Расчет процесса ректификации двукратной колонны для получения газообразного кислорода

Постановка задачи.

Необходимо рассчитать процесс ректификации  двукратной колонны для получения газообразного кислорода.

В современных установках разделения воздуха узел ректификации состоит, как правило, из нескольких тарельчатых ректификационных колонн, укомплектованных дополнительными теплообменными аппаратами. В зависимости от назначения воздухоразделительной установки (для получения технического или технологического, жидкого или газообразного кислорода, жидкого или газообразного азота, с извлечением аргона или без извлечения и т. п.) узел ректификации установки имеет различную компоновку. Компоновка установки различается числом ректификационных колонн, количеством вводимых и выводимых технологических потоков, номерами тарелок питания и другими признаками.

В последнее время  все чаще применяют ректификационный метод, реализация которого стала возможной благодаря разработке ректификационных колонн с регулярной насадкой, имеющих относительное гидравлическое сопротивление (на высоту единицы переноса массы) в 5-7 раз меньше, чем аналогичные по разделительной способности колонны тарельчатого типа. Возможное применение регулярной насадки и для основных ректификационных колонн  позволяет снизить давление сжатия воздуха в компрессорах для ВРУ низкого давления с 0,65...0,67 до 0,58...0,60 МПа и уменьшить удельный расход электроэнергии на 5-7 %.

Интенсификация процессов тепломассообмена в ректификационных колоннах обеспечивается при движении жидкости в пленочном режиме, который осуществляется обычно в насадочных аппаратах. При этом следует отметить, что насадочные ректификационные колонны являются пленочными аппаратами с непрерывным процессом массообмена. Для повышения эффективности пленочных  ректификационных колонн воздухоразделительных установок целесообразно применять аппараты с регулярной насадкой. Для колонн с регулярной насадкой определяющими параметрами массообменных процессов являются  необходимое число единиц переноса (ЧЕП) и высота единиц переноса  насадки эквивалентной теоретической тарелки.

Уравнения для определения общих чисел единиц переноса (ЧЕП):

,

,

где  y_к , y_н, x_к,  x_н –концентрации соответствующих потоков;

∆y, ∆x – движущая сила;

При выражении движущей силы через концентрацию х аналогичным образом можно получить

При этом среднюю движущую силу процесса массообмена по высоте аппарата можно определить как среднюю логарифмическую:

,

где – движущая сила процесса в n-м и (n–1)-м сечениях рассматриваемого участка аппарата соответственно.

Число единиц переноса N_y представляет собой отношение изменения рабочих концентраций к величине средней движущей силы:

.

На рис. 1 показана зависимость высоты единиц переноса в паровой фазе от различных параметров ректификационной колонны с различными типами регулярной насадки.

Из анализа влияния параметров колонны на ВЕП следует, что исследованные насадки с диапазоном нагрузок по пару 0,8 < G_п < 1,2 имеют стабильные характеристики, а увеличение флегмового отношения υ от 1 до 1,3 (рис. 1) приводит к заметному снижению величины  .

Сопоставление уравнений показывает, что величина ЧЕП тем выше, чем больше значение коэффициента массообмена, поверхность контакта фаз и чем меньше расход потоков пара и жидкости. В реальных колоннах она зависит от гидродинамических условий работы аппарата , прежде всего от контактных устройств.

В криогенной технике разделение смесей чаще всего осуществляют методом низкотемпературной ректификации в сочетании с другими процессами. Среди разделяемых смесей особый интерес представляют воздух, водород, природный газ.

Бинарные и тройные смеси, состоящие из основных компонентов воздуха, в той или иной степени отклоняются от свойств идеальных газовых смесей и растворов, поэтому данные об их равновесных параметрах определяют в результате экспериментальных исследований. При обобщении опытных данных часто используют промежуточные функции γ_i, K_i [см. уравнения (4.6) и (4.7)], с помощью которых получают выражения, применяемые при расчетах на ЭВМ.

Для удобства обозначения состава бинарных и тройных смесей, состоящих из компонентов воздуха, принимаем, что индекс 1 относится к N₂, 2 – к Аг, 3 – к O₂, 4 – к Kr и 5 – к Хе.

Математическое моделирование.

 Модель ректификационной колонны.

Таблица

Исходные данные