Перегонка і ректифікація

За допомогою процесу перегонки багатокомпонентну рідку суміш розподіляють на фракції, що містять компоненти суміші в концентрованому вигляді. Ректифікацією називають процес ба­гатократної перегонки, за допомогою якого з рідкої суміші вилу­чають незначні кількості небажаних домішок.

Переганяють і ректифікують суміші, що складаються з ком­понентів, які відрізняються своєю леткістю. Під час випаровуван­ня рідкої суміші окремі компоненти переходять у пароподібний стан інтенсивніше, завдяки чому їх вміст у паровій фазі більший, ніж у рідкій.

Діаграми рівноваги. Якщо на горизонтальній осі х координат відкладати вміст компонента А від 0 до 100% в бінарній рідкій суміші А + В, а на вертикальній осі у — вміст цього компонента в паровій фазі, що утворюється під час кипіння рідкої суміші різного складу, то одержаний графік і буде діаграмою, або кривою рівно­ваги. За допомогою цієї кривої визначають вміст компонента А (а отже, і компонента В) у рідкій і паровій фазах, що перебувають у рівновазі. На осях координат кривих рівноваги відкладають вміст легколеткого компонента, позначаючи його в рідкій фазі через х, а у паровій — через у. Відношення х до у для будь-якої точки кривої рівноваги називають коефіцієнтом випаровування А = у/х.

Графік характерних кривих рівноваги для різних бінарних сумішей подано на рис. 4.32. Крива а відповідає суміші, в якій знаходиться легко-леткий незалежно від складу суміші компо­ненті, вміст якого в фазах відкладено на осях х і у.

Коефіцієнт випаровування його завжди більший від одиниці

Крива б відповідає суміші, в якій компонент А до певної концентрації його в суміші легколеткий (цю концентрацію позначають точкою О), а при вищій концентрації—важколегкий (к < 1). Точку О, так само, як і відповідну їй суміш називають азе­отропними (для азеотропної суміші (к = 1). Криві рівноваги ши­роко використовують у розрахунках процесів перегонки бінар­них сумішей. Розраховуючи процеси ректифікації, користуються величинами коефіцієнтів А випаровування домішок — відношен­ням вмісту домішки у паровій фазі до її вмісту в рідкій за умов рівноваги. При незначному вмісті домішки її коефіцієнт випаро­вування залежить від вмісту двох інших компонентів у рідкій суміші і не залежить від вмісту в суміші самої домішки. Криві ко­ефіцієнтів випаровування для характерних домішок, що супрово­джують суміші етилового спирту з водою, подано на рис. 4.33.

Рис. 4.32. Криві рівноваги різних бінарних сумішей

Рис. 4.33. Криві коефіцієнтів випаровування домішок етилового

спірту: 1 — діетиловий спирт; 2 — ацетальдегід; 3 — метилацетат;

4 — н.маслянип альдегід; 5 — етилацетат; 6 — метанол

Класифікація сумішей. У бінарних сумішах виділяють їх ос­новні групи: ідеальні, реальні, взаємно нерозчинних рідин і обме­жено взаємно розчинних рідин.

Ідеальні суміші підлягають законам Рауля і Дальтона. За зако­нами Рауля, парціальний тиск р компонента над сумішшю про­порційний його молярній частці в ній х. Для компонента А

(4.43)

Де —пружність (тиск) пари компонента А.

За законом Дальтона, загальний тиск пари над сумішшю

дорівнює сумі парціальних тисків її компонентів

, (4.44)

Де —пружність (тиск) пари компонента В.

На підставі законів Рауля і Дальтона, знаючи склад рідкої фа­зи, можна аналітично визначити вміст компонентів у паровій

фазі. Для компонента

(4.45)

Характерну форму кривої рівноваги для ідеальної суміші бу­ло показано на рис. 4.32 (крива а).

Реальні суміші не підлягають закону Рауля. Діаграми х -у для таких сумішей будують за експериментальними даними. Типо­вою реальною сумішшю є суміш етилового спирту з водою (кри­ва б на рис. 4.32).

Відхилення від закону Рауля в реальних сумішах призводить до того, що при незмінній температурі певному складу суміші може відповідати певний тиск пари над сумішшю більший (або менший), ніж пружність пари за цієї температури будь-якого з компонентів, узятих у чистому вигляді. Природно, що максимуму (мінімуму) на кривій тисків відповідає мінімум (максимум) на кривій температур (крива тисків—це функція тис­ку пари над сумішшю від її складу, а крива температур — це функція температури кипіння суміші від її складу).

Суміші взаємно нерозчинних рідин відрізняються тим, що тиск па­ри над сумішшю дорівнює сумі пружностей пари компонентів. Че­рез це температури кипіння таких сумішей завжди нижчі від темпе­ратур кипіння окремих компонентів за цього ж зовнішнього тиску.

Суміші обмежено розчинних одна в одній рідин відрізняються тим, що у певних пропорціях вони взаєморозчинні і поводять се­бе як ідеальні або реальні суміші. У випадку порушення вказаних пропорцій утворюються дві взаємно нерозчинні рідкі фази: роз­чин і компонент, що є у надлишку.

Одноразовим випаровуванням (простою перегонкою) вихідну суміш можна розділити на кілька фракцій, частина з яких міститиме більшу кількість легколеткого, ніж його було у вихідній суміші, інша частина — меншу.

Якщо випаровувати суміш (криву рівноваги її зображено

лінією б на рис. 4.32, що містить % легколеткого компонента, то

після відведення і конденсації пари, яка утвориться, одержимо

рідину (дистилят) з % пегколеткого компонента. У міру випаро-

вування вихідної суміші вміст легколеткого компонента в ній, так само як і у дистиляті, поступово зменшуватиметься. Нехай кінцевий вміст його у випаровуваній рідині буде що відповідає дистиляту У результаті вихідна суміш буде поділеною на дві фракції з легколеткими компонентами

і у (тут у —середнє між і )

Відводячи дистилят у міру зміни вмісту в ньому легколеткого компонента в різні ємності, можна одержати фракції з різними значеннями у.

Дефлегмація. Якщо пару, що утворюється при одноразовому випаровуванні суміші, частково конденсувати у спеціальному теплообміннику, то у першу чергу конденсуватиметься важко-киплячий компонент. Лишок пари на виході з теплообмінника міститиме більше легколеткого компонента, ніж пара на вході в теплообмінник. Концентрація легколеткого кохмпонента в парі зростатиме за рахунок її часткової конденсації (так званої деф­легмації). Конденсат, що утворюється в теплообміннику, назива­ють флегмою, а теплообмінник — дефлегматором. Спрямовуючи решту пари, що лишилась після дефлегмації, в конденсатор, одержують дистилят, вміст легколеткого компонента в якому більший, ніж у дистиляті, що його одержують простою перегон­кою тієї самої суміші без дефлегмації.

Принципи безперервної перегонки в апаратах сучасного ти­пу. У сучасних колонних апаратах для перегонки (рис. 4.34) між дефлегматором і випарником є пристрій для контакту флегми з парою, яка йде з випарника. Оскільки при частковій конденсації пари в дефлегматорі / флегма завжди містить більше легколетко­го компонента, ніж початкова суміш, то між парою, що піднімається з випарника, і флегмою відбувається масообмін. При цьому легколеткий компонент переходить з рідкої в парову фазу, а важколеткий — у зворотному напрямку, тобто система наближається до стану фазової рівноваги. Завдяки процесу масо-

обміну пара надходить у дефлегматор збагаченою легколетким компонентом. Дистилят і флегма також збагачуються ним, а от­же, підвищується вміст легколеткого компонента у парі, що над­ходить у дефлегматор, і т.д. Дистилят і флегма містять тим більше легколеткого компонента, чим більша площа і кращі умо­ви контакту між парою і флегмою.

У дефлегматорі можна конденсувати всю пару, яка в нього надходить, розділяючи потім конденсат на флегму і дистилят. У цьому випадку в дефлегматорі не спостерігатиметься ефекту деф­легмації — підвищення вмісту легколеткого компонента у парі за рахунок її часткової конденсації, хоча збережеться основний про­цес масообміну на контактних пристроях, який супроводжується переходом легколеткого компонента з флегми у парову фазу. У колонному апараті початкову сумішМ можна безперервно пода­вати в нижню 4 (кубову) частину апарата, а кубовий залишок К безперервно відводити. Це так звана концентраційна колона 3. В ній можна одержувати дистилят зі значним вмістом легколетко­го компонента, хоча частина його потрапляє і в кубовий зали­шок. Щоб уникнути цього, апарати для перегонки обладнують так званою витяжною частиною, яка знаходиться нижче від точ­ки введення вихідної суміші. Щоб забезпечити добрий контакт пари з флегмою і початковою сумішшю, апарати обладнують спеціальними контактними пристроями. На рис. 4.34, б зображе­но колонний апарат для перегонки з концентраційною З і видо­бувною 2 частинами, обладнаний так званим тарілчастими кон­тактними пристроями 5 (тарілками). Початкова суміш, стікаючи разом з флегмою у кубкову частину 1, звільняється від легколет­кого компонента за допомогою пари, що піднімається з кубової частини апарата, внаслідок чого кубовий залишок містить міні­мальну кількість легколеткого компонента. У концентраційній частині пара, перебуваючи у контакті з флегмою, поступово ру­хаючись від тарілки живлення дефлегматора 4, збагачується лег-Іколетким компонентом і після дефлегмації і остаточної конден­сації перетворюється на висококонцентрований дистилят.