Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации

Процессы низкотемпературного охлаждения широко используются в технике разделения газовых смесей, а также для очистки газов. Кислород, азот, неон, аргон, криптон и ксенон получаются низкотемпературной ректификацией жидкого воздуха.

Большинство разделяемых газовых смесей содержит значительное количество компонентов. Воздух, как известно, представляет сложную смесь состава, указанного в табл. 1.

Таблица 1

Основными компонентами, входящими в состав воздуха, являются азот и кислород. Поэтому для упрощения расчетов иногда рассматривают воздух как бинарную смесь, состоящую из 79,1 объемных % азота и 20,9 объемных % кислорода (в установках для получения кислорода с содержанием менее 96 %).

Неон, гелий, криптон и ксенон не влияют на процесс ректификации в связи с очень малым содержанием их в воздухе и со значительным отличием их температур кипения от температуры кипения основных компонентов – азота и кислорода. Количество этих редких газов учитывается лишь в том случае, когда их извлекают из воздуха. Аргон же, несмотря на его небольшое содержание, значительно влияет на процесс ректификации воздуха. Объясняется это тем, что точка кипения аргона (87,29 ºК) лежит между точками кипения азота (77,36 ºК) и кислорода (90,19 ºК). Поэтому при расчетах процесса ректификации с получением чистого кислорода воздух следует рассматривать как тройную смесь, состоящую из 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и 78,12 % азота.

Процесс парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и внутри её, называется кипением.

Кипение жидкости наступает в том случае, когда температура всей жидкости одинаково, а давление насыщенного пара этой жидкости равно внешнему давлению на ее поверхности.

Температура, при которой давление насыщающего пара жидкости равно внешнему давлению на её поверхности, называется температурой кипения жидкости. Температура кипения однородной жидкости постоянна и зависит только от давления.

Температура кипения смеси при определенном значении давления зависит от концентрации, чем больше вещества с низкой температурой в смеси, тем ниже температура ее кипения.

Вся энергия, получаемая жидкостью от нагревателя в процессе кипения, затрачивается на превращение жидкой фазы вещества в газообразную (Т=const). Количество тепла, которое необходимо подвести для испарения 1 кг жидкости, называется скрытой теплотой парообразования.

Процесс превращения газа (пара) в жидкое состояние называется конденсацией. Конденсация газа (пара) наступает в результате его охлаждения до температур ниже критических. Температура конденсации чистых газов постоянна и зависит только от давления.

Температура конденсации смеси при определенном давлении зависит от состава газа, чем больше в смеси веществ с низкой температурой, тем ниже температура конденсации.

При кипении жидкого воздуха без отвода пара в первую очередь из него будет испаряться азот, имеющий более низкую температуру кипения. Вместе с азотом будут испаряться и кислород, но в меньшей степени. Процесс испарения будет протекать до тех пор, пока не наступит при данном давлении и температуре равновесное состояние между паром и жидкостью.

Скрытая теплота испарения (парообразования) обозначается символом r и равна для кислорода 50,9 ккал/кг или 213,2 кДж/кг, для азота – 47,6 ккал/кг или 199,2 кДж/кг, для воздуха – 49,0 ккал/кг или 205,4 кДж/кг.

Конденсация воздуха при нормальном атмосферном давлении начинается при температуре –191,8ºС (81,2 К) и заканчивается при температуре –193,7ºС (79,3 К), так как воздух представляет собой, в основном, смесь азота и кислорода, температуры сжижения которых различны. Вначале сжижается воздух по компонентам, т.е. первым сжижается кислород, а затем азот. Кислород сжижается в больших количествах, чем азот, поскольку температура его сжижения более высокая. Поэтому температура сжижения воздуха вначале процесса будет выше. К концу сжижения происходит конденсация, в основном, азота, который имеет более низкую температуру сжижения, а поэтому температура сжижения воздуха тоже понижается.

Кривая зависимости температуры начала сжижения воздуха от давления представлена на рис. 1.

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8

Рис. 1. Зависимость температуры начала сжижения воздуха от давления

При критическом давлении и критической температуре теплота конденсации равна нулю. Критические параметры для кислорода, азота и воздуха даны в табл. 2.

Таблица 2

Если жидкость состоит только из одного вещества, то и пары над нею будут содержать только это вещество, например, пары воды над водой, пары спирта над спиртом, кислород над чистым жидким кислородом и т.п.

Явление усложняется, когда жидкость состоит из двух и более веществ с разными температурами кипения, способных растворяться одно в другом. В этом случае в паре содержатся те же вещества, что и в жидкости, однако состав его отличается от состава жидкости. Например, в смеси воды и спирта последний более летуч и кипит при более низкой температуре, чем вода. Поэтому при нагревании смеси спирт быстрее испаряется, и в паре над жидкостью будет содержаться спирта больше, чем в жидкости.

При заданных давлениях и температуре и установившемся тепловом равновесии между жидкостью и паром состав пара над жидкостью является совершенно определенным и зависит только от состава жидкости. В этом случае говорят, что пар и жидкость находятся в равновесном состоянии. Нарушение этого равновесия вызывают соответствующие изменения состава жидкой и паровой фаз.

Аналогичные явления происходят при разделении воздуха на кислород и азот. В процессе нагревания без отвода паров жидкого воздуха из него в первую очередь испаряется азот, который имеет более низкую температуру кипения и поэтому составляет более летучую часть жидкого воздуха. Наряду с азотом, но в меньшей степени, из жидкого воздуха будет испаряться больше кислорода, чем в паре, а в паре больше азота, чем в жидкости. Другими словами, азот, как более летучая часть жидкости, переходит в пар в большем количестве, чем кислород, который остается преимущественно в жидкости. Такой переход азота в пар и кислорода в жидкость происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние между жидкостью и паром, соответствующее их температуре и давлению.