Статистические характеристики колонн узлов ректификации криогенных смесей

В современных установках для разделения воздуха или молекул водорода узел ректификации состоит, как правило, из нескольких тарельчатых ректификационных колонн, укомплектованных дополнительными теплообменными аппаратами. В зависимости от назначения узлы ректификации имеют разную компоновку и различаются числом ректификационных колонн, вводимых и выводимых технологических потоков, номером тарелок питания и другими признаками. Наиболее характерным элементом узла ректификации является двухсекционная колонна (рис. 11), в которой в зависимости от назначения установки может осуществляться процесс предварительного или окончательного разделения потока питания.

Интерес представляет сопоставление статистических характеристик простой колонны при разделении различных по свойствам низкотемпературных бинарных и тройных смесей. К последним относится воздух, имеющий следующий состав в молярных долях: 0,7812 азота; 0,0093 аргона и 0,2095 кислорода. Компоненты этой смеси в процессе ректификации оказывают сложное взаимное влияние, что сказывается на статистических характеристиках колонны.

Статистические характеристики отображают воздействие внешних факторов на поле концентрации компонентов, чистоту продуктов разделения и позволяют оценить влияние возможных эксплуатационных ситуаций на процесс ректификации.

Рис. 11. Расчетная схема колонны

JR, JD — соответственно куб и конденсатор; JV, JS — номера тарелок питания;

VD1 — детандерный поток; V — воздух высокого давления;

R, D, VA — продукты разделения: кубовая жидкость, дистиллят При моделировании процесса ректификации необходимо обоснованно выбрать число теоретических тарелок, флегмовые отношения и номера тарелок питания. Анализ статистических характеристик колонны высокого давления (рк = 569 кПа) показывает, что наибольшее влияние на концентрацию продуктов разделения оказывает изменение флегмовых отношений (рис. 12, а).

В двухсекционной колонне чистота продуктов разделения зависит от места ввода разделяемой смеси (см. рис. 13, б). Наибольшее накопление аргона по высоте колонны наблюдается при разделении парообразного воздуха, вводимого на тарелку питания JS = 2. При этом максимальное содержание аргона в жидкой фазе соответствует n = 16 (рис. 14).

Изменение энергетического состояния потока питания при бG = 0…0,45, подаваемого в среднюю часть колонны, при принятых условиях вычислительного эксперимента (JD = 23, JS = 6 и D = 0,45 моль/моль) слабо влияет на чистоту дистиллята и кубовой жидкости (таблица).

Рис. 12. Статистические характеристики двухсекционной колонны

а — зависимость состава продуктов разделения от количества получаемого дистиллята при JS = 6 и JD = 23; б — влияние места ввода питания на состав конечных продуктов разделения при D = 0,45 моль/моль и JD = 23;

• 1-3 — молярные доли N2, Ar, O2 в дистилляте D;
• 1-3 — молярные доли N2, Ar, O2 в кубовой жидкости R

Рис. 13. Поле концентраций аргона в жидкой фазе при различных условиях ввода потока питания, D = 0,45 моль/моль и JD = 23:

1 — JS = 6; 2 — JS = 12; 3 — JS = 20, JV = 2.

Зависимость состава дистиллята и кубовой жидкости от энергетического состояния потока питания при D = 0,45 моль/моль; JS = 6 и JD = 23.

Увеличение числа теоретических тарелок в колонне высокого давления приводит к увеличению содержания азота в дистилляте и кислорода в кубовой жидкости. При флегмовых отношениях порядка 0,7…0,9 на ряде верхних тарелок расчетное значение первого компонента в жидкой фазе приближается к предельному значению, т. е. 1,0 моль/ моль.

В узле ректификации воздуха могут использоваться колонны сырого аргона, «открытые» снизу, или двухсекционные с конденсатором и испарителем. В первом случае в ректификационном блоке разделяется парообразная аргонная фракция FG, которая подается в нижнее сечение колонны сырого аргона. Во второй компоновке из основного блока отбирается жидкая аргонная фракция FL и направляется на разделение в тарельчатую секцию аргонной колонны.

Характер распределения концентрации компонентов по высоте аргонной колонны при разделении парообразной фракции имеет монотонную закономерность, за исключением верхних тарелок, на которых наблюдается, в соответствии с закономерностями фазового равновесия, увеличение концентрации азота. Состав получаемого сырого аргона в значительной мере зависит от флегмового числа, однако при принятых условиях вычислительного эксперимента были получены большие значения концентрационных напоров на нижней тарелке аргонной колонны по сравнению с рекомендуемыми в работе [30].

При разделении жидкой аргонной фракции в двухсекционной колонне вектор концентраций компонентов имеет излом в месте ввода потока питания.

При комплексном разделении воздуха в установках большой производительности предусматривается получение криптоно-ксено-нового концентрата с последующим его обогащением и получением чистых криптона и ксенона.

Поскольку криптон и ксенон — наименее летучие компоненты воздуха, то они накапливаются в жидком кислороде, и их объемная доля составляет 5•10−6. Для получения первичного криптоно-ксено-нового концентрата может использоваться газообразный или жидкий кислород, отбираемый из соответствующего сечения конденсатора-испарителя верхней колонны.

При получении первичного криптоно-ксенонового концентрата с содержанием 0,001…0,002 объемных долей (Кг + Хе) используют.

два массообменных процесса — ректификацию и фракционированное испарение.

Вклад в процесс обогащения кислорода по целевым компонентам ректификации можно оценить по статистическим характеристикам (рис. 16), полученным с помощью программы, созданной на базе теоретической ступени разделения (модель D) для бинарной смеси, и подпрограммы расчета фазового равновесия бинарной системы кислород-криптон.

Рис. Распределение концентрата по высоте колонны при различных величинах отбора:

1 — ККР = 0,005 моль/моль; 2 — ККР = 0,01 моль/моль При моделировании процесса обогащения жидкого кислорода по целевым компонентам в колонне варьировались два параметра — число теоретических тарелок и флегмовое отношение. Флегмовое отношение регулировалось изменением отбираемого потока первичного концентрата — ККР.

В результате при принятых условиях вычислительного эксперимента было получено, что в колонне при начальном суммарном содержании криптона и ксенона, равном 5•10−6, происходит увеличение целевых компонентов на выходе из колонны примерно до 0,0006 объемных долей, т. е. имеет место обогащение исходного жидкого кислорода приблизительно в 120 раз.

Процесс ректификации обогащенной смеси криптон-ксенон был исследован с помощью программы, разработанной на базе теоретической ступени разделения (модели D), и подпрограммы расчета фазового равновесия бинарной системы криптон-ксенон.

При моделировании процесса ректификации смеси криптон-ксенон принималось, что в колонну поступает поток питания, содержащий 0,935 объемных долей криптона и 0,065 объемных долей ксенона. Исследовалось влияние энергетического состояния потока питания, флегмовых отношений и числа тарелок в отгонной и концентрационных секциях колонны на статистические характеристики колонны.

Сложный характер изменения параметров фазового равновесия разделяемой бинарной смеси криптон-ксенон отражается и на закономерности распределения компонентов по высоте колонны. При этом максимальное изменение концентрации наблюдается на нижних тарелках отгонной секции колонны, в то время как на верхнем участке концентрационной секции состав паровой и жидкой фаз изменяется незначительно.

При увеличении флегмовых отношений и понижении давления в колонне уменьшается число необходимых теоретических тарелок в концентрационной секции и во всей колонне.

Однако для принятия окончательных рекомендаций по значению флегмовых отношений необходимо учитывать и энергетические показатели, так как увеличение флегмовых отношений влечет за собой возрастание количества теплоты QR и Qк в колонном аппарате.

Одним из самых эффективных способов выделения дейтерия является метод низкотемпературной ректификации жидкого водорода [34]. При этом водород с суммарным содержанием 0,34 объемных долей дейтерия и водорододейтерия поступает на первую ступень обогащения узла ректификации изотопов водорода, где получают кубовую жидкость, содержащую 0,05…0,1 объемных долей HD.

Рис. Распределение концентраций криптона и ксенона по высоте колонны:

• 1, 2 — молярные доли криптона и ксенона в жидкой фазе;
• 1, 2 — молярные доли криптона и ксенона в газовой фазе

Рис. Влияние величины потока ККР и числа теоретических тарелок n на содержание целевых компонентов в жидкой фазе на выходе из тарелочной секции колонны:

1 — ККР = 0,005 моль/моль; 2 — ККР = 0,01 моль/моль Далее полученный концентрат FD поступает на вторую ступень разделения, где происходит ее вторичное обогащение в первой колонне. В результате получают два продукта предварительного разделения смеси FD: кубовый остаток FHD с содержанием примерно 1,0 объемных долей HD и паровую фракцию FA, содержащую целевые компоненты. Затем эта фракция возвращается на первую ступень обогащения водорода для дальнейшего разделения, а поток FHD в специальном реакторе преобразуется в тройную смесь D2-HD-H2 определенного состава (рис. 19).

Рис. Зависимость состава конечных продуктов разделения от количества дистиллята

• 1, 1 — молярные доли D2 в потоках FDD и FD2;
• 2, 2 — молярные доли HD; 3, 3 — молярные доли H2

В ректификационной колонне в результате разделения смеси получают конечный продукт FD2 с повышенным содержанием дейтерия и отбросный поток FDD, который подвергают дополнительному разделению в первой колонне.

В связи с тем что во второй колонне второй ступени разделения молекул водорода наблюдается значительное накопление всех трех компонентов, целесообразно рассмотреть процесс ректификации тройной смеси.

На распределение компонентов по высоте колонны и их содержание в продуктах разделения влияет то, что изотопы p-D2 и HD имеют близкие значения температуры кипения и давления насыщенных паров. При разделении исходной смеси с объемными долями D2, равной 0,262; HD, равной 0,47; Н2, равной 0,262, при широком изменении флегмовых отношений не удалось получить чистый дейтерий.

Рис. Зависимость концентраций продуктов разделения от суммарного количества дейтерия в исходной смеси

Увеличение числа тарелок в отгонной и концентрационной секциях колонны при постоянных флегмовых отношениях не приводит к существенному улучшению качества продуктов разделения. Чистота продуктов разделения, особенно потока FD2, в сильной степени зависит от состава исходного потока тройной смеси, поступающего на разделение из реактора.

Таким образом, полученные статистические характеристики колонных аппаратов узлов ректификации бинарных и тройных систем позволяют получить дополнительную информацию о закономерностях сложного процесса низкотемпературной ректификации, которая может быть использована при оптимизации параметров колонных аппаратов.