Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

3-2-2. Непрерывная конденсация (П→Ж)

В общем виде этот процесс представлен на рис. 3-5. Точки 1, 2, 3, характеризующие соответственно исходный пар, поступающий в конденсатор, пар и жидкость, отводимые из аппарата, нанесены на диаграмме i, ξ (рис. 3-6).

Рис. 3-5

Если пар подается в конденсатор перегретым, то его состояние соответствует точке 1'.

Рис. 3-6

От конденсатора отводится тепло Q^-.

Для характеристики процесса необходимо использовать, как и при испарении, уравнения материального и энергетического балансов.

  (3-5)

  (3-6)

  (3-7)

Из первых двух уравнений (3-5) и (3-6) можно определить количество подаваемого и отводимого пара, из уравнения (3-7) тепло, отводимое из аппарата в расчете на единицу расхода получаемой жидкости,

Определение количества отводимого в конденсаторе тепла q_R^- на единицу R проводится аналогично определению q_R⁺_a при непрерывном испарении

  (3-8)

Значение можно определить графически с помощью диаграммы i, ξ (рис. 3-6). Для этого нужно соединить точки 2 и 1' и продолжить прямую до пересечения с ординатой ξ₃. Отрезок 3-в на диаграмме соответствует удельному значению количества тепла, которое надо отвести от поступающего пара для получения единицы конденсата R.

Величина отрезка 3-в складывается из отрезка 3-а, равного разности энтальпий i₁-i₃, и отрезка а-в. Из подобия заштрихованных треугольников ва1' и 1'02 следует, что

В процессе непрерывной конденсации также как и при непрерывном испарении, удобной характеристикой для анализа служит количество отводимого при конденсации тепла q_G^-, отнесенное к величине G, q_G^- =Q^- / G. Это количество определяется аналитически из балансовых уравнений или графически отрезком 1'-4 на ординате y в i, ξ диаграмме (рис. 3-6). Результаты процесса зависят от величины q_G^- и от относительного направления движения фаз (противоток или прямоток).

Рассмотрим влияние величины q_G^- на процесс непрерывной конденсации (рис. 3-7).

Рис. 3-7

При малых q_G^- пар конденсируется в небольшом количестве и отводится из конденсатора почти без изменения состава. В пределе q_G^- → 0 величина y₂ → y₁.

Количество жидкости, полученной при этих условиях, стремится к нулю, ее состав близок к равновесному относительно поступающего пара и имеет минимально возможную в процессе концентрацию x₃=x_a. Температуры пара и жидкости будут приближаться к T₁, T₂ → T₁ и T₃ → T₁.

При больших q_G^- → q_G^- _макс практически весь пар сконденсируется, и концентрация полученной жидкости (точка б) в пределе будет равна концентрации исходной смеси x₃ → x_б = y_i. Количество пара, которое отводится в таком режиме, стремиться к нулю, его состав (точка d) близок к равновесному с полученной жидкостью и температура практически равна температуре жидкости T_d → T_б.

Температура обоих получаемых продуктов ниже температуры исходной смеси T_d ~ T_б < T₁.

При непрерывной конденсации в условиях предельных значений q_G^- также как и в случае непрерывного испарения, процесс или превращается в полную конденсацию при q_G^- = q_{G макс} или практически не проводится при q_G^- → 0.

Для более полной характеристики процесса непрерывной конденсации необходимо проанализировать влияние относительного направления движения пара и жидкости в этом процессе на его результаты.

При противотоке (рис. 3-8а) жидкость на выходе из аппарата будет находится в контакте с исходным паром. Между паром G и жидкостью R в идеальных условиях устанавливается равновесие и T_3a → T₁. Состав другого продукта (пара D) и положение точки 2а определяются величиной q_G^- . С увеличением q_G^- растет концентрация пара D, а его количество уменьшается; интервал концентраций продуктов Δξ_2a-3a увеличивается до Δξ_a. Температура пара D всегда меньше температуры исходного пара G: T_2a < ₁ .

Рис. 3-8

При предельном значении q_G^- q_{G, пред,а}^- пар имеет концентрацию, равную единице, т.е. в процессе отводится чистый легкокипящий компонент ( y_2a → 1).

Таким образом, интервал возможных концентраций продуктов разделения ограничен величинами y_2a → 1 (при q_{G, пред,а}^- ) и x_3a, равновесной исходному пару. На рис. 3-8 он обозначен величиной Δξ_a и показан штриховкой.

При прямотоке (рис. 3-8б) жидкость R на выходе из аппарата контактирует с выходящим паром D и T_3б → T_2б (изотерма Tб). Величина интервала возможных концентраций продуктов при этих условиях меньше, чем при противотоке, и определяется Δξ между равновесными концентрациями получаемых пара и жидкости; например, при предельном значении интервал концентраций составляет величину Δξ_б (рис. 3-8).

Рассмотрение процессов непрерывной конденсации позволяет сделать следующие выводы.

1. Полное разделение смеси с получением чистых компонентов путем непрерывной конденсации невозможно.

2. В противоточном варианте конденсации возможно получение чистого легкокипящего компонента; однако коэффициент его извлечения всегда меньше единицы, так как часть его неизменно теряется с жидкостью. В прямоточном варианте оба продукта могут быть получены только в виде фракций, обогащенных одним или другим компонентом.

3. Температуры T₂ и T₃ продуктов разделения всегда ниже, чем исходной смеси T₁. Поэтому, чтобы потери были минимальными, охлаждающее рабочее тело в процессе теплопередачи должно изменять свою температуру в интервале от T₁ - ΔT до T₂ - ΔT.

Процессы непрерывного испарения и конденсации находят относительно небольшое применение в низкотемпературной технике. Главная причина этого связана не только с невозможностью получить одновременно оба чистые компонента [В принципе это можно осуществить, используя одновременно и конденсацию, и испарение в противоточных вариантах. Тогда в первом процессе можно получить чистый легкокипящий продукт, а во втором – тяжелокипящий. Схема такого комбинированного процесса аналогична схеме комбинирования отгонной и концентрационной частей колонны, которая будет рассмотрена ниже], сколько с трудностями осуществления одновременно внутреннего контактного тепломассообмена между паром и жидкостью и внешнего теплообмена через стенку, обеспечивающего нагревание жидкости или охлаждение пара при переменных температурах.

Для этого необходимы аппараты, имеющие развитую внутреннюю поверхность для теплообмена с внешним нагревающим или охлаждающим веществом. Многочисленные работы, ведущиеся в этом направлении, не дали пока возможности создать аппараты подобного типа с удовлетворительными технико-экономическими показателями.

Процессы непрерывного испарения и конденсации могут эффективно использоваться в том случае, когда разности концентраций пара и жидкости в смеси настолько велики, что существенное отличие концентраций продуктов и смеси может быть достигнуто в простых аппаратах при относительно малых поверхностях контакта.[При большой разнице в концентрациях пара и жидкости испарение очень малой доли жидкости позволяет выделить большую часть концентрированного легкокипящего компонента; напротив, конденсация малой доли пара позволяет получить тяжелокипящий компонент высокой концентрации.]

Тогда описанные выше трудности не играют существенной роли. Примерами таких смесей могут служить H₂O-NH₃ (в холодильной технике), углеводороды группы C₂ и C₃-N₂, N₂-H₂, N₂-He, CH₄-H₂, CH₄-He и др. [11].

Из описанных выше процессов наиболее часто в криогенной технике используются два: прямоточная конденсация и непрямоточная конденсация (дефлегмация).

Схема первого процесса показана на рис. 3-9. Смесь, состоящая из компонентов с существенно различающимися нормальными температурами кипения (а следовательно, и концентрациями паровой и жидкой фаз [Смесь может состоять и из двух групп компонентов, например, углеводородов (высокие нормальные температуры кипения) и гелия и водорода (низкие нормальные температуры кипения)]), охлаждается от T₁ до T₂ и частично конденсируется под высоким давлением в теплообменнике 1 холодным потоком, нагревающимся при этом от T₉ < T₂ до T₁₀ < T₁. Жидкость, отделившаяся в сепараторе Ш (точка 5) и состоящая в основном из высококипящего компонента, выводится из системы. Паровая фаза подвергается дальнейшему охлаждению в теплообменнике G. При более низкой температуре в сепараторе IV отделяется еще некоторое количество высококипящего компонента. Пар в состоянии, соответствующем точке 7, поступает на дальнейшую очистку или разделение. Если жидкость, отделенная в сепараторе, содержит существенное количество ценного низкокипящего продукта, его выделяют при давлении, меньшем, чем P_m, и возвращают в исходную смесь.

Рис. 3-9

Непрямоточная конденсация широко распространена в тепловой и холодильной технике для очистки от воды легкокипящих веществ, например этилового спирта и аммиака, и получила самостоятельное название дефлегмация.

В криогенной технике дефлегмация впервые была применена Ж. Клодом для отделения кислорода от азота [1].

Аппарат, разработанный Ж. Клодом, так называемый «трубчатка Клода», - классический пример аппарата для непрерывной противоточной конденсации (дефлегмации). В нем выполняются все условия, необходимые для проведения этого процесса, вплоть до отвода тепла при переменной температуре.

Однако область применения трубчатки Клода ограничена уже упоминавшийся трудностью: нужно создать развитую поверхность тепломассообмена между паром и жидкостью, которая одновременно находится в тепловом контакте со стенкой трубки. При этом необходимо предотвратить унос жидкости вверх потоком пара.

По этим причинам аппараты типа трубчатки Клода оказываются достаточно эффективными только для смесей с большой разностью концентраций равновесных пара и жидкости.

Следующая страница: 3.3. Ректификация бинарной смеси