Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей
Глава третья. ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ
3-1. Общая характеристика и классификация низкотемпературных процессов разделения, проводимых конденсационно-
испарительным (К-И) методом
Конденсационно-испарительний (К-И) метод разделения основан на разнице концентраций равновесных пара и жидкости и неизбежно связан с конденсацией пара (переход П→Ж), либо с испарением жидкости (переход Ж→П), либо с обоими процессами одновременно (П↔Ж).
Классификация процессов разделения смесей может бить проведена в зависимости от условий, при которых проводятся эти фазовые переходы.
Прежде всего следует различать периодические и непрерывные процессы разделения.
При периодическом процессе исходная смесь в виде пара, жидкости или двухфазного потока подается на разделение отдельными порциями. После обработки поступившей порции и отвода полученных продуктов аппарат вновь заполняется ис-ходной смесью. Такие процессы характеризуются нестационарными параметрами потоков по времени и пригодны только при малых масштабах производства, когда технико-экономические показатели не играют существенной роли.
В современной технике низкотемпературного разделения они находят ограниченное применение, поэтому в дальнейшем не рассматриваются.
Теория и методика расчета периодических процессов подробно освещена в литературе [6, 7].
Непрерывные процессы, характеризующиеся стационарными потоками во всех элементах системы, существенно более экономичны и легче автоматизируются.
Непрерывные процессы разделения могут проводиться тремя методами, различающимися характером фазовых переходов, обеспечивающих эффект разделения.
I. Непрерывное испарение (Ж→П)
Этот процесс характеризуется непрерывным подводом тепла к потоку испаряющейся жидкой смеси. В зависимости от направления относительного движения жидкости и образующегося пара различают два варианта непрерывного испарения: прямоточное и противоточное.
II. Непрерывная конденсация (П→Ж)
Этот процесс характеризуется непрерывным отводом тепла от потока конденсирующегося пара смеси.
Конденсация также бывает прямоточной и противоточной.
Поскольку по ходу процесса температура меняется, подвод и отвод тепла в обоих процессах происходит при переменной температуре. Оба процесса характеризуются также тем, что в систему подается один поток (жидкость - в первом и пар – во втором), а выходят два потока - пар и жидкость.
III. Ректификация (П↔Ж)
Этот процесс характеризуется одновременным протеканием испарения и конденсации в потоках жидкости и пара, движущихся противотоком в условиях взаимного тепломассообмена.
Потоки пара и жидкости, взаимодействующие в процессе ректификации, образуются в специальных теплообменниках: конденсаторе и испарителе или в других элементах системы. Сверху в ректификационный аппарат поступает жидкость, которая образуется при отводе тепла Qк от части пара, полученного при ректификации. Другая часть пара выводится из аппарата в качестве продукта разделения. В некоторых случаях конденсируется весь пар, и продукт выводится в виде жидкости.
Снизу в ректификационный аппарат поступает пар, который получается при подводе тепла Qи к жидкости, сливающейся из этого аппарата.
Часть сливающейся жидкости или полученного пара отводится в виде второго продукта процесса разделения.
Исходная смесь подается в ректификационный аппарат в виде пара или жидкости в такое сечение, где ее концентрация наиболее близка по величине к концентрации движущихся потоков.
Таким образом, в процессе ректификации в аппарат с противоположных концов поступает два потока: пар П и жидкость Ж – и выходят также два потока продуктов разделения.
Процессы ректификации существенно различаются в зависимости от соотношения количеств пара и жидкости, движущихся противотоком по аппарату. Если Ж<П, то в процессе ректификации может быть получен легкокипящий компонент, и аппарат называется концентрационным.
В случае Ж>П в процессе разделения отводится тяжелокипящий компонент, и ректификационный аппарат называется отгонным. [Эти термины связаны с историей ректификации, зародившейся как процесс разделения смеси этиловый спирт С2Н5ОН – вода. При Ж>П из аппарата получали концентрированный легкокипящий компонент (спирт). При Ж<П легкокипящий компонент "отгонялся" от тяжелокипящего – воды, которая выводилась из аппарата в чистом виде. Того же происхождения термин "укрепляющий" вместо "концентрационный" и "исчерпывающий" вместо "отгонный".]
Процесс ректификации (как при Ж<П, так и при Ж>П) ведется в адиабатных условиях; как правило, современные ректификационные аппараты работают именно в таких условиях; поэтому слово "адиабатная" часто опускается.
Термодинамически целесообразно с целью приближения процесса разделения к обратимому проводить ректификацию в неадиабатных условиях (с подводам тепла при Ж>П и отводом при Ж<П). Однако неадиабатная ректификация технически более сложна, чем адиабатная, и поэтому пока не нашла широкого применения в технике.
Различные сочетания процессов трех перечисленных классов и их вариантов образуют все множество современных систем разделения.
Низкотемпературные (при Т<Тос) испарение, конденсация и ректификация существенно отличаются от аналогичных процессов, проводимых приТ>Тос.
Различие связано с двумя факторами.
1. Отвод тепла от смеси или ее фракций (в частном случае компонентов) может проводиться только посредством специальной рефрижераторной системы с затратой соответствующей эксергии.
При Т>Tос отвод тепла не требует затрат эксергии.
2. Подвод тепла к смеси или фракции также протекает при Тос.
Поэтому он не может проводиться непосредственно из окружающей среды, а должен быть увязан с процессом криостатирования или охлаждения, осуществляемым рефрижератором.
Требования, определяемые этими различиями, обусловили особенности схем установок низкотемпературного разделения смесей, которые будут рассмотрены в последующих главах.
Как правило, для анализа и расчета процессов разделения используются диаграммы бинарной смеси:
1) диаграмма Т , ξ (температура-концентрация) [6, 7];
2) диаграмма i , ξ (энтальпия-концентрация) [6, 7];
3) диаграмма х -у (концентрация в жидкости - концентрация в паре) [6, 7, 8, 9];
4) номограмма Т-р-i-х-y для воздуха (температура-давление-энтальпия-концентрация в жидкости, то же в паре) (номограмма Герша-Цехансхого) [8, 9].
Широкое использование этих диаграмм возможно потому, что все описываемые процессы разделения проходят практически в изобарных условиях (P=idem).
Следующая страница: 3.2. Непрерывное испарение бинарной смеси
| 