Процесс, в котором в качестве рабочей среды детандера используется азот, называется расширением азота. Расширение азота делится на две категории: расширение чистого азота и расширение отработанного азота.
Процесс расширения чистого азота показан на рисунке 12. Чистый азот извлекается из верхней части нижней колонны и верхней части азотной стороны главного конденсатора. Часть его повторно нагревается через регенеративный канал реверсивного теплообменника, затем объединяется и подается в турбодетандер. После расширения азот отводится в виде азота продукта через пластинчатый-ребристый теплообменник.
Процесс расширения отработанного азота показан на рисунке 13. Отработанный азот, содержащий примерно 1% кислорода, извлекается из середины нижней колонны. Часть его повторно нагревается через регенеративный канал реверсивного теплообменника, затем объединяется и подается в турбодетандер. После расширения отработанный азот повторно нагревается через переохладитель-ожижитель и реверсивный теплообменник для восстановления энергии холода, а затем выбрасывается в атмосферу после поглощения тепла испарения охлаждающей воды в испарительной градирне.
Поскольку азот извлекается из нижней колонны, снижается конденсация жидкого азота в основном конденсаторе. Следовательно, количество флегмового жидкого азота, подаваемого в верхнюю колонну, уменьшается, позволяя флегмовому числу ректификационной колонны достичь более разумного значения. Это полностью использует дистилляционный потенциал верхней колонны и повышает скорость извлечения кислорода.
Преимущества и недостатки расширения азота заключаются в следующем:
Газ после расширения азота не поступает в верхнюю колонну; следовательно, он не влияет непосредственно на условия перегонки верхней колонны. Его перегрев после расширения может быть выше, чем при расширении воздуха, а давление после расширения также может быть несколько ниже, чем при расширении воздуха. Таким образом, холодопроизводительность агрегата больше мощности расширения воздуха. При определенных потерях холода оборудования требуемая степень расширения может быть уменьшена.
Поскольку расширенный газ не попадает в верхнюю колонну и тепловая нагрузка основного конденсатора снижается, количество восходящего газа в верхней колонне меньше, чем при расширении воздуха. Следовательно, диаметр колонны может быть уменьшен, а конструкция может быть упрощена.
Увеличение количества расширения азота оказывает определенное влияние на разность температур основного конденсатора, что приведет к увеличению содержания кислорода в отходящем азоте и снижению скорости извлечения кислорода. Однако его прямое влияние на чистоту кислорода незначительно, а на сырой аргон еще меньше. Расширение азота уже применяется в крупных-установках разделения воздуха за рубежом.
Рабочая среда расширения азота чище, чем расширения воздуха; следовательно, расширитель может работать в более безопасных условиях. Это связано с тем, что рабочее тело расширения азота извлекается из верхней части нижней колонны и не может переносить твердый углекислый газ или другие примеси. Напротив, рабочая среда расширения воздуха извлекается из-под первой тарелки с барботажной крышкой, и углекислый газ из воздуха может переноситься в детандер, вызывая износ детандера. При этом при расширении азота давление после расширения составляет 0,12 МПа, и капли жидкости не появятся до тех пор, пока температура не достигнет 78,7 К; поэтому жидкость в детандере не образуется легко.
Поскольку минимальное флегмовое число нижней колонны больше, чем у ректификационной секции верхней колонны-т. е. флегма в нижней колонне менее избыточна, чем в верхней колонне-, количество газообразного азота, которое можно извлечь из нижней колонны, меньше, чем количество воздуха, которое можно подать в верхнюю колонну. Обычно степень расширения азота не превышает 16% от количества обрабатываемого воздуха, а степень расширения воздуха не превышает 25% от количества обрабатываемого воздуха.
