Процесс ректификации воздуха.

Межу находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из нескольких компонентов, происходит массо– теплообмен. Молекулы из жидкой фазы непрерывно переходят в паровую, а из паровой фазы – в жидкую. Система стремится к состоянию равновесия, при котором существует определённое соотношение между составами паровой и жидкой фаз. В состоянии равновесия содержание низкокипящего компонента, имеющего более низкую температуру кипения, в паровой фазе больше, чем в жидкой, а содержание высококипящего компонента в жидкой фазе больше, чем в паровой.

Если привести во взаимодействие жидкость с паром, содержащим больше высококипящего компонента, чем пар, равновесный с данной жидкостью, содержание этого компонента в паре уменьшится, а жидкости увеличится. При многократном повторении этого процесса можно получить пар, почти свободный от высококипящего компонента и жидкость, почти свободную от низкокипящего компонента.

Схема воздухоразделительного аппарата для разделения смеси на два компонента представлена на рисунке 1.

1 – Ректификационная колонна, (I – укрепляющая секция, II – исчерпывающая секция), 2 – конденсатор – испаритель, 3 – азотный теплообменник, 4 – азотный компрессор, 5 – охладитель флегмы, 6 – дроссельный вентиль

Рис 1. – Схема воздухоразделительного аппарата для разделения смеси на два компонента.

Воздух, «В», охлаждённый до состояния, близкого к сухому насыщенному пару подаётся в середину ректификационной колонны, где смешивается с паром, поднимающимся из нижней части колонны. Колонная состоит из тарелок, на которых пар барботирует через жидкость и между этими потоками происходит массообмен.

Поднимаясь по колонне, пар, постепенно обогащается низкокипящим компонентом (азотом). На выходе из колонны пар содержит лишь небольшую примесь высококипящего компонента (кислорода). Часть пара «А» отводится в качестве продукта – отходящего азота, а другая часть пара ожижается в конденсаторе. Жидкость, называемая флегмой, из конденсатора подаётся на орошение колонны.

Отношение количества стекающей по колонне жидкости к разности между количеством поднимающегося пара и стекающей жидкости называется флегмовым числом. Отношение количества стекающей жидкости к количеству поднимающегося пара называется флегмовым отношением.

Стекая вниз по колонне, жидкость постепенно обогащается высококипящим компонентом, после чего поступает в испаритель. Образующийся в испарителе пар разделяется на два потока. Один поток отводится в качестве продукта (получаемого кислорода в количестве «К»), а другой подаётся в колонну. Поднимаясь по колонне, пар обогащается азотом и в середине колонны смешивается с поступающим в колонну воздухом.

Секция колонны, расположенная выше места ввода исходной смеси, называется укрепляющей, а расположение нижу – исчерпывающей.

Полученные в колонне продукты разделения – кислород и азот подогреваются затем до нормальной температуры за счёт теплообмена с воздухом. Для разделения газовой смеси на составные части необходимо затратить энергию. В процессе ректификации расход энергии связан с подводом теплоты в испарителе и отводом теплоты в конденсаторе, что необходимо для обеспечения флегмового питания колонны, т.е. для организации противоточного движения жидкости и пара по колонне. В ректификационных колоннах, работающих при низких температурах, теплота в испаритель подводится за счёт конденсации сжатого газа, т. е. энергия на разделение расходуется при сжатии.

Аппараты, служащие для проведения ректификации – ректификационные колонны. Состоят собственно из колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости (массообмена), и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал – насадка. Куб и дефлегматор – обычно кожухотрубные теплообменники.

Назначение насадки – развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции трех типов переливных тарелок показаны на рисунке 2.

а – колпачковые (1 – основание со слоем жидкости, 2 – патрубок для прохода, 3 – колпачки, 4,5 – переливные устройства); б – из S - образных элементов (6); в – ситчатые.

Рис 2. – Схема тарелок с переливными устройствами