» » Теория процессов конденсации
15.05.2015

Охлаждение перегретого пара при постоянном давлении делает его насыщенным, после чего должен идти процесс конденсации при постоянных температурах и давлении до полного перехода пара в жидкость (рис. 21). Если при давлении рI температура ниже температуры кипения при этом давлении, то устойчивой фазой является жидкая фаза, а если выше этой температуры — перегретый пар. Если изобара процесса охлаждения пересекает кривую сублимации (на рисунке не показана), то вместо жидкости при конденсации получаются кристаллы. Однако реальный процесс конденсации протекает сложнее вследствие того, что конденсация пара при температуре Тк начинается только при наличии плоской поверхности продукта конденсации — жидкости, с которой пар давлением Р1 находится в равновесии при температуре кипения этой жидкости. В перегретом паре нет жидкой фазы, так как ее присутствие не позволило бы перегреть пар, следовательно, перед конденсацией должна появиться жидкая фаза — она должна образоваться из пара. Жидкая фаза из пара образуется самопроизвольно только после значительного переохлаждения пара (пересыщенного пара) в виде мельчайших капелек, образующих туман.
Теория процессов конденсации

Объясняется это тем, что давление пара, равновесного с жидкой фазой, зависит от кривизны поверхности раздела фаз, т. е. от размеров частиц жидкой фазы; чем меньше размер капель, тем больше равновесное давление сосуществующего с каплями пара. Повышение давления пара связано с существованием сил поверхностного натяжения жидкой фазы и выражается следующей формулой:
Теория процессов конденсации

Заметное повышение давления наблюдается для очень малых капель; для воды при r = 10в-5 мм Δр = 0,1 рo, а при r = 10в-6 мм Δp = 1,0 рo. Так как вначале, очевидно, должны появиться самые малые капли — зародыши жидкой фазы, то для их появления необходимо сильно превысить давление насыщенного пара при температуре начала конденсации, т. е. пар должен быть сильно охлажден (пересыщен), прежде чем начнется конденсация. Как только появятся зародыши жидкой фазы, они быстро растут в размерах за счет конденсации пара. Пересыщение уменьшается вследствие роста капель, а охлажденный пар нагревается за счет выделения скрытой теплоты парообразования до температуры насыщенного пара Тк, соответствующей давлению в системе ро. При этой температуре и завершается процесс конденсации. На рис. 22 графически изображен ход процесса конденсации перегретого пара от точки а с координатами P1, Т1 и кривая охлаждения системы.
В практике при процессе конденсации газовой фазы, состоящей только из паров перегоняющегося вещества, пар попадает в конденсатор, стенки которого смочены жидким конденсатом, так что процесс конденсации начинается в присутствии жидкой фазы и идет при постоянной температуре без переохлаждения до полной конденсации пара. Процесс конденсации идет непрерывно по мере поступления пара из кипятильника. Необходимо только обеспечить достаточно быстрый отвод тепла, выделяющегося при конденсации пара, путем интенсивного охлаждения конденсатора, иначе часть несконденсировавшегося пара будет выталкиваться из конденсатора в атмосферу и теряться.
Гораздо сложнее осуществляется процесс конденсации паров, сметанных с большим количеством газов, неконденсирующихся в условиях процесса. С такими системами большей частью и приходится иметь дело в металлургии. Например, при получении цинка пирометаллургическим путем конденсации подвергают газовую смесь, состоящую наполовину из паров цинка и наполовину из окиси углерода.
Теория процессов конденсации

Цинк из такой смеси уже не конденсируется при постоянной температуре, так как по мере конденсации паров, разбавленных газом, их парциальное давление уменьшается, что требует дальнейшего понижения температуры для осуществления конденсации. Идеальное течение процесса конденсации паров, смешанных с неконденсирующимся газом (если пренебречь явлениями переохлаждения), представлено на рис. 23. Смесь перегретого пара с начальным парциальным давлением Рп.н и газа с начальным парциальным давлением Рг.н имеющая общее давление Робщ. остающееся неизменным во время процесса, текущего при постоянном давлениипоступает в конденсатор с температурой Тисх где охлаждается до конечной температуры (конца конденсации) Тк.к и при этой температуре несконденсировавшийся остаток газообразных веществ, сохраняя постоянным общее давление Робщ, уходит из конденсатора. Конденсация перегретого пара может начаться только после охлаждения его до точки росы, начала конденсации Тн.к, когда этот пар станет насыщенным. До точки росы парциальное давление перегретого пара будет сохраняться постоянным, так же как парциальное давление сопутствующих ему неконденсирующихся газов и общее давление смеси. При понижении температуры парциальное давление паров, начиная от точки росы, будет понижаться, пары будут оставаться насыщенными парами, а часть вещества паров будет переходить в конденсированное состояние и оседать в конденсаторе. Парциальное давление неконденсирующихся газов будет повышаться так, что общее давление смеси газа и несконденсировавшегося пара будет оставаться неизменным (например, равным атмосферному). Если конденсация заканчивается при температуре Тк.к и при этой температуре газообразный остаток покидает конденсатор, то парциальное давление паров в этом остатке будет составлять рп.к, равное упругости пара при температуре конца конденсации Тк.к, а парциальное давление неконденсирующихся газов будет равно разности между общим давлением Робщ и парциальным давлением несконденсировавшихся паров.
Особенностью процесса конденсации паров в смеси с неконденсирующимися газами является потеря вещества вследствие неполноты его конденсации, так как некоторое количество паров будет уходить вместе с газами из конденсатора, т. е. теряться.
Газы, выходящие из конденсатора, уносят насыщенный пар, давление которого определяется температурой конца конденсации: очевидно, чем выше температура конца конденсации, тем больше упругость несконденсировавшихся паров и тем больше потери от неполноты конденсации.
Величина этих потерь вычисляется по следующей формуле: потери от неполноты конденсации
Теория процессов конденсации

Из формулы следует, что потери от неполноты конденсации растут с увеличением рп.к, т. е. с ростом температуры конца конденсации. Потери также увеличиваются с уменьшением величин Рп.н, т. е. с разбавлением паров постоянными газами. Поэтому всегда следует стремиться к минимальному разбавлению паров газами: при отсутствии примеси газов к парам потери от неполноты конденсации вообще не должны иметь места.
Формула (III, 11) для потерь от неполноты конденсации является точной формулой. При малых значениях начального давления паров Рп.н формула может быть упрощена, полагая
Pобщ - Рп.н ≈ Pобщ - Рп.к ≈ Pобщ.

что приведет к следующему выражению для величины потерь от неполноты конденсации
Теория процессов конденсации

Подчеркиваем, что пользование приближенной формулой допустимо только при малых рп.п в сравнении с Pобщ. Использование этой формулы при больших Рп.н дает повышенное значение величины потерь от неполноты конденсации. Также следует отметить, что эти формулы дают только потерю вещества в виде несконденсировавшегося пара. Потери, связанные с уносом мелких капель или кристаллов пыли газовым потоком, покидающим конденсатор, этими формулами не учитываются.
Обращаясь к рис. 23, заметим, что если температура конца конденсации лежит ниже точки плавления извлекаемого вещества, то, по крайней мере, часть вещества будет получаться в конденсаторе в твердом виде. Обычно эта пыль является более или менее тонкой. Твердые частицы плохо осаждаются и легко выносятся из конденсатора газовым потоком. Если конденсация должна быть закончена при температуре существования твердой фазы, то выходящие из конденсатора газы следует подвергать специальной обработке методами пылеулавливания для уменьшения потерь от уноса пыли.
Обычно, сильно разбавленные пары, как будет показано ниже, всегда конденсируются с образованием твердой пыли, так что очистка газов от пыли в этих случаях является обязательной операцией.
Пары, сильно разбавленные газом, вследствие отсутствия контакта с конденсированной фазой, переохлаждаются до температур ниже точки плавления конденсированной фазы. Затем появляются зародыши твердой фазы, и в их присутствии быстро растут кристаллы конденсата. В этом случае выделяющаяся скрытая теплота конденсации не может нагреть пары, так как с ними вместе должна нагреваться масса сопутствующего газа. Этот большой балласт поглощает все небольшое количество выделяющегося тепла, так что повышение температуры слишком мало, чтобы заметно нагреть всю массу газовой фазы. Конденсация идет только с образованием топкой кристаллической пыли, которая с трудом осаждается в конденсаторе и большей частью выносится газовым потоком наружу.
На практике, если процесс конденсации может протекать с получением жидкой фазы, температуру конденсатора поддерживают более высокой, чем температура плавления конденсирующегося вещества. Тогда в конденсаторе получится только жидкая фаза, и не образуется твердой фазы, которую затруднительно удалять из конденсатора. Выходящую из конденсатора смесь газов и паров далее подвергают как можно более быстрому охлаждению, чтобы воспрепятствовать получению жидкой фазы и получить только твердую пыль, которая будет собрана в стоящих далее пылеуловителях.
Если исходная смесь газов и паров может дать только небольшое количество жидкой фазы, а главная масса вещества получится в виде твердой фазы, то целесообразно охлаждать смесь возможно быстрее при больших скоростях газового потока, избегая образования жидкой фазы. В этом случае вся масса конденсирующегося вещества получится в форме кристаллической пыли, собираемой в пылеуловителях.