§21. Процесс дефлегмации.

Это процесс фракционной конденсации, которая сопровождается оводом тепла и массообменном между неравновесной массой пара.

Исходная смесь в количестве М, с содержанием легкокипящего хм поступает дефлегматор. Трубки конденсатора – дефлегматора охлаждаются хладоносителем L. В межтрубном пространстве конденсатора частично конденсируется поток пара G. Поток флегмы G стекает навстречу движущемуся пару, при этом неравновесный пар массообменивается с неравновесной жидкостью. Жидкость содержит больше высококипящих компонентов, чем пар, следовательно пар более обогащен легколетучими компонентами. В процессе массообмена пар обогащается легколетучими компонентами, а жидкость труднолетучими компонентами. Содержание легколетучего компонента в паре меняется по высоте конденсатора. В верхней части конденсатора содержание легколетучих компонентов больше. В верхней части дефлегматора собирается пар D, который представляет собой приблизительный чистый легколетучий компонент. В нижней части дефлегматора собирается жидкость, которая называется кубовой. Она обогащена труднолетучими компонентами. Если проводить процедуру дефмегмации воздуха при давлении 0,4 МПа, то можно получить кубовую жидкость, обогащенную кислородом до 45-47%. Паровая фаза представляет собой азот с концентрацией 70%.

Дефлегматоры используются как элементы воздухоразделительных установок.

§22. Процесс ректификации.

Ректификациейназывают процесс тепло – и массообмена между потоками неравновесных, состоящих из одинаковых компонентов, жидкости и пара (обычно с противоточной схемой движения), в адиабатном аппарате с постоянным давлением.

Ректификация является массообменным (диффузионным) процессом, в котором можно получить низко – и высококипящие компоненты достаточно высокой степени чистоты. Для осуществления этого процесса необходимо организовать движение неравновесных пара и жидкости и обеспечить достаточную поверхность контакта между ними. При этом в паре, встречающемся со стекающей жидкостью, содержится больше высококипящего компонента, чем в равновесном паре. Стекающая в колонне жидкость называется флегмой, а отношение расходов жидкости и пара, проходящих через рассматриваемое поперечное сечение колонны, - флегмовым отношением:

(3.8)

Для осуществления процесса необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между фазами - ректификационные колонны. Конструкция контактного устройства может быть различной: известны ректификационные колонны тарельчатые, насадочные, с распылителями (полые), роторные и т.д. В низкотемпературной технике используют главным образом колонны первых двух типов.

Насадочные колонны заполняют насадкой разного вида, обеспечивающей непрерывное изменение состава потоков по высоте колонны. В тарельчатой колонне используют колпачковые, ситчатые и другие тарелки, обеспечивающие ступенчатое изменение составов потоков. Для реализации процесса массообмена между паром и жидкостью - в колонне необходимо подводить и отводить теплоту при разных температурах.

Смесь, подаваемую на разделение в колонну криогенной установки, обычно охлаждают до низких температур. Продукты разделения, отводимые из установки в газовой фазе, подогревают до температур, близких к температуре окружающей среды. Для охлаждения смеси и подогрева продуктов разделения используют теплообменные аппараты.

Для пояснения принципа работы колонны рассмотрим ее схему с ситчатым тарелками (рис.3.3). Колона состоит из куба 1 с испарителем, конденсатора 5, расположенного в верхней части колоны, корпуса 2, в котором помещены тарелки 8. На каждой тарелке находится жидкость, через которую барботирует пар. По переливным устройством (переливам) 9 жидкость стекает на расположенную ниже тарелку, снабженную перегородками 11 (входной и сливной пороги). Конструкции тарелок разнообразны.

Колонна однократной ректификации позволяет получить чистый кислород, а также азот с содержанием кислорода 7—10 %.

Разделяемая смесь вводится в середину колонны по трубе 3. В нижней части колонны, где находится жидкость с повышенным по отношению к исходной смеси содержанием легколетучего компонента (кубовая жидкость), расположен трубчатый испаритель.

За счет подвода теплоты в испаритель для получения пара из части жидкости, стекающей в куб, часть жидкости испаряется. Пар поднимается навстречу стекающей жидкости. Часть пара конденсируется в трубках конденсатора 5, и конденсат стекает вниз в качестве флегмы для обеспечения процесса массообмена. Таким образом, в колонне осуществляется непрерывное противоточное движение паров и жидкости.

Оставшийся пар в количестве отводится из колонны по трубе 4; он состоит преимущественно из низкокипящего компонента (продукт разделенияможно отводить и в жидкой фазе). Температура конденсации паров в зоне конденсатора снижается за счет обогащения их азотом. В межтрубное пространство конденсатора по трубе 6 подается жидкий хладагент, который кипит за счет теплоты конденсации пара в трубах. Пар хладагента уходит из колонны по трубе 7.

Жидкость, стекая по колонне, обогащается высокипящим компонентом, и часть ее отводится из куба по трубе 10. В испарителе из кубовой жидкости в большей мере испаряется более легкокипящий компонент (азот), поэтому жидкость, остающаяся в испарителе, обогащается более тяжелокипящим компонентом (кислородом).

Жидкость, стекая по колонне, обогащается высокипящим компонентом, и часть ее отводится из куба по трубе 10. В испарителе из кубовой жидкости в большей мере испаряется более легкокипящий компонент (азот), поэтому жидкость, остающаяся в испарителе, обогащается более тяжелокипящим компонентом (кислородом).

На рис.3.3, б показана схема движения потоков пара и жидкости на n – й тарелке.

Рис.3.3. Ректификационная колона:

а – схема колонны; б – схема движения потоков пара и жидкости на n – й тарелке

Количество протекающей жидкости вследствие массообмена изменяется от до; количество пара, барботирующего через жидкость, - отдо. Молярные доли низкокипящего компонента в жидкости на n – й тарелки также изменяются отдо, а в паре – отдо.

Обычно исходная смесь вводится в среднюю часть колонны. Пар всегда горячее жидкости и является нагревателем по отношению к ней. При тепломассообмене между паром и жидкостью из пара в жидкость в большей мере переходит легколетучий компонент, а из жидкости в пар труднолетучий. В колонне двукратной ректификации, работающей по циклу Капицы в верхней колонне Р=0,1МПа, а в нижней Р=0,6МПа.

	Установка высокого Р	Установка низкого Р
Кубовая жидкость	36-37%O2	36-38%
Азотная флегма	1-5%O2	1-4%O2
Азот газообразный	0.8-0.6%	1-3%O2
O2 газообразный	99.5-99.9%	95-99.8%