3 Процесс конденсации. Материальный баланс процесса однократной и фракционарованной конденсации

При частичной конденсации газовой смеси происходит её разделение: в конденсат в большей степени переходят высококипящие компоненты. Содержание их в конденсате выше, чем в исходной смеси. Несконденсированная часть смеси соответственно обогащается низкокипящими компонентами.

Рассматривают два предельных случая процесса конденсации:

Процесс однократной (интегральной) конденсации, который осуществляется без отвода образующегося конденсата. Конденсат при этом находится все время в соприкосновении с газом и в состоянии равновесия с ним.

Процесс фракционированной (дифференциальной) конденсации, который осуществляется при непрерывном отводе конденсата из газового потока.

Составим материальный баланс процесса однократной конденсации.

Предположим, что из 100 молей смеси газа в жидкое состояние переходит L молей и в газовой фазе остается V молей, т.е. L+V=100 (1)

Обозначим через a₁,a₂,…a_n – число молей компонентов (CH₄, C₂ H₆,…, C_nH_2n+2) в 100 молях исходной смеси;

x₁, x₂…, x_n– мольные концентрации компонентов в жидкой фазе;

y₁, y₂…, y_n- мольные концентрации компонентов в газовой фазе;

k₁, k₂…, k_n– равновесные отношения.

Для каждого компонента справедливы формулы у₁=k₁х₁ (2)

И Lx₁+Vy₁ =a₁ (3)

Решая совместно уравнения (1), (2), (3), получим (4)

и (5)

Для второго компонента будем соответственно иметь (6)

и и т.д. (7)

Уравнение материального баланса для смеси можно представить в виде:(8)

(9)

Величины х₁, х₂ …, определяют по уравнениям (4) и (6), подбирая значение L так, чтобы удовлетворялось уравнение (8).

Рассмотрим методику составления материального баланса процесса фракционированной конденсации.

Обозначим через V₀ – начальное количество газа, через V_к – количество несконденсированного газа в конце процесса; через V – количество несконденсированного газа в данный момент процесса конденсации.

При конденсации бесконечно малого количества газа dV в конденсат перейдет d(V ·y) данного компонента; тогда концентрацию компонента в конденсате можно выразить следующим уравнением: (10)

После преобразований, разделив переменные, получим (11)

После интегрирования, меняя пределы интегрирования в правой части, получаем (12)

где уо и ук – концентрации данного компонента в газе в начале и конце процесса. Обозначив степень конденсации газа через (13)

получим (14)

При конденсации бинарной смеси по этому уравнению можно определить состав несконденсировавшегося остатка (у_к) при заданной степени конденсации ξ. Решение правой части уравнения обычно осуществляется методом графического интегрирования функции построенной по равновесным данным.

По сравнению с однократной конденсацией при фракционированной конденсации при одной и той же общей степени конденсации в конденсат переходит большее количество высококипящих компонентов и соответственно газ в большей степени обогащается легкокипящими компонентами.

Процессы конденсации газовых смесей, связанные с отводом больших количеств тепла хладоагентами осуществляются в теплообменных аппаратах-конденсаторах. Различают прямоточную конденсацию, при которой образующийся конденсат и газ движутся в одном направлении и противоточную конденсацию, при которой образующийся конденсат течёт навстречу поднимающемуся газу.

В противоточных конденсаторах существует предел повышения весовой скорости смеси на входе в конденсатор. При определенной скорости наступает явление захлебывания. Поэтому в прямоточных конденсаторах можно применять более высокую скорость смеси и тем самым достичь более высокой нагрузки, чем в противоточных. На крупных газоразделительных установках, как правило, применяются прямоточные конденсаторы, т.к. при этом сокращается расход металла и достигается экономия в капиталовложениях.