Сущность процессов испарения и конденсации

Общая часть

В нефтепереработке и нефтехимии широко используются процессы испарения жидкого и конденсации газообразного видов сырья.

Процесс частичного испарения жидкости или конденсации паров, проводимый для получения одного из продуктов, обогащенного НКК или ВКК, называется перегонкой. Образующийся при перегонке отгон в паровой фазе, обогащенный НКК, подвергают конденсации. Испарение жидкости или конденсацию паров можно осуществить однократным, многократным и постепенным способами.

На установках нефтепереработки процессы полного или частичного испарения нефтяной смеси (многокомпонентная сложная смесь) производят в основном однократным способом, т.к. при одной и той же конечной температуре частичное однократное испарение (ОИ) дает больше отгона, а частичная однократная конденсация (ОК) – больше конденсата, чем процессы осуществляемые многократным и постепенным способами.

Испарение – процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в парообразное (газообразное). Испарение твердых тел – процесс непосредственного перехода при нагревании твердого тела в парообразное, минуя жидкое состояние, называют возгонкой или сублимацией.

Испарение лежит в основе многих процессов нефтегазопереработки при разделении веществ (например, ректификация, перегонка, нагрев сырья в трубчатых печах, регенерация растворителей), регазификации сжиженных газов, сушке.

Испарение может происходить с поверхности жидкости и в ее объеме, последнее называют кипением. Процесс испарения интенсифицируется с повышением температуры и понижением давления. Для отрыва молекул от жидкой фазы и перехода их в паровую или газовую необходимо затратить энергию, называемую скрытой теплотой испарения. Теплота испарения по своей величине равна теплоте конденсации и зависит от температуры и давления процесса, уменьшаясь с приближением их к критическим величинам. При испарении в адиабатических условиях тепло отбирается от испаряющейся жидкости, вследствие чего происходит ее охлаждение. Испарение в закрытой емкости происходит до тех пор, пока насыщенные пары вещества не заполнят пространство над жидкостью.

Конденсация – процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое; осуществляется путем охлаждения или сжатия и охлаждения пара при температурах ниже критических для данного вещества, при этом процесс сопровождается выделением теплоты конденсации. При конденсации резко уменьшается объем среды и образуется вакуум. Это обстоятельство обусловило использование конденсаторов для создания вакуума. Конденсация применяется для: получения в жидком виде продуктов, выводимых из аппаратов в парообразном состоянии; сжижения природных, попутных газов, паров хладагентов в холодильных установках и т.п.

Процесс частичного испарения жидкости или конденсации паров, проводимый для получения одного из продуктов обогащенного НКК или высококипящим ВКК, называется перегонкой. Образующийся при этом отгон в паровой фазе, обогащенный НКК, подвергают в дальнейшем конденсации.

Испарение жидкости или конденсацию паров осуществляют различными способами: однократным, многократным и постепенным.

Однократное испарение (ОИ) и однократная конденсация (ОК). Эти процессы характеризуются тем, что образовавшиеся паровая и жидкая фазы не разделяются до окончания процесса, а при достижении конечной температуры их разделяют в один прием, однократно. При этом принимают, что образовавшиеся паровая и жидкая фазы находятся в состоянии равновесия. Примером процесса ОИ является частичное испарение жидкого сырья, поступающего в ректификационную колонну из трубчатой печи (рисунок 1а, рисунок 1б).

а) б)

а – однократное испарение (ОИ); б – однократная конденсация (ОК);

1, 1`— испарители; 2,2`,5,5` — сепараторы; 3,3`— конденсаторы; 4 —приемники.

Рисунок 1 – Схемы процессов однократного испарения (ОИ) и однократной конденсации (ОК)

Многократное испарение и многократная конденсация. Эти процессы состоят в неоднократном повторении процессов ОИ или ОК для более полного разделения исходной смеси. Так, многократное испарение состоит из повторяющегося процесса однократного испарения. Образовавшиеся при испарении пары отделяют в несколько ступеней. Причем во второй ступени осуществляется ОИ жидкой фазы, образовавшейся в первой ступени, а в третьей ступени – ОИ жидкой фазы, поступающей из второй ступени разделения, и т.д. Соответственно при многократной конденсации на последующую ступень разделения поступают пары, оставшиеся после отделения от них конденсата на предшествующей ступени разделения (рисунок 2а, рисунок 2б).

а) б)

а – многократное испарение (двукратное); б – многократная конденсация (двукратная);

1, 1`— испарители; 2,2`,5,5` — сепараторы; 3,3`— конденсаторы; 4 —приемники

Рисунок 2 – Схемы процессов многократного испарения и многократной конденсации

Постепенное испарение и постепенная конденсация. Эти процессы осуществляются так, что пары, образовавшиеся при испарении (или жидкость при конденсации), удаляются из системы непрерывно в момент их образования. Образовавшиеся в системе паровая и жидкая фазы всегда находятся в состоянии равновесия. Процессы постепенного испарения и конденсации можно рассматривать как предельный случай многократного процесса при бесконечно большом числе ступеней разделения. Примером процесса постепенного испарения является перегонка из куба периодического действия (рисунок 3а, рисунок 3б).

а) б)

а – постепенное испарение; б – постепенное конденсация;

1, 1`— испарители; 2,2`,5,5` — сепараторы; 3,3`— конденсаторы; 4 —приемники

Рисунок 3 – Схемы процессов постепенного испарения и постепенной конденсации

В промышленных установках процессы испарения и конденсации проводятся при изобарных или близких к ним условиях. На рисунке 1 приведены схемы основных видов процессов испарения и конденсации.