Для смеси, состоящей из компонентов А, В, С...........N, где высоко-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кипящим является компонент N, относительная летучесть |
компонен |
|
тов равна |
|
|
Рл_ . а |
|
Рв |
|
|
Рс |
|
|
|
а |
A N |
B N |
. |
а |
(16-2) |
|
|
|
Pn |
’ |
|
Pn |
’ |
|
CN ' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pn |
|
|
Очевидно, чем больше величина относительной летучести компо |
|
нентов, тем легче разделить смесь. При а |
= |
|
1 разделить смесь в обыч |
|
|
|
|
|
ных условиях невозможно, так как ком |
|
|
|
|
|
поненты |
имеют |
одинаковые температуры |
|
|
|
|
|
кипения. |
|
Неидеальные |
смеси, |
имеющие |
|
|
|
|
|
а — 1, называются нераздельнокипящими, |
|
|
|
|
|
или азеотропными. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Если двухкомпонентная (бинарная) |
|
|
|
|
|
смесь имеет а > |
|
1 , для разделения ее на |
|
|
|
|
|
компоненты можно прибегнуть к такому |
|
|
|
|
|
способу: нагреть смесь до температуры |
|
|
|
|
|
кипения, |
которая лежит в пределе темпе |
|
|
|
|
|
ратур кипения чистых НК, и ВК, в ре |
|
|
|
|
|
зультате чего НК будет испаряться, а ВК |
|
|
|
|
|
останется в жидком состоянии. |
Пары НК |
|
|
|
|
|
конденсируют и получают так называемый |
|
|
|
|
|
дистиллят. Неиспаренная жидкость назы |
|
|
|
|
|
вается остатком, который в основном будет |
|
|
|
|
|
состоять из ВК. Описанный процесс назы |
|
|
|
|
|
вается |
п р о с т о й |
п е р е г о н к о й . |
|
|
|
|
|
После его |
|
проведения не удается получить |
|
|
|
|
|
чистых ВК и НК, так как в силу летучести |
|
Рис. 16-1. Схема непрерыв |
ВК частично испаряется и переходит в дис |
|
тиллят, а НКзадерживается в остатке. |
|
ной ректификации: |
|
|
Для более эффективного разделения сме |
|
1 — колонна; |
2 — куб; |
3 — |
|
|
си прибегают к ректификации, являющейся |
|
дефлегматор; |
4 — подача |
сме- |
|
сн; 5 — остаток; С — дистиллят; |
более сложным |
видом перегонки. Она за |
|
7 — флегма |
|
|
|
|
|
|
|
ключается в противоточном взаимодей |
|
|
|
|
|
ствии паров, образующихся при перегонке |
|
и исходной смеси,'и части дистиллята, |
направляемого обратно в аппа |
|
рат. Схема ректификации показана на |
рис. |
|
16-1. В |
качестве ректифи |
кационных аппаратов чаще всего применяют тарельчатые барботаж ные колонны, описанные в главе 13, стр. 272.
Та часть дистиллята, которая используется для орошения в ко лонне при ректификации, называется флегмой. Вследствие смешения пара с флегмой на каждой тарелке происходит частичная конденсация пара и теплота конденсации передается жидкости, температура ко торой близка температуре кипения. В результате теплообмена часть жидкости снова превращается в пар. В этих процессах конденсации и испарения в первую очередь конденсируется ВК, а испаряется НК Проходя по аппарату с большим числом ступеней контакта фаз, под нимающийся вверх пар постепенно освобождается от ВК и обогащается низкокипящим компонентом, а опускающаяся вниз жидкость — осво
бождается от НК. и обогащается высококипящим компонентом. Чем больше число ступеней контакта, на каждой из которых происходит обогащение фаз, тем выше степень разделения исходной смеси на ком поненты.
Теплообменный аппарат, в котором происходит конденсация па ров НК, называется дефлегматором. Количество получаемого в нем конденсата за вычетом флегмы равно количеству дистиллята, состоя щего почти из чистого НК-
В нижней части ректификационного аппарата располагается кипя тильник в виде змеевика или трубчатки. Эта часть колонны называется кубом. Куб часто делают выносным.
Процесс ректификации проводят периодически и непрерывно. При периодической работе исходную смесь заливают в куб, нагревают до кипения и ведут процесс почти до полного исчерпывания НКПо сле этого из куба сливают остаток, состоящий почти из чистого ВК, а в куб заливают новую порцию смеси.
При непрерывной работе исходную смесь подают на тарелку, рас положенную в средней части колонны или немного ниже середины. Часть колонны, расположенная ниже места подачи смеси, называется и с ч е р п ы в а ю щ е й , так как здесь из смеси удаляется в виде паров основная масса НК и стекающая в куб жидкость состоит почти из чистого ВК- В верхней части колонны происходит дальнейшее обо гащение фаз, поэтому ее называют у к р е п л я ю щ е й частью ко лонны.
Чистые смеси можно разделять в любых эффективно работающих массообменных аппаратах. Ректификацию загрязненных жидкостей обычно проводят в колоннах с колпачковыми и ситчатыми тарелками.
РАВНОВЕСИЕ ФАЗ В ИДЕАЛЬНЫХ И В НЕИДЕАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
По закону Рауля, парциальное давление пара данного компонента над идеальным раствором при данной температуре пропорционально его молярной доле в смеси. Если х — молярная доля НК, то для бинар
ной смеси 1—X — это молярная доля ВКПо закону Рауля |
имеем: |
Рнк = хРнк ’ |
(16-3) |
Pbk = (1~ jc)P bk- |
(16‘4) |
Здесь рнк и рвк — давления насыщенных паров НК и ВК при дан ной температуре;
Рнк и Рвк — их парциальные давления.
Сумма парциальных давлений дает общее давление пара над жид
кой смесью. Оно равно |
|
Р = яРнц + (1 •'ОРвку |
(16-5) |
12 в. А. Бушмелсв, Н. С. Вольман |
337 |
Если известно парциальное давление пара НК над раствором р'нк II общее давление р, молярная доля его в паровой фазе равна
|
Рык _ |
х'Рнк |
(16-6) |
|
Р |
~ |
Р |
|
|
|
Подставив сюда значение общего давления из уравнения |
(16-5), раз- |
|
делив числитель и знаменатель на |
|
Ртз іг- |
I |
|
хрик и заменив — — на — , полу |
|
|
|
дик |
а |
чим зависимость состава паровой фазы от состава жидкой фазы по НК для идеальных смесей:
Рис. 16-2. Графики равновесного состава фаз:
а — система, б л и зк а я к идеальной; б — н |
еи деальная ; о — система с азеотропной |
точкой |
А |
Коэффициент относительной летучести в идеальных системах а = = const для всего предела температур кипения смеси, а в неидеальных смесях величина его не сохраняется постоянной. Характерно также то, что неидеальные смеси не подчиняются закону Рауля.
Отклонение системы от идеальной выражают через величину к о - э ф ф и ц и е н т а а к т и в н о с т и у, характеризующего актив ность молекул в растворе при их взаимодействии. Количественно ко эффициенты активности компонентов представляют отношениями:
|
Рнк . |
|
Рвк, |
(16-8) |
|
?нк = ХРнк ’ 7вк |
(1 |
X) рВІ^ |
|
|
В идеальных системах, где действует закон Рауля, числители й знаменатели этих выражений одинаковы и коэффициенты активности равны единице. Для неидеальных систем в зависимости от характера их отклонения от идеальных систем эти коэффициенты могут быть больше или меньше единицы.
Зависимость состава фаз при равновесии неидеальных систем можно вывести аналогично выводу уравнения (16-7) для идеальных смесей.
При этом для низкокипящего компонента бинарных неидеальных смесей получим
у = ------------ |
!------------ |
• |
(16-9) |
. , |
Ѵвк . |
1 - х |
|
Выражение это довольно сложное, так как величины коэф фициентов активности и относительной летучести в процессе ректификации не остаются постоянными.
Зависимость равновесного состава фаз при ректификации обычно выражают графически, используя практические данные по разделению данных смесей. Типичные графики равновесного состава фаз приведены на рис. 16-2. Построение их является наиболее важной составной частью расчета процесса ректификации.
УРАВНЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЛИНИИ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ
Для вывода уравнений рабочей линии про цесса непрерывной ректификации составим уравнения материального баланса для нижней (исчерпывающей) и верхней (укрепляющей) час тей колонны (рис. 16-3). Примем следующие обозначения:
F, Р и W — количество исходной смеси, дистиллята и остатка, кг/сек
или кмоль/сек;
xF, Хр и xw —■их составы в массовых или мольных долях НК;
G и L — общие количества пара и жидкости, кг/сек или
кмоль/сек;
уР, ур и y w — составы паровой фазы в мас
совых или мольных долях
нк.
Уравнение материального |
баланса по жид |
кости для всей колонны имеет вид |
F = Р + W. |
(16-10) |
Уравнение материального баланса по НК:
Fxf = P xp + W x w . |
(16-11) |
Рис. 16-3. К выводу уравнений рабочей линии процесса:
I — куб; 2 — исчерпы вающая часть колонны; 3 — укрепляющая часть; 4 — дефлегматор
Далее составим уравнение материального баланса для нижней части исчерпывающей колонны (ниже сечения N —N ) по НК:
Lx -f Gyw — Lxw -f Gy. |
(16-12) |
Из баланса дефлегматора следует, что О = Р + |
F\ из баланса куба |
L = W Р + Ф. С учетом уравнения (16-10) получим L = F -j- Ф. Кроме того, допускаем, что при испарении жидкости в кубе состав
