Фазовое равновесие в системе этанол — вода

ПОЛУЧЕНИЕ СПИРТА-СЫРЦА

Летучесть отдельных компонентов смеси характеризуют коэф­фициентом испарения (К= Y/X) —отношением концентра­ции данного вещества в паро­вой фазе Y к концентрации его в жидкой фазе X при равновес­ном состоянии фаз.

Летучая часть бражки сос­тоит в основном, из воды и эти­лового спирта, поэтому в про­цессе выделения спирта браж­ку рассматривают как бинар­ную смесь этилового спирта и воды. Зависимость между сос­тавом паровой и жидкой фазы летучих веществ определяется законами Д. П. Коновалова и М. С. Вревского.

В верхней части рис. 1 ли­ния 1 изображает зависимость равновесного состава пара У от состава жидкости X при ат­мосферном давлении и темпе­ратуре кипения для смеси эти­ловый спирт — вода. Она пред­ставляет собой геометрическое место точек значений коэффи­циентов испарения этилового спирта K_э._c = Y/X из водно-спиртовой смеси. При малых концентрациях спирта в смеси значения K_э._c максимальны (около 13), при больших — ми­нимальны (около 1).

Линия равновесного состава в точке А пересекает диагональ, следовательно, в этой точке состав паровой и жидкой фазы одинаковый. Эта точка получила название азеотропной точ­ки, или точки нераздельного кипения. Для нее Y=X, или K_э._c = 1. При нормальном давлении нераздельнокипящая смесь системы этиловый спирт - вода содержит 97,2 об.% (95,57 мас.%) этилового спирта при температуре кипения 78,15°С; при том же давлении тем­пература кипения этилового спирта равна 78,3°С, а воды 100°С.

Рис. 1 Зависимость равновесного содержания пара. Температуры кипения и упругости пара от концентрации водно-спиртового раствора при давлении:

1 – атмосферное; 2 – ниже атмосферного; 3 – выше атмосферного.

В соответствии с законом Вревского при повышении давления растворы с низкой концентрацией спирта, примерно до 30— 40 мас.%, образуют пары с большим содержанием спирта, а раство­ры с высокой концентрацией спирта — пары с меньшим содержани­ем спирта, что наглядно показано в верхней части рис. 1 пунктирной линией. Из рисунка также видно, что с изменением давления сдвигается и положение азеотропной точки. Так, при давлении 93 кПа (температура кипения 27°С) нераздельнокипящая точка смещается вправо вплоть до Х= 100, т. е. при этом давлении пар всегда будет иметь большую концентрацию спирта, чем исходная жидкость (вплоть до 100%).

Анализируя положение кривой фазового равновесия, легко уста­новить, что при атмосферном давлении пары над жидкостью будут обогащаться этиловым спиртом только до азеотропной тонки. Сле­довательно, путем ректификации (многократного испарения и кон­денсации) при атмосферном давлении можно достигнуть макси­мальной крепости спирта 97,2 об. %. Чтобы получить спирт большей крепости, необходимо уменьшить давление; тогда азеотропная точ­ка сдвинется вправо, т. е. в область требующейся крепости. Этим приемом иногда пользуются на практике при получении абсолютно­го спирта.

Фазовое равновесие в бинарной смеси, этиловый спирт — вода при атмосферном давлении изучено В. Н. Стабниковым и О. Г. Мудравской. По их данным строят график фазового равновесия, кото­рый широко применяют для расчета процесса ректификации и ана­лиза работы ректификационных колонн. В ряде случаев возникает необходимость иметь аналитическую зависимость указанного рав­новесия, которая по тем же данным установлена П. С. Цыганковым (табл.1).

Таблица 1.

Наличие сухих веществ в водно-спиртовых растворах, как пока­зано работами С. Е. Харина и В. М. Перелыгина, немного увеличи­вает концентрацию спирта в парах, однако в практических расчетах обычно пользуются кривой фазового равновесия для чистых водно-спиртовых растворов.