3.3. Ректификация воздуха, принцип ректификации

Процесс испарения смеси двух взаимно растворимых жидкостей, со­вмещенный с процессом конденсации их паров, приводит к образованию фракций другого состава компонентов в паре и жидкости. Для полного разделения смеси на составные части необходимо многократное чередова­ние процессов испарения и конденсации. Этот метод, известный как рек­тификация является основным для получения чистого кислорода и чистого азота. Сущность процесса ректификации можно объяснить процессами, происходящими на одной из тарелок ректификационной колонны (рис. 3.6).

П усть при некотором давлении на ректификационную тарелку поступают и приходят в соприкосновении жидкая фаза сверху с концентрацией азота и паро­вая фаза снизу с концентрацией азота в бинарной смеси, не находящихся между собой в равновесии. При этом жидкость более богата нижекипящим компонентом , то есть азотом и поступает с более низ­кой температурой конденсации, а паровая фаза богата вышекипящим компонентом, то есть, кислородом и поступает с более высокой температурой конденсации.

При соприкосновении на ректифика­ционной тарелке между жидкостью и па­ром произойдет теплообмен и массообмен, причем часть жидкости испарится за счет тепла частично сконденсированной паровой фазы. Концен­трации пара и жидкости будут изменяться до тех пор, пока в идеале они не придут в состояние равновесия между собой.

Когда наступит равновесие между жидкой и паровой фазами, увели­чится концентрация нижекипящего компонента в уходящей с тарелки в па­ровой фазе ( ) и понизится его концентрация в сливающейся с тарелки жидкой фазе .

Подобный процесс, повторяемый многократно и составляет сущ­ность процесса ректификации, совершаемого в ректификационной колон­не, состоящей из определенного числа подобных тарелок. Чтобы получить чистый азот, в ректификационную колонну снизу поступают пары воздуха, содержащие, как нижекипящие компоненты - азот, так и вышекипящие компоненты - кислород. Пары поднимаются вверх и, встречая на каждой тарелке жидкость, более богатой нижекипящим компонентом по сравне­нию с той, с которой пары данного состава находились бы в равновесии, взаимодействуют с жидкостью, обогащаясь нижекипящим компонентом­ азотом. После чего образовавшиеся вновь пары идут выше на встречу с жидкостью с еще большим содержанием нижекипящего компонента, а жидкость, обогащенная вышекипящим компонентом, то есть кислородом, стекает далее вниз навстречу пару с большим содержанием вышекипящего компонента, то есть кислородом.

В результате в верхней части колонны получаются чистые пары ни­жекипящего компонента, то есть азота, а жидкость, стекающая вниз, посте­пенно обогащается вышекипящим компонентом, то есть кислородом.

Жидкость, которая получается в нижней части колонны, должна (в идеальном случае) находится в равновесии с парами, входящими в колон­ну. Если такими парами является воздух, содержащий известное количест­во нижекипяшего компонента - азота, то и жидкость будет содержать в меньшем количестве ни­жекипящий компонент, т.е. азот, и в большем количестве вышекипящий компонент, т.е. кислород.

Чтобы внизу получить жидкость в виде чистого вышекипящего ком­понента- кислорода, нужно в нижней части колонны, ниже поступающих паров воздуха, организовать процесс ректификации, подобный верхней части.

Однако, чтобы подобный процесс протекал непрерывно, в верхнюю часть колонны (на верхнюю тарелку) должен поступать также непрерывно чистый жидкий азот в качестве флегмы, а в самой нижней части колонны также непрерывно должны подниматься (с самой нижней тарелки) пары чистого кислорода.

Нижняя часть колонны называется отгонной, в ней происходит выде­ление из жидкости нижекипящего компонента. Верхняя часть (верхняя ко­лонна), где концентрация поднимающихся паров обогащается нижекипя­щим компонентом, называется концентрационной.