» » Теория процессов перегонки
15.05.2015

Одним из простейших процессов разделения компонентов раствора является процесс перегонки — дистилляции, основанной на различии составов кипящей жидкости и получающегося при этом пара. При простой перегонке выделяющийся из кипящей жидкости пар немедленно по образовании отделяется от жидкости, поступает в конденсатор и полностью конденсируется.
Аппаратура для простой перегонки состоит из кипятильника, к которому подведено тепло, необходимое для испарения перегоняемой жидкости, и охлаждаемого конденсатора, куда поступает для конденсации образовавшийся в кипятильнике пар. Продукт конденсации пара — дистиллят вытекает из конденсатора в сборник. При простой перегонке кипятильник защищен от потери тепла, чтобы избежать конденсации пара в самом кипятильнике, так как это повысило бы расход тепла на процесс перегонки вследствие необходимости повторно испарять сконденсировавшуюся в самом кипятильнике часть пара.
Если масса жидкости в кипятильнике в данный момент составляет m кг, ее состав По легкокипящему компоненту х и состав выделяющегося пара у, то после испарения бесконечно малого количества жидкости dm ее состав изменяется на dx, так как выделяющийся пар обогащен легкокипящим компонентом.
Составим материальный баланс системы после испарения жидкости по легкокипящему компоненту. Мacca легкокипящего компонента в жидкости по испарения составляет mх, масса этого компонента в жидкости после испарения ее количества dm составляет (m—dm) (x—dx), масса этого компонента в паре составляет уdm. По закону сохранения вещества получаем
mх = (m — dm) (x — dx) + ydm = mx — mdx — xdm + dmdx + ydm.

Пренебрегая бесконечно малой величиной второго порядка dmdx и упрощая, получим
mdx = dm (у — x).

Разделение переменных дает
dm/m = dx/y—x.

Интегрированием в пределах mo — m, хo-х получим
Теория процессов перегонки

Это выражение связывает массу остатка жидкости в котле после перегонки с составами пара и жидкости и позволяет, вычислить состав остатка после перегонки любого количества жидкости. Так как связь между х — составом жидкости и у — составом пара задана не аналитически, а диаграммой равновесия пар — жидкость, то правый интеграл находится графическим методом (рис. 20). Этот интеграл представляет собой площадь под кривой 1/y-x=f(x) между двумя ординатами, соответствующими хо и х, и окисью абсцисс. Кривую вычерчивают по точкам х и 1/у-х причем величину у — состав пара по легкокипящему компоненту — находят по кривой равновесия жидкость — пар для данной системы. Величину площади под кривой 1/у-х = f(x) подсчитывают по способу хранений или способу парабол или определяют планиметром.
Теория процессов перегонки

При простой перегонке остаток в котле стремится принять состав наиболее труднокипящей жидкости в данной системе компонентов по мере уменьшения массы жидкости. При диаграмме состояния, показанной на рис. 17, остаток в котле стремится по составу к чистому трудно-кипящему компоненту В; при диаграмме типа, изображенного на рис. 19, а, остаток в котле стремится к составу азеотропной смеси с максимальной температурой кипения. Состав дистиллята, вытекающего из конденсатора, непрерывно изменяется так же как и состав пара, отделяемого кипящей жидкостью. Первые порции дистиллята наиболее богаты легкокипящим компонентом А, далее, по мере обогащения кипящего остатка жидкости труднокипящим компонентом В, содержание легкокипящего компонента А в дистилляте постепенно уменьшается. Отдельные порции дистиллята разного состава могут быть собраны отдельными порциями — фракциями; такой метод работы называется фракционной перегонкой и широко применяется при перегонке нефти, каменноугольной смолы и т. п.
Более совершенное разделение компонентов при перегонке может быть осуществлено, если пар из кипятильника поступает не в конденсатор, а в промежуточный холодильник — дефлегматор, где конденсируется только часть пара, и полученная жидкость — флегма возвращается обратно в кипятильник. При частичной конденсации пара в дефлегматоре несконденсированный остаток пара обогащается легкокипящим компонентом тем полнее, чем меньше остаток пара; этот обогащенный остаток пара попадает в конденсатор, где полностью конденсируется в дистиллят. Состав пара при частичной конденсации в дефлагматоре стремится к составу наиболее легкокипящей жидкости, возможной в данной системе. При диаграмме состояния по рис. 17 это будет чистый компонент А, при диаграмме по рис. 19, б — азеотропная смесь с минимальной точкой кипения.
В принципе перегонкой с дефлегмацией можно получить чистые компоненты из растворов, имеющих диаграмму состояния типа изображенной на рис. 17. При системах, имеющих диаграмму состояния типа изображенной на рис. 19, а и б, продуктами предельно возможного разделения будут один из чистых компонентов и азеотропная смесь; азеотропные смеси вообще не могут быть разделены на компоненты перегонкой.
Простой перегонкой и перегонкой с дефлегмацией можно достаточно полно разделить компоненты смеси, если компоненты сильно различаются по температурам кипения. Для разделения компонентов с близкими температурами кипения применяют ректификацию, представляющую совокупность последовательных испарений и конденсаций, осуществляемых в одном приборе — ректификационной колонне.