Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

б) Состав равновесных фаз

Чтобы рассчитать процесс перегонки, нужно знать состав жидкой и паровой фаз, находящихся в равновесии. Для .опреде­ ления числа степеней свободы двухкомпонентной смеси, состоя­ щей из жидкой и паровой фаз, воспользуемся правилом фаз:

где 5 — число степеней свободы; f — число фаз, равное 2;

К — число компонентов, равное 2.

Таким образом, из трех параметров, определяющих состоя­ ние системы (температура, давление, концентрация), могут быть произвольно выбраны два. Если, например, выбрать давление и температуру, то состав системы, т. е. концентрация компонентов в жидкой и паровой фазах, будет определенной.

Состав равновесных фаз бинарных систем изучался Д. П. Ко­ новаловым, который сформулировал два основных закона.

Первый закон Коновалова определяет качественный состав

г о в о р я , п а р о б о г а щ а е т с я т е м к о м п о н е н т о м , п р и ­

Рассмотрим систему этиловый спирт — вода. Прибавление к жидкой фазе спирта снижает температуру кипения. Следова­ тельно, согласно первому закону Коновалова при кипении такого раствора паровая фаза будет обогащаться парами спирта. Когда кривая давлений (см. рис. 191) не имеет максимума или мини­ мума, это положение будет справедливым для любого состава жидкой фазы.

Для растворов, кривая давления которых имеет максимум или минимум, существует состав жидкой фазы, при котором вы­ деляющиеся пары имеют тот же состав, что и жидкая фаза. Та­ кая смесь называется нераздельнокипящей или азеотропной. Для установления состава этой смеси служит второй закон Коновалова: «В э к с т р е м у м а х д а в л е н и й п а р а ( или т о ч е к к и п е н и я ) с м е с е й с о с т а в ы ж и д к о й и п а р о ­ вой ф а з с о в п а д а ю т » .

Этот закон устанавливает, что если на кривой p — f(x) имеет­ ся точка перегиба (см. рис. 191), то в этой точке концентрации компонентов в обеих фазах будут одинаковы. Система этиловый спирт — вода относится к этой группе смесей. В этой системе при нормальном давлении, концентрации спирта в жидкой фазе 95,57% масс, пар будет содержать также 95,57% масс, этилового спирта. Это будет азеотропная смесь спирта и воды при нормаль­ ном давлении.

310

Количественные соотношения состава равновесных фаз мно­ гих бинарных смесей хорошо изучены. Для всех растворов, кро­ ме идеальных, эти соотношения определяют экспериментальным путем. На основании экспериментов составляют таблицы равно­ весия. Такая таблица для системы этиловый спирт — вода при нормальном давлении дана в Приложении X. По данным этой.

но, в парах содержится больше спирта, чем в жидкости. Но в

соответствии со вторым законом Коновалова кривая пересекает диагональ в точке, соответствующей составу азеотропной смеси. При нормальном давлении эта точка соответствует температуре кипения 78,15° С. При том же давлении температура кипения во­ ды будет равна 100° С, а температура кипения этилового спирта 78,3° С. Следовательно, азеотропная смесь кипит при минималь­ ной температуре.

При изменении давления в рассматриваемой системе происхо­ дит сдвиг равновесия. Состав равновесной паровой фазы изме­ няется. М. С. Вревский установил два закона, определяющих ха­ рактер этого изменения.

1. П ри п о в ы ш е н и и т е м п е р а т у р ы к и п е н и я ( или д а в л е н и я ) д в у х к о м п о н е н т н о й с м е с и в п а р а х в о з р а с т а е т от о с и т е л ь н о е с о д е р ж а н и е т о г о к о м ­

2. П р и п о в ы ш е н и и т е м п е р а т у р ы ( д а в л е н и я ) р а с т в о р о в , у п р у г о с т ь п а р а к о т о р ы х и м е е т м а к ­ с и м у м , в н е р а з д е л ь н о к и п я щ е й с м е с и в о з р а с т а ­ е т о т н о с и т е л ь н о е с о д е р ж а н и е т о г о к о м п о н е н ­ та, и с п а р е н и е к о т о р о г о т р е б у е т б о л ь ш е й з а т р а ­ т ы э н е р г и и . П р и п о в ы ш е н и и т е м п е р а т у р ы к и п е -

н и я р а с т в о р о в , у п р у г о с т ь п а р а к о т о р ы х и м е е т м и н и м у м , в н е р а з д е л ь н о й и п я щ е й с м е с и н а р а с ­ т а е т о т н о с и т е л ь н о е с о д е р ж а н и е т о г о к о м п о н е н ­ та, и с п а р е н и е к о т о р о г о т р е б у е т м е н ь ш е й з а т р а ­ ты э н е р г и и .

Для системы этиловый спирт — вода закон Вревского указы­ вает на то, что с уменьшением давления в системе при низких концентрациях спирта в жидкости (до 21% мол.) увеличивается содержание в парах воды, а при более высоких концентрациях спирта в жидкости (более 21% мол.) с уменьшением давления в парах увеличивается содержание спирта.

Что касается азеотропной смеси, то уменьшение давления в системе ведет к увеличению содержания в ней спирта. При неко­ тором минимуме давления азеотропная точка исчезает и пере­ гонка может дать безводный спирт. Данные об изменении содер­ жания спирта в нераздельнокипящей смеси при уменьшении дав­ лений приведены в табл. 11.

Пар, образующийся при кипении жидкой бинарной смеси, обогащается нижекипящим компонентом.

Рассмотрим обратный процесс — конденсацию пара, содер­ жащего два компонента, из которых один нижекипящий, а дру­

(см. рис. 192). При частичной конденсации пара остающаяся несконденсированной паровая фаза обогащается нижекипящим компонентом. Такая частичная конденсация, сопровождаемая изменением состава фаз, называется дефлегмацией. Образуемая при этом жидкая фаза называется флегмой. При перегонке про­ цесс дефлегмации содействует обогащению паров нижекипящим компонентом. Это наглядно видно и из рис. 61.

2. ПРОСТАЯ ПЕРЕГОНКА

Методы перегонки, применяемые на пищевых производствах, можно разделить на две группы: простая .перегонка и сложная перегонка, которую называют также ректификацией.

312

Рассмотрим процесс простой перегонки. На рис.- 193 показан аппарат, в котором проводится этот процесс, — перегонный куб. Если наружная поверхность куба покрыта слоем тепловой изо­ ляции, то в кубе не происходит дефлегмации. Пары, образуемые в кубе 1, поступают в змеевиковый конденсатор 2, конденсируют­ ся и удаляются в виде жидко­ сти, называемой дистилля­

том D. При этом возврат флег­ мы в куб не производится. Ра­ бочий цикл такого аппарата состоит из следующих опе­ раций:

наполнение, нагревание со­ держимого куба до кипения, перегонка, спуск остатка и подготовка к следующему циклу.

В процессе перегонки про- ■центное содержание нижекипящего компонента в кубе не­

прерывно уменьшается, так как в пары переходит относительно* больше нижекипящего компонента, чем вышекипящего. Вслед­ ствие этого по мере хода перегонки уменьшается содержание ни­ жележащего в образующихся парах: Поэтому последовательно отбираемые равные порции дистиллята неравноценны по содер­ жанию в них нижекипящего компонента.

Первые порции дистиллята содержат большое количество ни­ жекипящего компонента, последние порции дистиллята бедны нижекипящим компонентом. Если дистиллят собирается в один приемник, то в результате перегонки получается продукт, имею­ щий среднюю концентрацию нижекипящих компонентов. При по­ мощи простой перегонки не удается получить дистллят с высо­ ким содержанием нижекипящего компонента.

Можно, конечно, первые порции подвергать вторичной пере­ гонке. В результате нескольких повторений этой операции удает­ ся получить небольшое количество высококонцентрированного продукта. Однако это процесс длительный и неэкономичный. По­ этому на современных производствах применяют сложную пере­ гонку в колоннах, орошаемых флегмой.

3. СЛОЖНАЯ ПЕРЕГОНКА

Аппараты для ректификации делятся на две группы: аппара­ ты непрерывного действия и аппараты периодического действия. На рис. 194 представлена схема ректификационного аппарата непрерывного действия.

Аппарат состоит из колонны 1, дефлегматора 2 и холодиль­ ника 3.

313

Колонна делится на две части. Часть а находится выше места поступления смеси на ректификацию. Эта часть называется ко­ лонной укрепления. Нижняя часть колонны б называется колон­ ной истощения. Назначение колонны заключается в том, чтобы привести в тесный контакт паровую и жидкую фазы, содержащие разделяемые компоненты. Поэтому, как и в абсорберах, в ректи­

фикационной колонне имеются кон­ тактные устройства. Чаще всего это та­ релки различных типов.

Основное назначение дефлегмато­ ра — снабдить укрепляющую часть колонны жидкостью (флегмой), содер­ жащей разделяемые компоненты. Хо­ лодильник 3 конденсирует пары ди­ стиллята, поступающие из дефлегма­ тора.

Рассмотрим процесс ректификации на примере разделения бинарной сме­ си, содержащей два компонента А и Б, из которых А — нижекипящий. Смесь этих компонентов, нагретая до кипе­ ния, поступает в колонну б и опуска­ ется в ней, переливаясь с тарелки на тарелку. Навстречу ей движется пар. Чтобы образовать этот пар, в нижнюю часть колонны впускают греющий во­ дяной пар. За время прохождения ис­ ходной смеси в колонне истощения ни­ жекипящий компонент из жидкой фа­ зы переходит в паровую фазу, и оста­ ток, уходящий из колонны, содержит в

основном только вышекипящий компонент. Пар, уходящий из колонны истощения в колонну укрепления, содержит, таким об­ разом, почти весь нижекипящий компонент, содержавшийся в исходной смеси.

Укрепляющая часть колонны предназначена для того, чтобы увеличить концентрацию компонента А. Для этого из дефлегма­ тора на верхнюю тарелку укрепляющей колонны спускается флегма, содержащая высокий процент компонента А. Сливаясь по тарелкам укрепляющей колонны, флегма отдает свой ниже­ кипящий компонент парам, а сама принимает из паров вышеки­ пящий компонент. В результате такого обмена пары, уходящие из колонны в дефлегматор, обогащаются компонентом А. Обога­ щенные пары конденсируются частично в дефлегматоре, образуя флегму. Несконденсировавшиеся пары поступают в холодильник, где образуют дистиллят.

На рис. 195 представлена схема ректификационного аппарата периодического действия, который состоит из тех же элементов,

314