ПиАХТ(Папка- процессы и аппараты) -Калекин В

4.3.2. Простая перегонка

К простой перегонке следует отнести фракционную перегонку, перегонку в токе носителя (с водяным паром или инертным газом) и молекулярную перегонку.

Фракционная перегонкапроводится периодически (рис. 4.32). Смесь загружают в куб 1, обогреваемый паром (дымовыми газами) через змеевик или рубашку.

Рис. 4.32. Схема установки для фракционной перегонки:

1 – перегонный куб;

2 – онденсатор-холодильник;

3 – сборники фракций дистиллята

После нагрева смеси до температуры кипения образующие пары отводятся из куба, конденсируются в теплообменнике 2. Конденсат собирается в сборники 3. По окончании операции остаток удаляется из куба.

По мере испарения смеси содержание летучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается. В начале процесса это содержание максимальное, в конце – минимальное. Это позволяет в случае необходимости получать несколько фракций дистиллятов различного состава, отводя их в разные сборники, поэтому перегонка называется фракционной. Перегонка может проводиться при атмосферном давлении или под вакуумом.

В процессе перегонки образующийся пар отводится из аппарата и в каждый момент времени находится в равновесии с оставшейся жидкостью.

Пусть в некоторый момент времени количество жидкости в аппарате равно , а ее состав. За бесконечно малый промежуток времени количество жидкости и ее состав меняются и составляют соответственно () и. Количество образующего за этот промежуток времени пара равно уменьшению количества жидкости, а ее состав^*является равновесным с. Содержание летучего компонента в жидкости к началу рассматриваемого промежутка времени составляет, а к концу –. Количество же летучего компонента, перешедшего за этот промежуток времени в пар, равно. Таким образом, уравнение материального баланса по летучему компоненту за рассматриваемый промежуток времени может быть записано следующим образом:

Раскрывая скобки и пренебрегая членом , можно получить

или.

Пределы интегрирования для левой части – количество начальной смеси и– количество остатка, для правой концентрации –и.

В результате интегрирования

. (4.43)

Вид функции определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения (4.43) выполняют графически – путем построения зависимостиотв пределах отдои определением площади под кривой (так же как и при расчете ЧЕП).

Затем по уравнению (4.43), зная количество исходной смеси , вычисляют количество остаткаи количество перегнанной жидкости.

Средний состав полученного дистиллята рассчитывают из материального баланса по низкокипящему компоненту

Конечной целью расчета простой перегонки является определение количества жидкости, которое необходимо перегнать для того, чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава.

Простую перегонку проводят при атмосферном давлении или под вакуумом, присоединяя сборники дистиллята к источнику вакуума. Применение вакуума дает возможность разделять термически малостойкие смеси и в связи со снижением температуры кипения раствора использовать для обогрева куба пар более низких параметров.

Простая перегонка с дефлегмацией. Степень разделения компонентов в условиях простой перегонки может быть повышена применением дефлегмации (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Схема установки

для простой перегонки

с дефлегмацией:

1 – перегонный куб;

2 – дефлегматор;

3 – конденсатор-холодильник;

4 – сборники

В этом случае пары, выходящие из куба 1, поступают в дефлегматор 2, в котором они конденсируются не полностью, а частично. При частичной конденсации в жидкость переходит наименее летучий компонент, а пары обогащаются летучим компонентом. Получаемый в дефлегматоре конденсат или флегма возвращается в перегонный аппарат и подвергается многократному испарению.

Перегонка в токе водяного пара. Понижение температуры кипения разделяемой смеси может быть достигнуто не только под вакуумом, но и путем ведения в разделяемую смесь дополнительного компонента – водяного пара. В этом процессе отгоняемый компонент получают обычно в виде смеси с водой при температуре кипения, меньшей в условиях атмосферного давления, чем температура кипения воды.

Технологическая схема процесса приведена на рис. 4.34. Исходную смесь загружают в куб 1, где ее нагревают греющим паром до температуры перегонки. Затем через смесь пропускают острый пар, взаимодействующий с компонентами смеси.

Образующаяся в результате взаимодействия паровая смесь поступает в конденсатор 2 и далее в сепаратор 3. В этом аппарате нерастворимые друг в друге жидкости расслаиваются и стекают в соответствующие сборники.

Соотношение между количествами введенного водяного пара и отогнанного компонента может быть выражено следующим образом. Согласно закону Дальтона мольные доли компонента и воды

отсюда

или,

где – молекулярные массы компонента и воды соответственно.

Рис. 4.34. Схема установки

для перегонки с водяным паром:

1 – куб с паровой рубашкой;

2 – конденсатор; 3 – сепаратор

Перегонка в токе с инертным газом. При перегонке смесей вместо водяного пара иногда применяют инертные газы – азот, двуокись углерода и др. Перегонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет значительно снизить температуру испарения разделяемой смеси. При перегонке в токе водяного пара снижение температуры испарения разделяемой смеси ограничено температурой его конденсации.

Молекулярная перегонка. Применяют для разделения компонентов, кипящих при высоких температурах и не обладающих необходимой термической стойкостью.

Этот процесс проводят под глубоким вакуумом, соответствующим остаточному давлению 10^-3–10^-4мм рт. ст. Процесс молекулярной дистилляции протекает путем испарения жидкости с ее поверхности при отсутствии кипения. Поэтому молекулярная дистилляция, в отличие от других способов перегонки, не характеризуется некоторыми постоянными температурой и давлением. При таком вакууме молекулы легко преодолевают силы взаимного притяжения, а длина свободного пробега их резко возрастает.

Если расстояние между поверхностями испарения и конденсации меньше длины свободного пробега молекул, то отрывающиеся от поверхности испарения молекулы летучего компонента непосредственно попадают на поверхность конденсации и улавливаются на ней. Расстояние между поверхностями испарения и конденсации составляет обычно 20–30 мм, а разность температур между ними порядка 100 ºС.

Разделяющий эффект молекулярной дистилляции определяется не отношением давлений насыщенного пара компонентов смеси, или относительной летучестью, а отношением скоростей испарения компонентов смеси, или коэффициентом разделения.

Скорость испарения любого компонента идеального раствора согласно молекулярно-кинетической теории газов пропорциональна его мольной доле в растворе:

где ,– давление насыщенного пара, молекулярный вес чистого компонента и температура кипения смеси соответственно.

Для бинарной смеси коэффициент разделения

Отсюда следует, что степень разделения при молекулярной дистилляции больше, чем при равновесной в раз.

Для молекулярной дистилляции применяются пленочные аппараты различных конструкций, приведенные в специальной технической литературе. На рис. 4.35 показана схема аппарата для молекулярной перегонки.

Рис. 4.35. Схема аппарата для молекулярной перегонки:

1 – обогреваемый цилиндр; 2 – охлаждаемый цилиндр;

3 – рубашка; 4 – воронка

Цилиндр 1 имеет внутри спираль для электронагрева и является испарителем. Цилиндр 2 является конденсатором и снабжен рубашкой 3, в которой движется охлаждающий агент. Исходная смесь вводится через патрубок в воронку 4 и стекает пленкой по наружной поверхности испарителя. Остаток и дистиллят, собирающийся на внутренней поверхности конденсатора, удаляются через патрубки в нижней части аппарата. В кольцевом пространстве между испарителем и конденсатором вакуум-насосом поддерживается требуемый вакуум.

Молекулярная дистилляция является относительно дорогим способом разделения. Ее применяют в производствах пластмасс, масел и смазок, жирных кислот, эфиров и др.

Содержание