Технические процессы низкотемпературного разделения газовых смесей

Большинство применяемых в промышленном производстве газов в чистом виде в природе не встречаются. Поэтому их получение связано с процессами разделения исходных смесей. Например:

- кислород О2, азот N2, аргон Ar, неон Ne, криптон Kr, ксенон Xe – получают из воздуха;

- водород Н2, дейтерий D2 – из технологических газов (коксового газа, синтезгаза аммиака, водяного газа);

- гелий Не, метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 – из природного или нефтяного газа;

- углекислый газ СО2 – из дымовых газов и т.д.

Все методы разделения этих газов основаны на использовании тех или иных отличий в свойствах входящих компонентов.

Основным промышленным методом разделения является конденсационно-испарительный метод. Он основан на использовании различия в составах равновесных паровой и жидкой фаз смеси. Как правило, это метод низкотемпературной ректификации, так как большинство приведенных выше веществ являются криоагентами (Ts < 120 К). В любом случае, нормальная температура кипения этих веществ Ts ниже температуры окружающей среды Т о.с (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1. Шкала температур кипения газов

(из состава воздуха) при нормальном давлении Р = 0,1 МПа

Этот метод, как уже указывалось, требует предварительного сжижения исходных газов.

В первом приближении жидкий воздух можно рассматривать как бинарную смесь – азот-кислород (так как содержание других газов мало). Азот и кислород взаиморастворимы в любых соотношениях, что соответствует свойствам бинарных смесей.

Бинарные смеси имеют две особенности:

1. У простого вещества температура кипения постоянна при данном давлении. В отличие от него, температура кипения бинарной смеси будет зависеть еще и от ее состава. Чем больше в ней вещества с более низкой температурой кипения, тем ниже и температура кипения смеси.

Та же закономерность и для процессов конденсации.

2. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью (равновесный пар), всегда содержит больше вещества с более низкой температурой кипения (легко кипящей жидкости). Это так называемый закон Коновалова.

Отобразим некоторые процессы, протекающие в бинарной смеси, на x, Т -диаграмме (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Т, x-диаграмма зависимости температур кипения и конденсации бинарного вещества от его концентрации

Пусть у нас имеется смесь двух веществ А и К (азот и кислород). По оси ординат диаграммы отложены температуры кипения веществ при Р = 0,1 МПа; Т а – температура кипения азота (77,4 К); Т к – температура кипения кислорода (90,18 К). По оси абсцисс отложена объемная концентрация вещества А в смеси – xа. Легкокипящей жидкостью смеси является вещество А.

Нижняя кривая (линия кипения) относится к составу жидкости. Верхняя кривая (линия конденсации) – к составу сухого насыщенного пара. Между ними находится область влажного пара.

Возьмем какой-то объем жидкости, находящейся в состоянии точки 1: температура – Т 1; концентрации веществ – xа = 0,25 и, следовательно, xк = 0,75.

Если эту жидкость нагревать, то кипение наступит в точке 2, т.е. при температуре Т 2. Состав насыщенных паров при этом будет соответствовать точке 2". При дальнейшем нагреве смеси (Т 3 и Т 4) количество жидкости будет уменьшаться, а состав ее будет соответствовать точкам 3' и 4'. Количество пара будет увеличивается и его состав будет соответствовать точкам 3" и 4". В точке 5 вся жидкость превратится в пар исходного состава жидкости.

Этим свойством смесей можно воспользоваться для их разделения. Для этого надо только отводить продукты испарения (или конденсации). Такой процесс называют фракционированным испарением (или конденсацией).

Недостаток способа: разделение не полное, нельзя получить чистые продукты. Используется он лишь для обогащения смеси одним компонентом.

Давление влияет на температуру кипения смесей так же, как и на температуру кипения отдельных компонентов: с увеличением давления она возрастает. Но расстояние между кривыми кипения и конденсации при этом уменьшается (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Диаграммы зависимостей температур кипения и конденсации бинарной смеси от давления

На диаграмме продемонстрированы процессы фракционированного испарения (конденсации) смеси, протекающие при различных давлениях. Здесь x0 – начальная концентрация бинарного раствора; x1, x2, x3 – концентрации равновесных паров над кипящей (конденсирующейся) жидкостью при давлениях среды соответственно 0,1; 1,0; 2,0 МПа; при этом x3< x2< x1.

Видно, что для улучшения процесса обогащения целесообразнее использовать более низкие давления.