Перегонка с водяным паром

Перегонка с водяным паром также используется для снижения температуры процесса и применяется, в основном, для разделения смесей, состоящих из высококипящих компонентов. Часто это оказывается более выгодным, чем проводить процесс под вакуумом или использовать высокотемпературные теплоносители, обладающие высокой стоимостью и низким коэффициентом теплоотдачи. В последнем случае возможно разложение термически нестойких веществ. Перегонка с водяным паром производится в том случае, если компоненты исходной смеси нерастворимы в воде, что позволяет легко отделить от нее продукты перегонки. Иногда вместо водяного пара используют инертные газы: азот, углекислый газ. Но в этом случае усложняется их отделение от дистиллята. Кроме того, они менее доступны, а отработанный водяной пар всегда имеется на предприятии.

Перегонка с водяным паром осуществляется при его непосредственном контакте с кубовой жидкостью. Может использоваться как насыщенный, так и перегретый пар. Перегретый пар служит не только для снижения температуры процесса, но и греющим агентом, подводящим тепло для нагрева и испарения кубовой жидкости, так как теплообмен через стенку может привести к разложению термически нестойких компонентов или не обеспечивает достаточно высоких коэффициентов теплопередачи. Частично сконденсированный водяной пар образует дополнительную жидкую фазу, поэтому число степеней свободы в системе при введении в нее водяного пара не изменяется, так как увеличение числа компонентов сопровождается увеличением числа фаз. При наличии двух жидких фаз давление в системе определяется суммой давлений каждой из них. Учитывая, что перегонка с водяным паром проводится обычно под атмосферным давлением или близким к нему умеренным давлением, его можно найти:

, (14.71)

где – номера компонентов перегоняемой смеси; – давление чистого насыщенного водяного пара.

Решая обратную задачу из соотношения (14.71) можно найти температуру кипения двухфазной системы при заданном давлении p. Если процесс проводят под атмосферным давлением, то температура кипения будет меньше температуры кипения воды, в независимости от температуры кипения компонентов исходной смеси. Это позволяет существенно снизить температуру перегонки за счет введения водяного пара, особенно, высококипящих смесей.

В качестве примера рассмотрим простую однократную перегонку с водяным паром бинарной смеси, состоящей из летучего и практически нелетучего компонентов. В этом случае соотношение (14.71) с учетом пренебрежения парциальным давлением практически нелетучего компонента будет иметь вид:

; , (14.72)

где «л» – летучий компонент; «н» – нелетучий компонент; p _л и p _в – парциальные давления летучего компонента и водяного пара.

Учитывая, что процесс ведется при умеренных давлениях можно воспользоваться законом Дальтона:

p _л = py _л; p _в = py _в. (14.73)

Тогда количество молей водяного пара, необходимого для отгона одного моля летучего компонента из смеси состава x _л, будет равно:

. (14.74)

На практике в процессе перегонки равновесие, как правило, не устанавливается, так как водяной пар не успевает в полной мере насыщаться летучим компонентом, что приводит к несколько большему его расходу. Это учитывается введением в уравнение (14.74) коэффициента насыщения j, значение, которого изменяется в диапазоне j = 0,65 ¸ 0,95:

. (14.75)

Если осуществляется процесс постепенной дистилляции, то доля летучего компонента в кубовой жидкости будет с течением времени уменьшаться. В этом случае обычно требуется определить количество водяного пара В молей необходимого для отгона летучего компонента, количество которого в кубовой жидкости изменяется от Л_н до Л_к молей и определить время протекания процесса. Перепишем уравнение (14.75) в дифференциальной форме, учитывая уменьшение количества летучего компонента в кубовой жидкости введением знака «», а также выражение для мольной доли летучего компонента в смеси с нелетучим:

, (14.76)

. (14.77)

Проинтегрировав (14.77.) по d Л от Л_н до Л_к получим:

. (14.78)

Для получения аналитического решения произведем некоторые упрощения. Допустим, что перегоняемая смесь идеальная – это наблюдается часто на практике при разделении смеси углеводородов, при этом . Если процесс протекает при постоянном давлении p то изменение состава x _л в соответствии с уравнением (14.72) приведет к изменению температуры. Допустим, что это изменение не столь велико, чтобы повлиять на коэффициент относительной летучести и его можно считать постоянным. Тогда:

. (14.79)

Для определения времени протекания процесса необходимо поделить количество водяного пара В на его мольный расход . Отметим, что количество водяного пара найденное из уравнении (14.74) – (14.79) не учитывает его потребность на нагрев и испарение исходной смеси, а также затраты на возмещение потерь теплоты в окружающую среду и возможное изменение энтальпии смеси. Эти дополнительные тепловые затраты могут сообщаться системе за счет перегретого острого водяного пара или через поверхность нагрева. С введением водяного пара проводят не только простую перегонку, но и ректификацию. Применяется это для разделения тяжелых нефтепродуктов, температуры кипения которых при атмосферном давлении велики и обычная ректификация привела бы к их разложению.