ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Процесс ректификации воздуха из "Получение кислорода Издание 4" Для полного разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот применяется процесс ректификации, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами. [c.95] Пример пользования номограммой Т—р—1—х—у (см. рис. 25). [c.96] Сущность процесса. Испарение и конденсация—процессы обратимые. При испарении 1 кг жидкости затрачивается теплота испарения. При конденсации 1 кг полученного пара, в условиях отсутствия потерь теплоты в окружающую среду, выделяется такая же по величине скрытая теплота конденсации. [c.97] Проходя через слой жидкой смеси азота и кислорода, кисло-род конденсируется, так как является менее летучим компонентом, чем азот. При этом из жидкости испаряется количество азота, приблизительно равное количеству сконденсировавшегося кислорода. [c.97] Наполним сосуд жидким воздухом и пропустим через него пс трубке газообразный кислород. Поднимающиеся в жидкости пузырьки пара состоят почти из чистого азота. В этом легко убедиться, поднеся к ним горящую спичку,—пламя быстро погаснет. [c.97] На явлении конденсации кислорода в кислородо-азотной жидкости с одновременным испаре 1ием из нее азота и основан процесс ректификации. С у ц ность процесса и состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода. Поскольку жидкость содержит меньше кислорода и больше азота, она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар. Это вызывает конденсацию кислорода иэ пара и обогащение им жидкости и одновременно испарение и жидкости азота, т. е. обогащение им паров над жидкостью. [c.97] Рассматриваемый процесс происходит при непосредственном соприкосновении пара с жидкостью и повторяется много раз до тех пор, пока не получится газ, состоящий почти из одного азота, и почти чистый жидкий кислород. Такой процесс называется массообменом. [c.97] Рассмотрим упрощенную схему процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха (рис. 27), воспользовавшись также графиком рис. 22. Для этого принимаем, что воздух представляет собой двойную (бинарную) смесь, т. е. состоит только из кислорода и азота. Пусть имеется несколько сосудов (/—К) и в верхнем из них находится жидкий воздух с содержанием 21% кислорода. Стекая вниз, жидкость будет постепенно обогащаться кислородом, и температура ее повышается. [c.97] Те же рассуждения можно провести для последующих сосудов. При сливе из верхних сосудов в нижние жидкость постепенно обогащается кислородом, конденсируя его нз поднимающихся паров и отдавая им свой азот. [c.98] В колпачковых тарелках 3 имеются отверстия, покрытые колпачками 4. 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 служат для того, чтобы разбить поток пара на небольшие струйки с целью получения максимальной поверхности контакта между паром и жидкостью. [c.100] Как уже указывалось, в верхней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие большее количество азота и, наоборот, в нижней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больще кислорода, но меньше азота. Таким образом, в ректификационной колонне с помощью тарелок осуществляется процесс непрерывного разделения жидкого воздуха на азот, отводимый из верха колонны, и кислород, собирающийся в нижней ее части. [c.100] 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 уходит с парами к следующей тарелке. На каждой тарелке поступающая жидкость обогащается кислородом и отдает азот. Состояние равновесия между паром и жидкостью вначале наступает только на поверхности пузырька, а внутри его состав пара почти не изменяется. Лишь постепенно, по мере перемещения пузырька в жидкости, 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. [c.100] Если при расчете воздух принимается за тройную смесь (т. е. учитывается и аргон), то значения к, п. д. тарелки повышаются 0,8—1,0. [c.101] Проходя через слой жидкости на тарелке, пары уносят капельки жидкости на лежащую выше тарелку и тем ухудшают разделение смеси, так как увеличивают содержание кислорода на верхней тарелке, понижая ее к. п. д. Чем выше скорость паров, тем больше унос жидкости и тем меньше к. п. д. тарелок. Влияние уноса можно снизить, увеличив расстояние между тарелками, но при этом возрастает высота колонны. [c.102] Унос жидкости происходит в виде пены или брызг. Пенный унос характерен для небольшой скорости паров (порядка 0,25— 0,3 м/сек). При больших скоростях унос происходит в виде брызг. Унос тем больше, чем выше уровень жидкости на тарелке. Расстояние между тарелками в воздухоразделительных аппаратах обычно равно 50—100 мм при скорости в некоторых колоннах, равной 0,8—1 м/сек, это расстояние увеличивают до 130—150 мм. а для уменьшения уноса жидкости над тарелками ставят отбойные устройства или увеличивают диаметр отверстий в ситчатых тарелках (до 1,3 мм). Последний способ как достаточно эффективный, позволяющий увеличивать скорость паров без заметного уменьшения к. п. д. тарелок, нашел применение в кислородных аппаратах большой производительности. [c.102] Для примера рассмотрим два простейших случаях движения жидкости на соседних тарелках. [c.103] Теоретически наибольший эффект достигается, когда жидкая и паровая фазы разных концентраций не перемешиваются, а частицы пара на своем пути вступают во взаимодействие с соответствующими им по составу и количеству частицами жидкости. Если где-либо в одном месте скапливается большее количество жидкости, чем это требуется для конденсации проходящего в данном месте количества пара, то процесс ректификации нарушается и проходит менее эффективно. Конструкции тарелок, которые в наибольшей степени удовлетворяют этому основному условию и обеспечивают наименьший унос жидкости паром, всегда имеют наиболее высокий к. п. д. По этому принципу построены кольцевые тарелки, получившие широкое распространение. Описание конструкций тарелок дано в гл. VIII. [c.104] В колоннах воздухоразделительных ус тановок низкого давления, работающих с регенераторами (см. гл. IV), неравномерность работы тарелок обусловлена также периодическими переключениями регенераторов, вызывающими колебания скорости пара в колонне и связанные с этим изменения количества и высоты уровня жидкости на тарелках. При уменьшении скорости пара в момент переключения регенераторов жидкость накапливается на тарелке, а при восстановлении потока пара частично сбрасывается через переливные стаканы на нижележащую тарелку. Такие колебания в работе снижают эффективность тарелки на 10—20%. [c.104] Аппарат однократной ректификации неэкономичен, так как вместе с отбросным азотом в атмосферу выбрасывается около l/g кислорода, содержавшегося в перерабатываемом воздухе. [c.105] Обусловлено это тем, что верхняя та-релка орошается жидким воздухом, над ° 2-Л которым равновесный по составу пар теоретически должен содержать около 7% кислорода. Для того чтобы уменьшить потери кислорода с отходящим азотом, необходимо верхнюю тарелку орошать не жидким воздухом, а жидким азотом для этого применяются аппараты двукратной ректификации. [c.105] Вернуться к основной статье