Простая перегонка

Лекция №14

К простой перегонке относится дистилляция.

Дистилляцией называют перегонку смеси с полной конденсацией полученных паров. Дистилляция может проводиться в установках непрерывного и периодического действия.

Простую перегонку можно проводить при атмосферном давлении или под вакуумом (для снижения температуры перегонки).

Для получения нужных фракций (или разгонного состава дистиллята) применяют фракционную, или дробную, перегонку (рис. 3.8, а).

Исходную смесь загружают в куб 1, имеющий змеевик для нагревания и кипячения этой смеси. Образующиеся пары конденсируются в теплообменнике – конденсаторе 2, дистиллят в нем же охлаждается до заданной температуры и поступает в один из сборников 3. После окончания процесса перегонки остаток сливают из куба 1 и вновь загружают в него исходную смесь.

Рис. 3.8. Схема установок для простой перегоноки (а) и перегонки с дефлегмацией (б): 1 – кубы – кипятильники; 2 – конденсаторы – холодильники; 3 – сборники; 4 – дефлегматор

При простой перегонке образующийся пар отводится из аппарата и в каждый данный момент времени находится в равновесии с оставшейся жидкостью (что принимается при анализе этого процесса). Для составления материального баланса простой перегонки полагаем, что количество жидкости в некоторый момент времени равно L, а ее состав x (по НК) и (в паре над жидкостью). Тогда состав пара над жидкостью можно выразить как функцию состава жидкости . За бесконечно малый промежуток времени количество жидкости и состав ее изменяются и составляют соответственно и . Количество образующегося за этот промежуток времени пара равно уменьшению количества жидкости dL, а его состав является равновесным с x. Содержание НК в жидкости к началу рассматриваемого промежутка времени составляет Lx, а к концу – . Количество НК, перешедшего в пар за это время – . Таким образом, уравнение материального баланса по НК за это время

. (3.6)

Величиной dLdx как бесконечно малой величиной второго порядка можно пренебречь. Тогда уравнение (3.6) после соответствующих преобразований принимает следующий вид:

Проинтегрировав это уравнение в пределах от до и от L = F (т.е. начальное количество разделяемой смеси) до L = W (конечное количество этой смеси), получим

(3.7)

В уравнении (3.7) функция выражается кривой равновесия, которая является специфической для каждой системы жидкости – пар. Поэтому уравнение (3.7) обычно решают графически – построением зависимости . С помощью диаграммы y – x для ряда значений x в интервале от до находят равные величины и с учетом масштаба диаграммы (рис. 3.9) определяют значение интеграла в уравнении (3.7).

Количество получаемого дистиллята P = F – W. Количество получаемого кубового остатка W определяют из уравнения (3.7) и рис. 3.9, зная массу исходной смеси F, ее состав x_F и заданный состав кубового остатка x_W.

Рис. 3.9. К определению количества кубового остатка при простой перегонке

Средний состав получаемого дистиллята x _ср определяют из уравнения материального баланса по НК:

,

откуда

При расчете простой перегонки обычно определяют количество и средний состав дистиллята, состав кубового остатка. Степень разделения компонентов в условиях простой перегонки может быть повышена применением дефлегмации (см. рис. 3.8, б).

В этом случае пары из куба 1 поступают в дефлегматор 4, где они частично конденсируются. При этом конденсируются преимущественно ВК, а пары обогащаются НК. Полученный в дефлегматоре конденсат, или флегма, возвращается в перегонный аппарат (куб) и подвергается многократному испарению.

На рис. 3.10 представлена схема двухступенчатой дистилляционной установки непрерывного действия [1].

Бинарная взаимно растворимая смесь поступает в подогреватель 1 с параметрами, соответствующими точке А, и подогревается до состояния кипения, соответствующего точке В. В дистилляционном аппарате 2 получаются пары смеси, соответствующие точке С. Далее пары с концентрацией x ₂ поступают в конденсатор 3. Конденсация паров бинарной смеси протекает при , но с понижением ее температуры от t ₁ до t ₂. После этого дистиллят поступает во вторую ступень дистилляционной установки, аппарат 4; во второй ступени получаются пары с более высокой концентрацией ( > ). Из аппарата второй ступени пары поступают в дефлегматор 5.

Рис. 3.10. Схема двухступенчатой дистилляционной установки

с дефлегмацией и сепарацией паров во второй ступени

и ее процесс на t, x -диаграмме

В дефлегматоре происходит частичная конденсация паров (линия ЕF), и получается влажный пар, соответствующий точке F. Влажный пар является смесью сухого пара с концентрацией, соответствующей точке L, и жидкости с концентрацией, соответствующей точке K. Затем влажный пар поступает в сепаратор 6, в сепараторе от пара отделяется жидкость. Жидкость с концентрацией x ₄ < x ₃ поступает в дистилляционный бак 8, а пары с концентрацией x ₅ > x ₃ направляются в конденсатор 7, где превращаются в дистиллят M, и из него поступают в бак готового продукта 9.

В случае, когда дистилляция происходит в установке периодического действия, содержание летучего компонента в дистилляционном кубе 2 (рис. 3.10) постепенно уменьшается, причем дальнейшая перегонка как в кипящей жидкости, так и в получаемых из нее парах идет при переменной увеличивающейся температуре. Содержание низкокипящего компонента в жидкости в начале кипения и в последующие моменты времени определяется на кривой кипения точками и т.д.; соответственно содержание этого компонента в парах определяется точками и т.д. на линии конденсации.

Содержание летучего компонента в парах, все время уменьшаясь, становится равным его первоначальному содержанию в кипящей жидкости, а затем становится еще меньше (точка ), с этого момента дальнейшая перегонка смеси становится нецелесообразной.

Перегонка с водяным паром [1]

Когда смешаны две взаимонерастворимые жидкости, то каждая из них полностью сохраняет свои свойства. Такая смесь легко может быть разделена на составные части отстаиванием. В этом случае парциальное давление каждого компонента не зависит от его содержания в смеси и равно давлению паров чистого компонента при той же температуре, т.е. температура кипения не зависит от соотношения компонентов:

Температура кипения такой смеси всегда ниже температуры кипения чистых компонентов, что используется для перегонки с паром нерастворимых в воде жидкостей. Эта температура постоянна независимо от состава жидкой смеси, пока в жидкости присутствуют хотя бы следы второго компонента. По исчезновении его температура возрастает скачкообразно до температуры кипения компонента, оставшегося в жидкой фазе. До этого момента в 1 м³ пара над смесью содержится такое количество каждого компонента, какое заключалось бы в нем, если бы каждый из компонентов находился порознь при той же температуре.

Если в жидкость, не смешивающуюся с водой, добавить воду, температура кипения такой смеси при атмосферном давлении будет ниже 100 °С. Действительно, так как при одной и той же температуре , то при нормальном давлении < Р, т.е. P_B < P _норм, а насыщенному водяному пару давлением меньше P _норм соответствует температура ниже 100 °С. Эти же соотношения сохраняются и при любом другом давлении. Обычно температуру кипения определяют по кривым давления паров. Перегонку с водяным паром ведут обычно в кубах 1, снабженных паровой рубашкой, и барботером для ввода острого пара (рис. 3.11).

Расход пара на перегонку G_B определяется (теоретически) из соотношений

;

тогда, поскольку температура постоянна, постоянны и давления насыщенных паров:

Рис. 3.11. Схема установки для перегонки с водяным паром:

1 – куб; 2 – конденсатор; 3 – отстойник

Иногда по аналогичному принципу проводят перегонку с инертным газом (азот, диоксид углерода и т.д.), которая позволяет снизить температуру процесса. Но перегонка с инертным газом более сложна, ведет к резкому снижению коэффициента теплоотдачи в конденсаторе, сопровождается большим уносом очищаемого компонента с инертным газом.

Молекулярная дистилляция

Обычно молекулярную дистилляцию применяют для разделения нетермостойких смесей, температура кипения которых достаточно высока. Процесс проводят при температуре ниже точки кипения разделяемой смеси под глубоким вакуумом (остаточное давление порядка 10²–10³ Па). При таких условиях плотность пара резко снижается, а длина свободного пробега молекул существенно увеличивается. Если на небольшом расстоянии от поверхности испарения жидкости, меньшем длины свободного пробега молекул (20–30 мм), установлена охлаждаемая стенка, то легко отрывающиеся от поверхности испарения молекулы НК попадают на эту стенку и конденсируются на ней.

При этом равновесие между жидкостью и паром не устанавливается, так как образовавшиеся пары сразу удаляются с поверхности жидкости. Образовавшийся конденсат (рис. 3.12) – дистиллят удаляется из аппарата через штуцер 5, а кубовый остаток – с помощью воронки 4.

Процесс молекулярной дистилляции дорогостоящий, поэтому его применяют для разделения небольших количеств высокоценных веществ: витаминов, аминокислот, гормонов и т.п.

Рис. 3.12. Схема устройства одноступенчатого аппарата для молекулярной дистилляции: 1 – испаритель; 2 – конденсатор; 3 – рубашка; 4, 5 – выводы соответственно кубового остатка и дистиллята; 6 – распределитель пленки исходной смеси; 7 – нагреватель испарителя

РЕКТИФИКАЦИЯ

Сущность и принципы ректификации

Рассмотренными методами простой дистилляции жидкая смесь, как было показано, поддается разделению на множество фракций различного состава, но не может быть разделена на индивидуальные компоненты. Впрочем, если дистиллят, полученный в процессе простой дистилляции, подвергнуть вторично простой дистилляции, вновь образовавшийся дистиллят опять подвергнуть той же обработке и т.д., то после некоторого числа таких операций можно получить маленькое количество практически чистого низкокипящего компонента. Этим же путем можно получить также небольшое количество практически чистого высококипящего компонента. Помимо низкого выхода практически чистых компонентов и необходимости установки большого числа дистилляционных кубов и конденсаторов, осуществление описанного процесса потребовало бы значительного расхода теплоты и холода на многократное частичное испарение жидкостей и конденсацию паров.

Гораздо проще и со значительно меньшими расходами теплоты и холода бинарная жидкая смесь может быть полностью разделена на практически чистые низкокипящий (А) и высококипящий (В) компоненты по схеме, представленной на рис. 3.13, а. Представим себе ряд террасно расположенных и теплоизолированных дистилляционных кубов, из которых самый нижний, снабженный поверхностью нагрева, наполнен исходной бинарной жидкой смесью. При частичном испарении последней образующиеся пары равновесного состава поднимутся в дефлегматор, оттуда флегма будет стекать в верхний дистилляционный куб.

Исходную смесь, естественно, вводят в тот промежуточный дистилляционный куб, где содержится жидкая смесь того же состава.

Температура кипения бинарной жидкой смеси взаимно растворимых компонентов падает с ростом концентрации низкокипящего компонента В результате выходящий из колонны пар состоит почти целиком из НК.

Рис. 3.13. Ректификация бинарной жидкой смеси: а – схема процессов:

1–4 – дистилляционные кубы; 5 – поверхность нагрева; 6 – дефлегматор; 7–10 – паровые потоки; 11–14 – перетоки жидкости; 15 – отвод дистиллята (целевого продукта); 16 – возврат части дистиллята обратно в первый куб; 17 – отвод кубового остатка; 18 – приток исходной смеси; 19–20 – вход и выход охлаждающей воды; б – диаграмма t – x, y процесса: 1–4 – теоретические тарелки; А – линия кипения;

В – линия конденсации

Пар конденсируют в специальном теплообменнике – конденсаторе или дефлегматоре 6 (рис. 3.13). Часть этого конденсата в виде флегмы идет на орошение колонны, другая часть – дистиллят или ректификат – отбирают как готовый продукт. Жидкость, выходящую из нижней части колонны, называют кубовым остатком. Для образования восходящих потоков паров устанавливается кипятильник 4, в котором происходит испарение части кубового остатка. Благодаря такому совмещению процессов конденсации и испарения отпадает надобность в конденсаторах и испарителях при каждом кубе; вся система обслуживается одним дефлегматором (конденсатором) (после верхнего куба) и одним испарителем (в самом нижнем кубе).

В идеальном случае температуры жидкости и пара при их контакте в каждом кубе выравниваются, составы обеих фаз становятся равновесными, низкокипящий компонент (более летучий) диффундирует из жидкости в пар, а высококипящий – из пара в жидкость. Такой однократный контакт пара и жидкости, завершающийся достижением фазового равновесия, называется равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. В примере (рис. 3.13) число теоретических тарелок равно числу последовательно соединенных дистилляционных кубов. На рис. 3.13, б изображены в диаграмме t – x, y изотермы, соответствующие отдельным теоретическим тарелкам. Рассмотренный процесс разделения жидкой смеси называется ректификацией.

В технике каскад отдельных дистилляционных кубов заменяется барботажными, насадочными и пленочными колоннами. Для осуществления процесса ректификации колонны снабжаются внутренними или выносными дистилляционными кубами и конденсаторами (дефлегматорами).

Схема ректификационной установки непрерывного действия с простой колонной представлена на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Схема ректификационной установки непрерывного действия: 1 – емкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – колонна;

4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы;

7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка

Ректификационная колонна 3 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 4. Пары проходят через слой жидкости на тарелках снизу вверх и конденсируются в дефлегматоре 5. Получаемая жидкость разделяется на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. С помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Дистиллят охлаждается в холодильнике 7 и отводится в сборник верхнего продукта. Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК – низкокипящий компонент.

Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается высококипящим компонентом (ВК), конденсирующимся из пара.

Часть жидкости поступает в кипятильник 4, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителями, а другая часть отводится из колонны в виде кубового остатка (нижнего продукта). В качестве хладагентов в дефлегматоре и холодильнике 7, кроме воды, могут использоваться и другие хладагенты. Например, при низкотемпературной ректификации – сжиженный этилен.

Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 3, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания, или питательной тарелкой. Положение тарелки питания или ввода исходной смеси специально рассчитывается. Тарелка питания делит колонну на две части: верхнюю – укрепляющую и нижнюю – исчерпывающую. В укрепляющей части происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящих компонентом, а в исчерпывающей – удаление НК.

Дата добавления: 2014-01-20