ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Технические процессы разделения воздуха из "Производство кислорода Издание 2" Разделение воздуха на кислород, азот и другие газы основано на низкотемпературной ректификации. В первом приближении при изучении ректификации воздух можно рассматривать как двойную (бинарную) смесь N2—О2. [c.59] Рассмотрим кратко процесс конденсации и испарения двойных (бинарных) смесей, составные части которых взаимно растворимы во всех соотношениях. Раствор кислород — азот представляет собой именно такую смесь. [c.59] В отличие от простого вещества, температура кипения которого при данном давлении постоянна, температура кипения смеси при данном дав лении зависит от ее состава. Чем больше в смеси вещества с низкой тем пературой кипения, тем ниже температура кипения смеси. Такая же за кономерность существует и для конденсации. Второй особенностью, на блюдаемой при испарении и конденсации бинарных смесей, является то что пар, находящийся в равновесии с жидкостью (равновесный пар) всегда содержит больше вещества с более низкой температурой кипения (легко кипящего), чем жидкость . [c.59] Если к жидкости подводить тепло, то ее температура начнет возрастать и точка, отображающая состояние раствора, будет перемещаться ввер.х по прямой 1—2. Так будет продолжаться до тех пор, пока йена чнется кипение жидкости (точка 2 ). Пар с той же температурой что и жидкость, отличается от нее по составу, так как он содержит большее количество легкокипящего вещества (точка 2 ). Аналогично будет проходить процесс кипения для жидкости любого другого состава, например, в точках 3 и 4. Соединив точки В—2 —3 —4 —А, полу-чим так называемую линию кипения соединив точки В—2 —3 —4 —А— линию конденсации. Площадь, заключенную между линиями кипения и, конденсации, называют областью влажного пара. [c.60] Расстояние по горизонтали между линиями конденсации и кипения-уменьшается по мере приближения к ординатам = 1 ( в=0) и в = 1 А =0). Это показывает, что максимальная разница в составах жидкости и равновесного пара характерна для области средних концентраций. Когда же в растворе значительно преобладает какое-нибудь вещество, / или В, разница в составах уменьшается, пока, наконец, для чистых веществ составы жидкости и пара не сравняются. [c.60] При выпаривании жидкости, начавшемся в точке 2, количество парат будет постепенно увеличиваться, а жидкости соответственно уменьшаться. Так как пар переходит большее количество легкокипящего веществз А, то жидкость будет постепенно обогащаться тяжелокипящим веществом В, и температура ее кипения постепенно возрастет. В точке 5, например, раствор будет представлять собой систему, находящуюся при температуре Т5 2 и состоящую ИЗ кипящей жидкости состава и равновесного ей пара состава . [c.60] Количества жидкости и пара будут относиться соответственно как отрезки 5—5 и 5—5. При дальнейшем парообразовании количество-жидкости будет уменьшаться (пропорционально величине отрезка 5—5 ) а пара соответственно увеличиваться (пропорционально отрезку 5—5 ). При этом температура повышается и содержание тяжелокипящего вещества В как в паре, так и в жидкости возрастает. Наконец, в точке 6 испарится последняя порция жидкости, состав которой к этому времени будет характеризоваться величиной она перейдет в пар того же состава, что и исходная жидкость. Последующее нагревание пара уже не вызывает изменения его состава, так как он представляет собой обычнуЮ газовую смесь той же концентрации, что и исходная жидкость (точка 7). [c.60] Процесс конденсации бинарной смеси происходит по тем же закономерностям, но в обратном порядке. При полном испарении (или конденсации) смеси состав полученного пара (или жидкости) тот же, что и исходной смеси. [c.60] При фракционированном испарении жидкого воздуха, если, например, испарить 40% жидкости и собрать полученные шары, среднее содержание кислорода в них составит 7%, в то время как оставшиеся 60% жидкости будут содержать 30% Ог. Потери кислорода с паром составят 15% от общего количества. Если собрать пары, отводимые при испарении 80% жидкости, то среднее содержание кислорода в них составит 11,1%, что вызовет потерю с паром почти 27% Ог. Но содержание кислорода в оставшейся жидкости будет выше оно составит 60%. Если испарить 90% жидкости, то содержание кислорода в оставшейся части достигнет 81%, но в отведенных парах будет уже в среднем 50% Ог, и потеря его составит 52%. Аналогичные соотношения наблюдаются и при фракционированной конденсации воздуха. Таким образом, при фракционированном разделении воздуха можно лишь обогатить его кислородом (или азотом), причем потери кислорода (или азота) быстро увеличиваются при возрастании его концентрации в продукте. Поэтому на промышленных установках разделение воздуха осуществляется более совершенным методом — ректификацией. [c.61] Прежде чем перейти к анализу этого процесса, рассмотрим некоторые особенности кипения и конденсации бинарных смесей, которые необходимо учитывать при изучении ректификации. [c.61] Влияние давления на равновесные составы смесей. Температура кипения смесей, так же как и температуры кипения чистых веществ, повыша- ется с увеличением давления. [c.61] На prie. 36 показан график, на котором нанесены равновесные кривые кислородно-азотных смесей при различных давлениях. Из графика видно, как по мере повышения давления повышаются температуры кипения азота, кислорода и их смесей, а расстояние между кривыми кипения и конденсации уменьшается. Это означает, что разница в составах пара и жидкости тем меньше, чем выше давление. В области критических температур компонентов А и В эта разница исчезает. [c.61] Наиболее удобно и наглядно разница в составах жидкости и пара может быть представлена на диаграмме х—у. Такая диаграмма для смеси кислород—азот показана на рис. 37. [c.61] По оси абсцисс этой диаграммы откладывают концентрацию легкокипящего вещества (А) в жидкости х, а по оси ординат концентрацию этого же вещества в равновесных парах у. Тогда для каждого давления получим кривые, по которым, зная состав жидкости, легко найти состав равновесного ей пара и наоборот. Например, зная концентрацию жидкости построением, показанным на рисунке стрелкой, яаходим концентрацию пара у При определении состава жидкости по составу пара построение ведут в обратном направлении. [c.61] Так как в парах всегда больше легкокипящего вещества (в данном случае азота), то для всех концентраций и давлений значение у всегда больше X. Вследствие этого все равновесные кривые расположены над диагональю х=у. Чем выше давление и чем, следовательно, меньше разница между составами жидкости и пара, тем ближе кривая равновесия расположена к диагонали. [c.61] Теплота испарения и конденсации бинарной смеси. При испарении и конденсации бинарных смесей, так же как и чистых веществ, должно затрачиваться (или отводиться) определенное количество тепла — теплота парообразования. [c.62] Чем выше давление, тем меньше эта разность. При критическом давлении теплота парообразования равна нулю. [c.62] Для бинарной смеси существуют более сложные закономерности. Величина г в этом случае зависит от давления и от состава смеси. Эти закономерности могут быть наглядно представлены на диаграмме Понтона I—1 (рис. 38). [c.63] Значения энтальпий пара и жидкости для промежуточных составов смеси вычисляют по значениям энтальпий компонентов смеси с учетом теплоты смешения. [c.63] Соединив между собой точки для сухого насыщенного пара, получим кривую пара 1—2 и, соединив точки для кипящей жидкости, — кривую жидкости 3—4. [c.63] Вернуться к основной статье