Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации

Для полного разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот применяется процесс ректификации, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами.

Ректификацией называется процесс многократного соприкосновения неравновесных пара и жидкости, сопровождающийся обогащением жидкости кислородом, а пара – азотом.

Испарение и конденсация – процессы обратимые. При испарении 1 кг жидкости затрачивается теплота испарения. При конденсации 1 кг полученного пара, в условиях отсутствия потерь теплоты в окружающую среду, выделяется такая же по величине скрытая теплота конденсации.

Проходя через слой жидкой смеси азота и кислорода, последний конденсируется, так как является менее летучим компонентом, чем азот. При этом из жидкости испаряется количество азота, приблизительно равное количеству сконденсировавшегося кислорода.

На явлении конденсации кислорода в азотно-кислородной жидкости с одновременным испарением из нее азота и основан процесс ректификации.

Сущность процесса ректификации состоит в многократном последовательном пропускании парообразной смеси кислорода и азота (образующейся при испарении жидкого воздуха) через отдельные слои жидкости с меньшим содержанием кислорода.

Поскольку жидкость содержит меньше кислорода и больше азота, она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар. Это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости и одновременно испарение из жидкости азота, т.е. обогащение им паров над жидкостью. При каждом контакте жидкости с паром жидкость обогащается кислородом, а пар – азотом до равновесного состояния.

Рассматриваемый процесс происходит при непосредственном соприкосновении пара с жидкостью и повторяется много раз до тех пор, пока не получатся пар, состоящий почти из одного азота, и жидкость, представляющая собой почти чистый жидкий кислород. Такой процесс называется массообменом.

Рассмотрим упрощенную схему многократного испарения и конденсации жидкого воздуха (рис. 1), воспользовавшись графиком на рис. 2 прошлого занятия. Для этого принимаем, что воздух представляет собой бинарную смесь, т.е. состоит только из кислорода и азота. Пусть имеется несколько сосудов (I–V) и в верхнем из них находится жидкий воздух, содержащий 21 % кислорода.

Предположим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30 %, в сосуде III – 40 %, в сосуде IV – 50 % и в сосуде V – 60 % кислорода. Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 0,1 МПа. В этом случае, как легко определить по графику, над жидкостью в сосуде V, содержащей 60 % кислорода и 40 % азота, может находиться равновесный по составу пар, в котором 73,5 % азота или 26,5 % кислорода, имеющий

6,3 % О2

9 % О2 I

II

21% О2

III

30 % О2

26,5 % О2 IV

40 % О2

V

50 % О2

Пар

Рис. 1. Упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха

температуру, равную температуре жидкости в сосуде. Подводим этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50 % кислорода и 50 % азота и поэтому является более холодной. Пар над этой жидкостью может состоять лишь из 81 % азота и 19 % кислорода, и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде. Следовательно, проводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5 % кислорода, имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею – азотом.

Из сосуда IV пар, в котором 19 % кислорода, отводится в сосуд III, где жидкость содержит 60 % азота и 40 % кислорода и имеет более низкую температуру; пар над нею должен состоять из 86 % азота и 14 % кислорода. Следовательно, пар из сосуда IV будет конденсироваться в жидкости сосуда III, оставляя в ней часть своего кислорода и испаряя из жидкости азот.

Те же рассуждения можно привести для последующих сосудов. При сливе из верхних сосудов в нижние жидкость постепенно обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.

Продолжая процесс вверх, можно получить в конце пар, состоящий почти из чистого азота, а спускаясь вниз, – чистый жидкий кислород.

В действительности этот процесс происходит много сложнее, чем он здесь описан. Тем не менее приведенная схема дает представление о сущности процесса ректификации и способе его осуществления.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах, представляющих собой вертикальную цилиндрическую колонну с расположенными внутри горизонтальными перегородками (тарелками) специального устройства. Жидкая смесь азота и кислорода стекает вниз по тарелкам (или насадке из медных или томпаковых трубочек размером 6×6 или 8×8 с толщиной стенки 0,1– 0,15 мм), а навстречу ей поднимается смесь паров азота и кислорода. Соприкасаясь на тарелках или насадке с жидкостью, пары отдают кислород, а сами обогащаются азотом, испаряемым из жидкости конденсирующимся в ней кислородом. В результате этого на верху колонны получают почти чистый газообразный азот, а внизу – жидкость, состоящую почти из чистого кислорода.

Ректификационная тарелка. Обычно тарелки подразделяют на ситчатые (рис. 2) и колпачковые (рис. 3).

Рис. 2. Схема устройства ситчатой ректификационной тарелки:

1 – тарелка; 2 – переливной стакан

Ситчатая тарелка изготовляется из листовой латуни, аммония или нержавеющей стали толщиной 0,8–1 мм, в которой в шахматном порядке на расстоянии 3,25 мм друг от друга пробиты отверстия диаметром 0,9–1,2 мм. На 1 м2 размещается 110 тысяч таких отверстий. Поднимающийся пар легко проходит через отверстия и находящийся на тарелках слой жидкости, вспенивая его. Жидкость под действием подпора пара не протекает через отверстия. Переливание жидкости с одной тарелки на другую происходит только через сливные стаканы 2. На тарелках имеются перегородки, высота которых определяет условную высоту слоя жидкости на тарелках.

3

Рис. 3. Схема устройства колпачковой ректификационной тарелки:

1 – тарелка; 2 – переливной стакан; 3 – колпачки.

В колпачковых тарелках имеются отверстия, накрытые колпачками 3. Пар через эти отверстия поступает под колпачки, выходит через прорези в нижней части колпачков и проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. Мелкие отверстия в сетках и колпачки разделяют поток пара на небольшие струйки для получения максимальной поверхности контакта между паром и жидкостью.

В верхней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больше азота и, наоборот, в нижней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больше кислорода, но меньше азота. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется процесс непрерывного разделения жидкого воздуха на азот, отводимый из верхней части колонны, и кислород, собирающийся в нижней её части.

Взаимодействие между паром и жидкостью на тарелке протекает следующим образом. Когда пузырек пара поднимается в жидкости, часть содержащегося в нем кислорода конденсируется и остается в жидкости; взамен этого из жидкости испаряется азот и уносится с паром к следующей тарелке. На каждой тарелке поступающая жидкость обогащается кислородом и отдает азот. Состояние равновесия между паром и жидкостью вначале достигается только на поверхности пузырька, а внутри его состав пара почти не изменяется. Лишь постепенно, по мере перемещения пузырька, дальнейшего дробления его и развития поверхности контакта между паром и жидкостью, средний состав пара над тарелкой будет приближаться к составу, равновесному с составом жидкости на тарелке. Поэтому в действительном процессе пар над жидкостью, вследствие неполного тепло- и массообмена между ними, содержит больше кислорода и меньше азота, чем это должно быть по теоретической кривой равновесия для жидкости данного состава.

Отношение действительного увеличения содержания более летучего компонента в паре (азота) при прохождении его через тарелку к теоретическому, определяемому по равновесному состоянию, называется коэффициентом обогащения (коэффициентом эффективности разделительного действия тарелки).

Например, до входа на тарелку пар содержал 50 % азота. По кривой равновесия для абсолютного давления 0,1 МПа содержание азота в паре над жидкостью такого состава должно быть около 81 %. В действительности же вследствие несовершенства массообмена на тарелке пары содержат только 60 % азота. Тогда коэффициент обогащения составит:

или 32 %.

Если состав пара над жидкостью, находящейся на тарелке, соответствует равновесному, то коэффициент обогащения ηТ = 1, и такая тарелка называется «теоретической». Число фактических тарелок всегда больше, чем теоретических.

Отношение числа теоретических тарелок (ηТ) к числу фактических тарелок (ηК) в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелки (ηТср), т.е. .

Коэффициент ηТср зависит от конструкции тарелки и условий ее работы. Чем меньше этот коэффициент, тем больше число фактических тарелок должна иметь колонна для получения продуктов заданных концентраций.

При расчете ректификации воздуха как бинарной смеси, принимаются следующие значения кпд тарелок:

для нижней колонны……………………………………………..….0,3–0,5

для верхней колонны

выше места ввода кубовой жидкости…………………………0,3–0,5

ниже места ввода кубовой жидкости………………………….0,2–0,3

На кпд тарелки влияют два основных фактора: унос капель жидкости поднимающимися парами и характер движения жидкости на тарелке.

Унос жидкости зависит от скорости движения паров в колонне. Для воздухоразделительных аппаратов обычно принимаются следующие скорости паров, отнесенные к нормальным физическим условиям и номинальному внутреннему диаметру обечайки колонны (м/сек):

для нижней колонны……………………………………………….0,1–0,25

для верхней колонны

выше места ввода кубовой жидкости…………………………0,3–0,8

ниже места ввода кубовой жидкости……………………..….0,25–0,5

Проходя через слой жидкости на тарелке, пары уносят капельки жидкости на лежащую выше тарелку и тем ухудшают разделение смеси, так как увеличивают содержание кислорода на верхней тарелке, понижая кпд последней. Чем выше скорость паров, тем больше унос жидкости и тем меньше кпд тарелок. Влияние уноса можно снизить, увеличив расстояние между тарелками, но при этом возрастает высота колонны. Унос тем больше, чем выше уровень жидкости на тарелке. Расстояние между тарелками обычно равно 50–100 мм. Для уменьшения уноса жидкости над тарелками ставят отбойные устройства или увеличивают диаметр отверстий в ситчатых тарелках (до 1,3 мм).

Характер движения жидкости на тарелке влияет на равномерность распределения жидкости и пара по поверхности тарелки. Если движение жидкости на тарелке упорядочено и происходит в одном направлении, то коэффициент обогащения будет наибольший.