Перегонка. Дистилляция. Ректификация

Перегонка (объединяющая дистилляцию и ректификацию)- процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемое однократно или многократно.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре.

Будем рассматривать бинарные смеси.

Компонент, упругость пара которого выше, а температура кипения ниже, является летучим и называется низкокипящим компонентом- НК. А компонент с упругостью пара ниже, а температурой кипения выше называется труднолетучим или высококипящим – ВК.

Пример:

-

Жидкость, которая осталась после частичного испарения, называется остаток, а жидкость, которая получилась при конденсации пара, называется дистиллятом.

Существует два принципиально отличных вида перегонки:

1.Простая перегонка (или дистилляция)- процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров; применима только для разделения смесей, летучести компонентов, которой существенно разделены. Обычно используют для предварительного разделения смесей.

2.Ректификация- процесс разделения гомогенных смесей путем многократного ступенчатого или непрерывного тепломассообмена между неравновесными встречными потоками пара и жидкости, это процесс многократного частичного испарения жидкости и испарения паров.

Разделение обычно осуществляется в колонных аппаратах при многократном и непрерывном контакте фаз, сопровождающемся испарением НК и конденсацией ВК. При конденсации паров, отходящих из верхней части колонны образуется дистиллят (ректификат), часть которого в виде флегмы возвращается для орошения верхней части колонны. В нижней части колонны удаляется кубовый остаток – продукт, обогащенный ВК.

Классификация бинарных систем.

Бинарные смеси подразделяются на:

1. Смеси с неограниченной взаимной растворимостью:

а) идеальные (подчиняются закону Рауля)

б) неидеальные - реальные-(с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля)

2. Смеси взаимно нерастворимые.

3.Ограниченно растворимые друг в друге.

Бинарные смеси, неограниченно растворимые друг в друге:

а) Идеальные смеси

вспомним правило фаз: С=К+2-Ф, где

С – число степеней свободы,

К – число компонентов, в нашем случае К=2 (бинарная система).

Ф – число фаз- если между компонентами не происходит химического взаимодействия, то при наличии пара и жидкости, число фаз = 2, тогда число степеней свободы С=2+2-2=2. Это означает, что из тех независимых параметров, полностью описывающих состояние системы - температура, давление, концентрация- 2 параметра изменяются, а один параметр неизменен. Т.е. можно произвольно выбрать любые два, при этом определяется значение третьего.

Поэтому бинарные смеси представляют в виде фазовых диаграмм:

1. При t=const диаграмма давление- состав жидкости Р - х.

P=f(x)

2. При Р=const диаграмма температура состав жидкости, состав пара t –x,y

t=f(x,y)

3.При Р=const диаграмма равновесия y-x

y=f(x)

Идеальные смеси подчиняются закону Рауля: при постоянной температуре парциальное давление компонента (А) в паре () прямопропорционально мольной доле этого компонента в жидкости. При этом коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара данного компонента при данной температуре.

- парциальное давление А и В

- упругость пара компонентов А и В (по таблице)

x,y- мольные доли

Запишите: Расчет ректификации ведется по НК компоненту и в мольных долях (в отличии от абсорбции, где концентрация в кмоль на кмоль)

x – содержание НК в жидкости

y- Содержание ВК в паре

Одновременно, согласно закону Дальтона: общее давление пара над раствором Р равно сумме парциальных давлений его компонентов:

т.е. парциальные давления компонентов изменяются по линейным законам и обладают свойством аддитивности и при постоянной температуре парциальные давления компонентов, а также общее давление паров над смесью находится в линейной зависимости от мольной доли низкокипящего компонента.

Эти уравнения можно выразить графически на Р-х диаграмме, на которой по оси абсцисс отложен состав жидкости х, а по оси ординат – давление пара Р. Уравнения изображаются прямыми линиями: парциальное давление НК- линией СВ, парциальное давление ВК- линией АD, полное общее давление – линией АВ. Отрезок DB равен упругости пара чистого НК, а АС- упругости пара чистого ВК. Описанное построение относится к некоторой постоянной температуре, следовательно, линии АD, СВ и АВ являются изотермами.

1.Строим диаграмму давление- состав жидкости Р-х при t=const.

DB и CA- упругость паров компонента А и В

При

При

АВ – общее давление Р.

Пользуясь диаграммой Р-х можно определить температуру кипения смеси различного состава.

Строят по значениям из справочников. Для этого надо построить ряд изотерм полного давления, соответствующих температурам . Далее проводят горизонтальную линию MN с ординатой, равной внешнему давлению.

MN-линия внешнего давдения

Из точки на оси абсцисс, отвечающей х, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с MNв т.С, через которую проходит изотерма =const. При этой температуре общее давление пара смеси равно внешнему давлению, и следовательно, смесь состава х, кипит при температуре . Аналогично . При температуре кипения смеси отрезок АВ – это парциальное давление НК - и ВС- парциальное давление ВК- .

Определив температуры кипения и составы паров для смесей разного состава, можно построить t-x,y, и y-x диаграммы.

2. Диаграмма t-x,y (температура – состав жидкости – состав пара) при Р=const.

Построение этой диаграммы ведется на основании диаграммы давление – состав жидкости. Наносятся точки t кипения НК и ВК компонентов, жидкости смеси состава , затем точки с координатами и соединяются кривой. Нижняя кривая – это температура кипения жидкой смеси.

Надо построить линию пара.

Далее откладываем по оси абсцисс составы паров и соединяя точки получаем линию, называемую линией конденсации.

В соответствии с законом Дальтона парциальное давление данного компонента А пропорционально его мольной доле в паре , а так как по закону Рауля, то зависимость между составами равновесных фаз отсюда . Зная х, общее давление и давление насыщенного пара над чистой жидкостью, найдем , по .

Получим точки:

По этим координатам строим вторую кривую- линию конденсации.

1-линия кипения

2-линия конденсации

Точки:

а- чистая жидкость состава

b - t кипения жидкости состава

с – температура пара состава

d- Перегретый пар

Что бы найти состав пара для какой – либо смеси, надо отложить на оси абсцисс состав этой смеси и из этой точки провести вертикаль до пересечения с линией кипения. Далее провести горизонталь до х с линией конденсации. Абсцисса последней точки пересечения выражает искомый состав пара.

 

3.Строим диаграмму равновесия y-x (состав пара – состав жидкости).

На фазовой диаграмме y-x наносится линия равновесия, выражающая в данном случае зависимость между равновесными составами (по НК) жидкой () и паровой () фаз.

Вершины х=0

х=1

Диаграмма строится при Р=const, т.е. для переменных температур кипения, изменяющихся в зависимости от изменения жидкой смеси. В выражение для подставим значение общего давления из закона Дальтона и получим . Разделим числитель и знаменатель на и введем понятие относительной летучести компонентов смеси . Тогда

Это уравнение параболы. Крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах квадрата. В реальном случае эта кривая не парабола и имеет другую форму.

В практических расчетах, зная давление паров чистых компонентов определяют относительную летучесть , а далее уже можно построить кривую равновесия для идеальных смесей. Чем больше , тем более выпуклая кривая равновесия, тем легче разделить смесь. .