими компресорами, на окремих установках середньої продуктивності, а також на установках великої продуктивності повітря низького тиску стискується в турбокомпресорах. Оскільки в азотній промисловості, як правило, працюють повітророзподільні установки великої продуктивності, нижче коротко описано вживаних двох типів турбокомпресорів.

На установках АКт-15 працюють по два паралельно увімкнених турбокомпресора номінальною продуктивністю по 25000 м³/год в умовах всмоктування, тиском на нагнітанні 0,735 МПа, частотою обертання валу 8846 в 1 хв., що наводяться в рух електродвигунами потужністю по 2500 кВт.

На установках АКтК-16 працює один турбокомпресор продуктивністю 95000 м³/год в умовах всмоктування, тиском нагнітання 0,75 МПа, частотою обертання валу 4470 в 1 хв.; потужність електродвигуна 9000 кВт.

Компресори мають 6 рівнів стискування, після другої, четвертої і шостий рівнів встановлені водяні холодильники.

На установках малої (і частково середньої) продуктивності встановлюють поршневі детандери. Агрегати великої продуктивності оснащені турбодетандерами, принцип дії яких подібний до принципу дії парових турбін. Енергія детандера використовується для приводу електродвигуна, що працює в режимі генератора.

Продуктивність турбодетандера 14,5—17 тис. м³/год повітря, частота обертання валу 6900 в 1 хв. Турбодетандер має редуктор, що знижує частоту обертання валу до 3000 в 1 хв., на яку розрахований електродвигун потужністю 160 кВт. Продуктивність турбодетандера змінюється поворотом лопаток направляючого апарату.