конденсация

КОНДЕНСАЦИЯ (от позднелат. condensatio — уплотнение, сгущение)

переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при докритич. параметрах; фазовый переход первого рода. К. — экзотермич. процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода — теплота К. Конденсир. фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении (см. росы точка). К. происходит при изотермич. сжатии, адиабатич. расширении и охлаждении пара или одноврем. понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсиров. фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже — вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация). К. широко применяется в хим. технологии для разделения смесей посредством конденсации фракционной, при сушке и очистке веществ и др., в энергетике, напр. в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для К. рабочего тела, в опреснит. установках и др. При К. паров в узких порах адсорбентов последние могут поглощать значит. количества вещества из газовой фазы (см. капиллярная конденсация). Следствие К. водяного пара в атмосфере — дождь, снег, роса, иней. Конденсация в жидкое состояние. В случае К. в объеме пара или парогазовой смеси (гомогенная К.) конденсир. фаза образуется в виде мелких капель жидкости (тумана) или мелких кристаллов. Для этого необходимо наличие центров К., которыми могут служить очень мелкие капельки жидкости (зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрич. заряд (ионы). При отсутствии центров К. пар может в течение длит. времени находиться в т. наз. метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомог. К. начинается при т. наз. критич. пересыщении П_кp=p_к/p_н где р_к — равновесное давление, соответствующее критич. диаметру зародышей, р_н — давление насыщ. пара над плоской поверхностью жидкости (напр., для водяного пара в воздухе, очищенном от твердых частиц или ионов, П_кр=5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технол. аппаратах, напр. при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, смешении влажных газов. Конденсация на поверхности твердого тела насыщенного или перегретого пара происходит при температуре поверхности, которая меньше, чем температура насыщения пара при его равновесном давлении над ней. Наблюдается во многих пром. аппаратах, которые служат для К. целевых продуктов, подогрева разл. сред, разделения паровых и парогазовых смесей, охлаждения влажных газов и т. д. При сжижении пара на поверхности твердого тела, хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка жидкости (пленочная К.); на поверхности, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, — отдельные капли (капельная К.); на поверхности с неоднородными свойствами (напр., на полированной металлической с окисленными загрязненными участками) — зоны, покрытые пленкой конденсата и каплями (смешанная К.). При пленочной К. чистых паров неметаллов коэф. теплоотдачи определяется в осн. термич. сопротивлением пленки конденсата, которое зависит от режима ее течения. Последний в случае практически неподвижного пара определяется числом Рейнольдса пленки: Rе_пл=wd/v_к, где w, d — соотв. средняя по сечению скорость и толщина пленки конденсата, v_к — кинематич. вязкость конденсата. Для К. на вертикальной пластине или трубе при Rе_пл менее 5–8 течение пленки чисто ламинарное, при превышении этих значений Rе_пл — ламинарно-волновое, при Re_пл>350–400 — турбулентное. На вертикальных пoв-стях значит. высоты могут наблюдаться области с разл. режимами течения пленки конденсата. При ламинарном течении увеличение Re_пл с возрастанием толщины пленки приводит к уменьшению коэф. теплоотдачи, при турбулентном течении — к его увеличению. Если пар перегрет, К. сопровождается конвективной теплоотдачей от пара к конденсату, температура поверхности которого практически равна температуре насыщения при давлении пара. Для веществ с большой теплотой К. (напр., вода, спирты) теплота перегрева обычно незначительна по сравнению с теплотой К., и ею можно пренебречь. В случае пленочной К. движущегося пара касательное напряжение на поверхности раздела фаз, обусловленное межфазным трением и переносом импульса частицами сконденсировавшегося пара, которые присоединяются к пленке конденсата, вызывает при нисходящем потоке пара увеличение скорости и уменьшение толщины пленки, в результате чего коэф. теплоотдачи увеличивается. При более высоких скоростях парового потока воздействие его на пленку конденсата может приводить не только к изменению ее скорости и толщины, но и к возмущению течения (образование волн, турбулизация), интенсифицирующему теплоперенос в пленке. Если поток пара направлен вверх, движение ламинарной пленки конденсата тормозится, толщина ее увеличивается и коэф. теплоотдачи уменьшается по мере возрастания скорости пара до тех пор, пока действие межфазного трения не вызовет т. наз. обращенное (направленное вверх) течение пленки конденсата. При К. движущегося пара внутри трубы (канала) режимы течения и характер взаимод. паровой и жидкой фаз могут значительно изменяться в результате изменения по мере образования конденсата скорости пара, касательного напряжения трения на межфазной поверхности и Re_пл. При больших скоростях пара (когда действие силы тяжести на пленку конденсата пренебрежимо мало и течение ее определяется в осн. силой трения) местные и средние по длине трубы коэф. теплоотдачи не зависят от пространств. ориентации трубы. Если силы тяжести и трения соизмеримы, условия К. определяются углом наклона трубы и взаимным направлением движения фаз. В случае К. внутри горизонтальной трубы и малой скорости пара кольцевая пленка конденсата образуется только на верх, части внутренней поверхности трубы. На ниж. части возникает "ручей", в зоне которого в результате относительно большой толщины слоя жидкости теплоотдача значительно менее интенсивна, чем на остальном участке поверхности. В случае К. на пучке горизонтальных труб расход стекающего конденсата увеличивается сверху вниз вследствие натекания конденсата с вышележащих труб на нижележащие, а расход пара по пути его движения снижается. В пучке с постоянным или относительно немного уменьшающимся по высоте живым сечением между трубами скорость нисходящего потока пара постепенно снижается, а конденсат натекает с верх, труб на нижние. Вначале это приводит к уменьшению местных коэф. теплоотдачи (осредненных по периметру труб) при увеличении отсчитываемого сверху номера горизонтального ряда труб. Однако, начиная с некоторого ряда, в результате натекания конденсата течение пленки возмущается и ее термич. сопротивление снижается. Благодаря этому коэф. теплоотдачи могут стабилизироваться, а при возрастающем воздействии возмущения течения пленки на ниж. трубках — увеличиваться с возрастанием номера ряда. Интенсификация теплоотдачи при пленочной К. может достигаться профилированием ее поверхности (напр., применением т, наз. мелковолнистой поверхности), которое способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата, созданием на поверхности искусств, шероховатости, приводящей к тур-булизации пленки, воздействием на нее при диэлектрич. жидкой фазе (напр., при К. хладонов) электростатич. полем, отсосом конденсата через пористую поверхность и др. При конденсации паров жидких металлов теплопроводность жидкой фазы весьма высока. Поэтому доля термич. сопротивления пленки конденсата в суммарном сопротивлении передаче тепла незначительна, и определяющим оказывается межфазное термич. сопротивление, обусловленное молекулярно-кинетич. эффектами на границе раздела фаз. Иногда пленочная К. на поверхности сопровождается гомог. К. в прилегающем к поверхности раздела фаз слое пара. Если образование тумана при этом нежелательно (напр., в производстве H₂SO₄ нитрозным способом или при улавливании летучих растворителей), процесс проводят при макс. пересыщении пара ниже П_кр. При капельной К. первичные мелкие капли, образовавшиеся на сухой вертикальной или наклонной поверхности, растут в результате продолжения процесса, слияния близко расположенных и касающихся друг друга капель и подтягивания к ним возникающей между каплями и быстро разрывающейся тонкой пленки конденсата. Капли, достигшие "отрывного" диаметра, стекают вниз, объединяясь (коалес-цируя) с нижележащими мелкими каплями, после чего на освободившейся поверхности опять образуются мелкие капли, и цикл повторяется. Условия, определяющие самопроизвольное возникновение капельной К., наблюдаются редко. Обычно же для осуществления капельной К. на твердую поверхность наносят тонкий слой лиофобизатора — вещества, обладающего низким поверхностным натяжением и несмачиваемого конденсатом (напр., жиры, воски). В случае капельной К. коэф. теплоотдачи намного выше (в 5–10 раз и более), чем при пленочной. Однако поддержание в условиях эксплуатации пром. аппаратов устойчивой капельной К. затруднительно. Поэтому конденсац. устройства хим. промышленности, как правило, работают в режиме пленочной К. Конденсация пара на поверхности жидкости того же вещества происходит в технол. аппаратах на поверхности подаваемых в объем пара диспергированных (напр., с помощью распылит, форсунок) струй или стекающих по насадке тонких пленок жидкости. Диспергирование или распределение жидкости на тонкие пленки позволяет сильно развить поверхность контакта фаз. В ряде случаев К. наблюдается при поступлении пара в объем жидкости в виде струй или пузырьков (барботаж), а также при образовании паровых пузырьков в объеме жидкости, напр. при кавитации. К. пара из смеси его с неконденсирующимися газами (или неконденсирующимися при данной температуре парами) на поверхности твердого тела или жидкости менее интенсивна по сравнению с К. чистого пара. Поскольку при К. из парогазовой смеси температура и парциальное давление (концентрация) пара в ее осн. массе выше, чем на твердой поверхности, в прилегающем к последней слое смеси (при движении смеси — в пограничном слое) происходит совместный тепло- и массообмен. Если пар неподвижен, даже незначит. содержание в нем газа приводит к резкому снижению интенсивности К. По мере увеличения скорости (числа Рейнольдса Re_см) парогазовой смеси влияние газа на интенсивность процесса постепенно ослабляется. При К. паров из многокомпонентных смесей (паровых или парогазовых) в газовой фазе также происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом эффективный коэф. теплопроводности смеси и эффективные коэф. диффузии ее отдельных компонентов определяются природой и концентрациями др. компонентов. В случае гомог. смеси конденсатов на поверхности твердого тела происходит только пленочная К., в случае гетерогенной — смешанная. Например, при К. бинарной смеси водяного пара и орг. вещества на твердой поверхности образуется жидкая пленка этого вещества, покрывающаяся каплями влаги.

Десублимация. В данном процессе конденсированная (твердая) фаза не может стекать с поверхности твердого тела и толщина ее слоя непрерывно возрастает. Поэтому процесс нестационарный и скорость его постепенно снижается. При проведении К. в глубоком вакууме (средняя длина своб. пробега молекул соизмерима с характерным размером аппарата), напр., при разделении паровых или очистке парогазовых смесей необходимо учитывать изменения механизма и закономерностей тепло- и массопереноса. Это приводит к изменению условий К. чистых паров и паров, содержащих примеси неконденсирующихся газов.

• см. также газов осушка, газов разделение, дистилляция, сублимация, теплообмен

^{Лит.: Кутателадзе С. С., Теплопередача при конденсации и кипении. 2 изд., М. Л., 1952; его же, Основы теории теплообмена, 5 изд., М. 1979; Амелин А. Г.,Теоретические основы образования тумана при конденсации пара, 3 изд., М., 1972; Исаченко В. П., Теплообмен при конденсации, М., 1977; Бeрман Л.Д., "Теплоэнергетика", 1979, №5, с. 16–20; его же, там же, 1980, № 4, с. 8 13; его же, там же, 1981, № 4, с. 22–29; Горелик А. Г.. Амятин А. В., Десублимация в химической промышленности, М., 1986.}

_{Л. Д. Берман}