Файл: Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие.pdf

эффективности используемого метода, для выбора рацио­ нальной схемы и режима процесса, для оценки размеров разделительной аппаратуры и т. д.

§ 2. Методы определения коэффициента разделения

Существует несколько методов определения коэффи­ циента разделения.

1. Метод испарения небольших количеств раствора

Если в распоряжении экспериментатора имеется метод анализа, не требующий больших количеств исследуемого вещества, то коэффициент разделения можно определить наиболее простым способом: путем отгонки в равновес­ ных условиях небольшого объема пара от большого объе­ ма раствора. При этом принимается, что при испарении небольшой части раствора состав жидкой фазы практи­ чески не изменяется. Аналогично можно считать, что в процессе такого испарения не изменяется и первоначаль­ ный состав пара. Анализируя составы раствора и скон­ денсированного пара, по уравнению (П-4) или (П-5) определяется коэффициент разделения.

2. Определение коэффициента разделения на приборе однократного испарения

(на приборе в одну теоретическую ступень)

Этот метод является более точным, чем первый. Если испарить некоторое количество раствора и образующий­ ся пар привести в термодинамическое равновесие с ос­ тавшимся раствором, то, проведя анализ равновесных составов паровой и жидкой фаз, с помощью уравнения (П-4) или (П-5) можно определить величину а. Для то­ го чтобы пар находился в равновесии с жидкой фазой, испарение проводят в специальных аппаратах,- называе­ мых приборами эффективностью в одну теоретическую ступень (теоретическую тарелку). В литературе описано большое количество конструкций таких приборов. Схема одного из них приведена на рис. 7. Пар, образующий при кипении жидкости в кубе А, конденсируется в холодиль­ нике С и стекает в приемник конденсата В, откуда снова

31

(II-6), имеем

или, после разделения переменных,

Произведя в (П-8) интегрирование и определяя постоян­ ную интегрирования из условия, что х — х0<пщ N = N0, по­ лучим

вследствие испарения. Это уравнение называется форму­ лой Релея, так как впервые аналогичное соотношение было получено Релеем еще в 1896 г. при разделении сме­ си идеальных газов путем диффузии через пористую пе­ регородку. Определив концентрацию примеси в растворе

испарения. Такой процесс испарения в целом получил на­ звание релеевский дистилляции.. Максимальное значение скорости испарения, допустимое при определении a релеевской дистилляцией, молено оценить следующим обра­ зом. В случае высокого вакуума скорость испарения

вещества можно охарактеризовать уравнением Лэнгмюра:

ная. В рассматриваемом же случае релеевекой дистилля­ ции, когда жидкость испаряется в атмосфере собственно­ го пара, находящегося под давлением Р, меньшим, чем

У2nMRT

данных условиях испарения, от температуры процесса и молекулярного веса испаряемого вещества. При боль­ ших значениях а допустимое расхождение между Р* и Р может 'быть значительно больше, чем при значениях а,

риментально, путем определения зависимости величины коэффициента разделения от скорости испарения (скоро-

34

сти конденсации) (рис. 9). Рабочая скорость должна вы­ бираться в области, где дальнейшее уменьшение скоро­ сти испарения не вызывает изменения величины коэф­ фициента разделения.

Метод релеевскойдистилляции позволяет с удовле­ творительной точностью определять даже небольшие зна­ чения а. Действительно, если отношение V0/V объемов жидкости в начале и в конце испарения в уравнении (II-9) достаточно велико, то величина х/хо будет заметно отличаться от единицы даже при 'малых величинах а и может быть определена с достаточной точностью.

В том случае, когда примесью является низкокипящий компонент, определение величины а из результатов опыта целесообразно производить с помощью видоизме­

или иной выбранной системы, например, перед опытами по ректификационной очистке веществ. С другой стороны коэффициент разделения в некоторых случаях может быть определен и косвенным путем из результатов опы­ тов по ректификации. Точность таких определений обыч­ но невелика, так как она обусловлена достоверностью аналитических соотношений, характеризующих взаимо­ связь величины а с эффектом разделения, который дости­ гается в процессе ректификации в тех или иных условиях (стационарное или нестационарное состояние, отборный или безотборный режим). Методы таких косвенных опре­ делений а будут рассмотрены в разделе, посвященном ректификации.

Значительный интерес представляют также методы теоретической оценки величины коэффициента разделе­ ния, в основе которых лежат те или иные положения мо­ лекулярной теории растворов. Эти'методы в настоящее время успешно развиваются и можно ожидать, что в перспективе в ряде случаев они смогут успешно конкури- • ровать с экспериментальными 'методами.

Перейдем теперь к рассмотрению основных дистилляционных методов очистки веществ.

§3. Простая перегонка

Как метод очистки простая перегонка обычно оформ­ ляется аналогично релеевской дистилляции; релеевокая дистилляция (равновесная перегонка) представляет со­ бой по существу 'идеальный вариант простой перегонки (см. рис. 8).

Если коэффициент обогащения велик, то при испаре­ нии раствора первые порции конденсата (дистиллята) в значительной степени будут освобождены от высококипящего компонента. Этот компонент, следовательно, будет

обходимо, однако, отметить, что последний термин чаще используется как синоним другого дистилляционного ме­ тода — ректификации.

Достоинством метода простой перегонки является, как видно из рис. 8, простота его осуществления. Приме­ ром очистки рассматриваемым методом может служить дистилляция воды. Соли, содержащиеся в воде, темпера­ тура кипения которых обычно велика, в процессе дистил­ ляции будут концентрироваться в жидкости, остающейся в перегонной колбе. В дистилляте же содержание солей будет ничтожно малым.- Вследствие простоты аппаратур­ ного оформления перегонка применяется для очистки ве­ ществ с 'высокой температурой кипения: металлов, солей и т. д., когда изготовление и эксплуатация более сложной аппаратуры для осуществления других методов очисти сталкиваются со значительными трудностями. Простая перегонка иногда используется и для очистки термоне­ стойких или нестойких по отношению к воздуху веществ. В этих случаях процесс перегонки обычно проводят при пониженном давлении (перегонка под вакуумом) с целью

дистилляцией, содержание примеси в остатке в перегон­ ной колбе можно оценить по формулам (П-9) или (П-12),

36