9.2. Процесс ректификации бинарной смеси

Ректификацией называют процесс тепло- и массообмена между потоками неравновесных жидкости и пара обычно с противоположной схемой движения в адиабатическом аппарате с постоянным давлением. Ректификация является массообменным процессом, в котором можно получить низко- и высококипящие компоненты высокой частоты. Для осуществления процесса ректификации необходимо организовать движение неравновесных пара и жидкости и обеспечить достаточную поверхность контакта между ними.

Сущность процесса ректификации состоит в том, что образующуюся при испарении жидкой бинарной смеси парообразную смесь низко- и высококипящего компонента пропускают через жидкость с меньшим содержанием высококипящего компонента. Поскольку жидкость содержит меньшее количество высококипящего компонента и большее количество низкокипящего компонента, она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар. Это вызывает конденсацию высококипящего компонента из пара и обогащение им жидкости с одновременным испарением из жидкости низкокипящего компонента, т.е. обогащение им пара над жидкостью. Такого рода процесс происходит многократно, до тех пор, пока не получится пар, состоящий почти из одного низкокипящего компонента и жидкость, представляющая почти чистый высококипящий компонент.

Наиболее широко процесс ректификации используется в криогенной технике - воздухоразделительных установках. Низкокипящим компонентом в них является азот, высококипящим компонентом - кислород.

Рис. 33. T-p-i-x-y номограмма смеси азот-кислород (номограмма Герша-Цеханского)

В расчетах воздухоразделительных установок для определения характеристик разделяемых компонентов и смеси, а также для определения тепловых эффектов используются рабочие диаграммы. Очень широко используется номограмма T-p-i-x-y Герша-Цеханского. По этой номограмме можно определить абсолютное давление, температуру, энтальпию, содержание азота и кислорода в кипящей жидкости и равновесном с нею паре. Диапазон давлений в номограмме составит 0,5-15кгс/см², температур - 75-115 К. Левая область номограммы представляет область жидкости, правая - область пара.

Пример определения концентраций пара и жидкости по номограмме для p_a=5 кгс/см² и T=102K представлен на рис. 33.

9.3. Ректификационная колонна

Ректификационная колонна представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну с расположенными внутри горизонтальными перегородками (тарелками) специального устройства. В небольших колоннах (диаметром до 250 мм) иногда вместо тарелок применяется насыпная насадка из отрезков медных или томпаковых трубочек размером 66 или 88 мм с толщиной стенки 0,1-0,15 мм. Жидкая смесь азота и кислорода стекает вниз по тарелкам или насадке, 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.

Ректификационные тарелки подразделяют на ситчатые (рис. 34, а) и колпачковые (рис. 34, б).

Ситчатая тарелка изготовляется из листовой латуни, алюминия 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 тыс. таких отверстий. Поднимающийся пар легко проходит через отверстия и находящийся на тарелке 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.

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

Как уже указывалось, 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 и 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 ее части.

Рис. 34. Схемы устройства ректификационных тарелок: а - ситчатая; б - колпачковая; 1 - тарелки; 2 - переливные стаканы; 3 - колпачки

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 парами к следующей тарелке. На каждой тарелке поступающая жидкость обогащается кислородом и отдает азот. Состояние равновесия между паром и жидкостью сначала 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.

Если состав пара над жидкостью, находящейся на тарелке, соответствует равновесному, то коэффициент обогащения _т=1, и такая тарелка называется теоретической. Проводя расчет ректификационных колонн, сначала определяют число теоретических тарелок. Так как вследствие ряда причин равновесие пара и жидкости на тарелке не достигается, число фактических тарелок всегда больше, чем теоретических.

Отношение числа теоретических тарелок (п_т) к числу фактических тарелок (п_ф) в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелки _{т ср}. Коэффициент _{т ср} зависит от конструкции тарелки и условий ее работы. Чем меньше этот коэффициент, тем большее число фактических тарелок должна иметь колонна для получения продуктов разделения заданных концентраций. В колоннах воздухоразделительных аппаратов действительное число тарелок обычно равно 24-48. В некоторых случаях число тарелок достигает 60-80.