конденсация фракционная

КОНДЕНСАЦИЯ ФРАКЦИОННАЯ

разделение паровых и парогазовых смесей, основанное на различии составов пара и образующейся из него жидкости, Осуществляется путем частичной конденсации и послед. разделения жидкой и паровой фаз. В результате конденсат обогащается относительно менее летучими (высококипящими) компонентами, а несконденсировавшийся пар — более летучими (низкокипящими). Паровая смесь м. б. разделена на две и более фракций, причем каждая последующая имеет большее относит, содержание низкокипящих компонентов и соотв. более низкую температуру конденсации, чем предыдущая. Многократно повторяя процессы частичной конденсации и разделения паровой и жидкой фаз, можно получить некоторое количество практически чистого низкокипящего компонента. К. ф. — процесс, обратный фракционной дистилляции; может происходить на охлаждаемой поверхности, а также в объеме пара или парогазовой смеси и сопровождается образованием тумана либо мелких кристаллов. Технол. установка для К. ф. включает конденсаторы, сепараторы для разделения пара и жидкости и сборники конденсата (рис. 1). Если жидкая и паровая фазы достаточно полно разделяются в конденсаторах, необходимость в сепараторах отпадает.

_{Рис. 1. Установка для фракционной конденсации: 1 — конденсаторы; 2 сепараторы; 3 сборники конденсата.}

Взаимосвязь расходов и составов паровых смесей, поступающих в произвольную m-ю ступень установки G_m-1, y_i,m-1 и выходящих из нее соотв. G_m, у_i,m, с расходом П_m и составом x_i,m получаемой фракции конденсата выражается уравнениями материального баланса:

Изменение расходов и составов материальных потоков в произвольной m-й ступени установки К. ф. описывается уравнением материального баланса для бесконечно малого элемента поверхности теплообмена конденсатора [изменение содержания произвольного i-го компонента в паре d(Gy_i) равно количеству этого компонента x_idG, перешедшему в образовавшийся конденсат]. Интегрированием уравнения материального баланса получаем выражение, аналогичное уравнению Рэлея:

Результаты К.ф. обусловливаются фазовым равновесием и тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами. При этом определяющую роль играют гидродинамич. условия взаимод. фаз, зависящие от аппаратурно-технол. оформления процесса. При немедленном отводе образовавшегося конденсата тепло- и массообмен между жидкостью и паром совершенно исключен, взаимосвязь их составов определяется условиями фазового равновесия, а расходы и составы выделенной фракции конденсата и несконденсировавшегося пара находятся совместным решением уравнений (1)-(3) и уравнений, описывающих равновесие между жидкостью и паром. В случае К.ф. бинарной смеси взаимосвязь расходов и составов исходной паровой смеси, фракций конденсата и несконденсировавшегося пара м. б. определена по фазовой диаграмме температура — состав (рис. 2). Если состав начальной

_{Рис. 2. Диаграмма температура состав для фракционной конденсации без массообмена между жидкостью и паром.}

смеси у_н и температура конденсации t_н изображаются точкой N, при понижении температуры до t₁ образуется парожидкостная смесь (точка С), состоящая из жидкости состава x₁ (точка А) и равновесного пара состава y₁ (точка В), а их расходы П и G_к определяются отношением . Аналогичным построением находятся расходы материальных потоков при охлаждении паровой смеси, напр. состава у₁ от температуры t₁ до температуры t₂(DE/DF). Для идеальных смесей система уравнений (1) и (3) решается аналитически, для реальных смесей — численными методами с помощью ЭВМ. В общем случае стекающая по охлаждаемой поверхности жидкость и контактирующий с ней пар не находятся в равновесии, а их составы изменяются по высоте. Уравнение материального баланса для элемента высоты поверхности контакта фаз dh имеет вид:

где y^p_i — содержание компонента i в парe, находящемся в равновесии с жидкостью состава x_i; y_i — содержание компонента i в паре, проходящем через данное сечение поверхности контакта фаз; K_оу — коэф. массопередачи; a — площадь поверхности контакта жидкости и пара, приходящаяся на единицу высоты аппарата. Поскольку K_оу>0, знак второго слагаемого в правой части уравнения (4) зависит от направления относительного движения фаз. Вследствие преимущественного при конденсации пара перехода высококипящих компонентов в жидкое состояние содержание их в паре постепенно снижается. Поэтому при противотоке обеих фаз пар поступает в произвольное сечение аппарата с меньшим содержанием низкокипящих компонентов y_i, чем соответствующее равновесию с жидкостью, проходящей через это же сечение аппарата у^p_i. Вследствие этого под действием разности содержаний i-го компонента y_i — у^p_i возникает поток относительно более летучих компонентов из жидкости в пар. Последний за счет массообмена с жидкостью обогащается низкокипящими компонентами, и их содержание в несконденсировавшемся паре на выходе из конденсатора превышает содержание, отвечающее пару, который образуется при отсутствии массообмена между жидкостью и паром. При их прямоточном движении поток относительно более летучих компонентов, обусловленный массообменом, направлен не из жидкости в пар, как при противотоке, а из пара в жидкость. Таким образом, пар, выходящий из конденсатора, содержит меньше низкокипящих компонентов, чем при отсутствии массообмена между жидкостью и паром. Осн. аппараты установок К.ф. — конденсаторы, которыми в промышленности служат теплообменники разл. конструкций, а в лаб. практике — обычные холодильники. Рабочие параметры процесса: регулируемые — расходы начальной паровой смеси и хладагента, подаваемого в конденсаторы; контролируемые — помимо указанных, температуры паровых смесей на входе в конденсатор и выходе из него, а также расход конденсата. К.ф. широко используют при ректификации разных смесей с целью получения флегмы, возвращаемой в ректификац. колонну (дефлегмация), при переработке природных газов и нефти, разделении газов пиролиза, газовых смесей в коксо-хим. промышленности и др. См. также газов разделение.

^{Лит.: Амелин А. Г., Теоретические основы образования тумана при конденсации пара, 3 изд., М., 1972; Коган В. Б., Теоретические основы типовых процессов химической технологии, Л., 1977; Исаченко В. П., Теплообмен при конденсации, М., 1977.}

_{В. Б. Коган}