Физическая сущность процесса

 

Физической сущностью процесса перегонки является испарение и конденсация паров, скорости которых во многом определяются равновесными характеристиками в этой системе «жидкость – пар».

Жидкая  смесь,  состоящая  из  двух  или   более  компонентов, нагревается до кипения (рисунок 7.13). При кипении смеси более летучий компонент переходит в газовую фазу.

Этот компонент называется низкокипящим (НК) или легколетучим (ЛК). Паровая смесь, обогащенная паром лекголетучего компонента, направляется в конденсатор, и из конденсатора выходит жидкость, состав которой аналогичен составу конденсируемого пара – дистиллят. То есть в результате перегонки смесь разделяется на дистиллят и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

7.2.2 Равновесие в системе «жидкость – пар»

 

Рассматривая бинарные смеси, можно сказать, что в зависимости от взаимной растворимости компонентов различают смеси: с полной (неограниченной) растворимостью компонентов, с ограниченной растворимостью и с полной взаимной нерастворимостью. Кроме того, различают идеальные смеси и реальные. Идеальными называют смеси, компоненты которых при смешении не изменяют объема. Идеальные смеси следуют закону Рауля, согласно которому парциальное давление каждого компонента в паре пропорционально мольной доли этого компонента в жидкости.

,                                     (7.16)

где   Р_А – давление насыщенного пара компонента А при t_кип раствора, Па.

Соответственно, для компонента В закон Рауля запишется

                                  .                                (7.17)

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

                         .         (7.18)

Помимо этого, в соответствии с законом Дальтона парциальное давление компонента А пропорционально его мольной доле в паре

                              ,                                   (7.19)

где   П – общее давление пара над смесью.

Объединив уравнения (7.17) и (7.19), получим

                             .                            (7.20)

Заменив общее давление в уравнении (7.20) на выражение (7.18) и поделив числитель и знаменатель на давление насыщенного пара компонента В, получим

                       ,                     (7.21)

где  – относительная летучесть компонентов смеси.

В условиях перегонки значение α > 1 связывает содержание компонента А в жидкости и паре при равновесии. Чем больше α, тем легче разделить смесь перегонкой. Если , то такую смесь разделить перегонкой невозможно.

Рассматривая далее бинарные системы, в соответствии с правилом фаз Гиббса видим, что число степеней свободы равно 2. То есть из трех параметров, определяющих состояние системы (давление, температура, концентрация), один равен константе. При этом возможны варианты фазовых диаграмм, представленных на рисунке 7.14.

Реальные жидкие смеси характеризуются теплотами смешения компонентов, изменением объемов при смешении и т.д. Диаграммы фазовых равновесий для реальных растворов строят на основе экспериментальных данных. Для реальных смесей отклонение от закона Рауля может быть либо положительным, либо отрицательным.

 

7.2.3 Ректификация

 

Ректификация – это процесс разделения жидких смесей путем многократного противоточного взаимодействия жидкости и пара, не находящихся в термодинамическом равновесии.

По принципу действия ректификация бывает периодическая и непрерывная.

7.2.3.1 Физическая сущность процесса

Рассмотрим непрерывно действующую ректификацию бинарных систем.

В ректификационной колонне (рисунок 7.15) снизу движутся пары, а сверху навстречу парам подают жидкость, представляющую собой почти чистый низкокипящий компонент (флегма).

На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт (рисунок 7.16). При этом из пара конденсируется преимущественно высококипящий компонент, а из флегмы испаряется преимущественно низкокипящий компонент. В результате этого составы пара и жидкости изменяются, приближаясь к равновесным. Пар становится богаче низкокипящим компонентом, а жидкость насыщается высококипящим компонентом. Пар конденсируют в конденсаторе. Часть этого конденсата идет в виде флегмы на орошение колонны, а другую часть – дистиллят отбирают как готовый продукт. Жидкость, выходящую из нижней части колонны, называют кубовым остатком.

 

 

Рисунок 7.15 – Схема процесса ректификации

 

 

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей – верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью. Исходная смесь F подается в среднюю часть колонны и в результате процесса делится на две части: часть, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), – дистиллят D, и часть, обедненную НК, – кубовый остаток W.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: