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

2-2. Процесс выделения компонента из смеси

Процесс обратимого разделения смеси, описанный выше, включает обработку (изо-термическое сжатие от парциального до исходного давления (смеси) всех ее компонентов. В принципе возможно в случае необходимости проводить такой процесс применительно к любому одному компоненту смеси, не затрагивая остальных. В этом случае модель, показанная на рис. 2-1, упрощается, т.к. необходима только одна полупроницаемая перегородка для извлечения нужного компонента i (рис. 2-5 а).

Рис. 2-5

В компрессоре K_i компонент i изотермически сжимается до исходного давления Р_см . Затрата работы на выделение компонента i равна:

  (2-8)

Такой процесс выделения может быть проведен обратимо и стационарно только при соблюдении одного условия: парциальное давление P_i компонента i в исходной смеси при его отборе не должно уменьшаться, т.е. состав и давление этой смеси должен оставаться неизменным. В противном случае будет уменьшаться и давление после полупроницаемой перегородки, L_i будет расти и процесс превратится в нестационарный.

Условие P_i=idem может быть выдержано только в том случае, если количество исходной смеси настолько велико, что выделение любого технически реализуемого количества компонента i не изменит ее состава. Этому требованию соответствует, например, атмосферный воздух.

В остальных случаях выделение компонента в стационарных условиях может проходить только необратимо.

Например, в схеме, показанной на рис. 2-5 б, парциальное давление P_i компонента на входе в камеру V должно быть выше, чем давление Р_i' после полупроницаемой перегородки, поскольку и процессе отбора компонента Р_i постепенно снижается до Р_i' и концентрация смеси по выделяемому компоненту при том же давлении Р_см в камере уменьшается. Изменение парциального давления компонента по длине камеры V условно показано на рис. 2-5 б заштрихованнoй эпюрой, где горизонтальные линии характеризуют парциальное давление в общем давлении смеси (или концентрация компонента i) в каждом сечении камеры.

Таким образом, в этом случае для проведения процесса выделения i-того компонента необходимо обеспечить некоторую разность парциальных давлений ΔР_i = Р_i-Р_i' на входе в камеру. Величина ΔР_i по мере прохождения смеси в камере снижается до значений, близких к нулю. (При обратимом выделении компонента разность давлений на перегородке всегда равна бесконечно малой величине).

Если, например, в камеру поступает природный газ с давлением P_см=16 атм и содержанием i-того компонента – гелия 1% (т.е. Р_i= 0.16 атм), то при выделении 50% Не на выходе из камеры парциальное давление гелия в смеси составит величину P_i=0,08 атм. Такое же давление в пределе может быть установлено и после перегородки, перед компрессором. Процесс выделения гелия будет проходить при переменной разности парциальных давлений ΔР_i значение которой меняется в пределах от 0,08 атм до величины, близкой к нулю.

Следующая страница: 2.3. Диаграмма эксергия-концентрация бинарной смеси