Введение. 
Воздухоразделительная установка для получения жидкого кислорода

теплообменный ректификация переохладитель ожижитель Кислород в промышленности используется только в газообразном состоянии. Однако, при больших масштабах его потребления, транспортировка и хранение кислорода в жидком состоянии экономически и технически выгоднее, чем в газообразном состоянии. В этой связи в промышленности эксплуатируются различные типы установок, производящих жидкий кислород. Сложность схемы зависит от производительности.

Установки, вырабатывающие 200…2000 кг/ч жидкого кислорода, проектируются на основе цикла высокого давления (рис. 1).

В период с 1950 по 1995 г. в СССР построено и запущено более 500 крупных ВРУ и более 2500 установок малой и средней производительности. В настоящее время в России и странах СНГ в эксплуатации находятся ВРУ более 40 наименований.

ВРУ технического кислорода находят широкое применение в металлургической промышленности, обеспечивая кислородом и аргоном сталеплавильное производство, а азотом — сталепрокатное. Установки этого типа в последнее десятилетие наиболее активно совершенствовались. Современные ВРУ этого типа — это установки комплексного извлечения особо чистых продуктов: кислорода, азота, аргона, при необходимости — концентрированных смесей криптона и ксенона, неона и гелия. Оптимальным для крупных ВРУ технического кислорода является получение части продуктов в жидком виде.

ВРУ среднего и высокого давлений предназначены для получения жидких и сжатых (до 20 МПа) продуктов разделения воздуха. Для компенсации затрат холодопроизводительности при получении жидких продуктов необходимо ее вырабатывать в установке. Чем выше давление сжатия, тем больше удельная холодопроизводительность ВРУ и тем большая доля продукта может быть отведена в жидком состоянии.

Технологический цикл разделения воздуха в ВРУ состоит из нескольких взаимосвязанных процессов: сжатия воздуха; осушки и очистки его от двуокиси углерода и углеводородов; охлаждения до температур насыщения и образования необходимого объема жидкой фазы (так называемой флегмы); собственно процесса разделения методом низкотемпературной ректификации с отбором продуктов. Поскольку воздух обычно является рабочим телом холодильного цикла, то в ВРУ часто одновременно осуществляются процессы расширения газообразных потоков в детандерах и процессы охлаждения воздуха внешними источниками холода. Продукты разделения могут быть получены в газообразном состоянии при небольшом избыточном давлении или давлении до 20 МПа, а также в виде недогретой (переохлажденной) жидкости. Все рабочие процессы в ВРУ могут быть реализованы в конструктивно различных машинах и аппаратах, а осушка и очистка могут быть выполнены различными методами.

В качестве прототипа была выбрана воздухоразделительная установка средней производительности КжКАж — 0,25. Схема данной установки (см. плакат 1) основана на использовании цикла высокого давления с расширением части охлаждаемого воздуха в турбодетандере[8].

Атмосферный воздух после очистки от механических примесей поступает в компрессор К, где сжимается до 20 МПа. После концевого холодильника этот поток охлаждается в теплообменнике-ожижителе А4 до Т=278К потоком продукционного азота. В этом аппарате выделяется сконденсированная влага, что облегчает работу блока очистки (адсорберы А6 и А7), куда затем поступает сжатый воздух. Очищенный воздух фильтруется в одном из фильтров А8 ил А9 и далее делится на два потока: одна часть поступает на расширение в турбодетандер ТД, а другая часть (дроссельный поток) направляется в теплообменник А11, где охлаждается отбросным азотом.

Поток воздуха после расширения в турбодетандере смешивается с дроссельным потоком. Далее весь поток поступает на разделение в колонну А19. За счет предварительного разделения в этой колонне конденсируются пары азота, а с нижней тарелки в куб колонны стекает обогащенный кислородом жидкий воздух.

Пары азота конденсируются в конденсаторе А21. Образующаяся таким образом азотная флегма служит для орошения нижней А19 и верхней А22 колонн. Поток азотной флегмы, идущий в верхнюю колонну, предварительно переохлаждается в переохладителе А17. Это позволяет снизить долю пара в процессе дросселирования через вентиль ВР2.

Кубовая жидкость из нижней колонны, пройдя в переохладитель А17, дросселируется в соответствующее сечение верхней колонны. Этот поток перед поступлением в верхнюю колонну проходит переохладитель жидкого кислорода А18.

В верхней колонне потоки азотной флегмы и кубовой жидкости участвуют в окончательном разделении воздуха на азот и кислород. Газообразный азот выводится из верхней части колонны А22, нагревается последовательно в аппаратах А17, А11, А4 и выбрасывается в атмосферу. Часть его в определенные периоды используются для регенерации адсорберов блока очистки А6 и А7. Для этой цели азот подогревается в подогревателе А10.

Жидкий кислород из нижней части колонны А19 поступает в межтрубное пространство испарителя А21. За счет теплоты, подводимой от конденсирующихся паров азота, кислород кипит. Образующиеся пары возвращаются в колонну А19. Часть жидкого кислорода из испарителя А21 идет в переохладитель А18, после чего сливается в емкости.

При полном отогреве или в аварийных ситуациях, сопровождающихся остановкой блока, жидкость из конденсатора и нижней колонны сливается в испаритель А20.

Рис. 1. Схема цикла высокого давления

1-компрессор. 2 — блок очистки. 3 — турбодетандер. 4 — основной теплообменный аппарат. 5 — нижняя колонна. 6 — верхняя колонна. 7 — конденсатор — испаритель. 8 — переохладитель. 9 — переохладитель жидкого кислорода. 10 — теплообменник — ожижитель.