Перегонка жидких смесей. Законы Коновалова

⇐ ПредыдущаяСтр 46 из 115Следующая ⇒

Различие составов жидкости и пара позволяет производить разделение растворов жидкостей путем их перегонки. Наиболее эффективным методом перегонки является ректификация.

Она основана: 1) на непрерывном чередовании процессов испарения и конденсации; 2) на принципе противотока.

Аппарат, в котором осуществляется процесс перегонки, называется ректификационной колонной.

Пар, образующийся в кубе колонны, последовательно проходит через ряд специальных устройств – «тарелок».

На каждой тарелке пар пробулькивает через слой жидкости и несколько охлаждается. При этом часть менее летучего компонента конденсируется, а часть более летучего компонента переходит из жидкости в пар. В результате на следующую верхнюю тарелку попадает пар, обогащенный более летучим компонентом. Жидкость, обогащенная менее летучим компонентом (флегма), последовательно минует нижние тарелки и попадает вниз ректификационной колонны.

Полнота разделения смеси компонентов и чистота получаемых компонентов зависят: а) от разницы в составе жидкости и пара, б) от числа тарелок, в) конструкции колонны и других факторов.

Рассмотрим, как происходит разделение растворов жидкостей при перегонке на диаграмме состояния температура кипения - состав раствора.

Существует три типа диаграмм перегонки.

1-йтип. К нему относятся системы без экстремума, т.е. без min или max на кривой общего давления насыщенного пара, т.е. идеальные смеси.

Возьмем исходную смесь состава х₀. Эта смесь закипит при температуре Т₀. При этом выделяется пар состава у ₀. Пар, поднимаясь вверх, охлаждается до температуры Т₁. При этом система распадается на две части: часть пара конденсируется в жидкость состава х₁ (конденсат), другая часть пара состава у₁ поднимается вверх, где охлаждается и снова распадается на две фазы: жидкую – состава х₂ и парообразную – состава у₂, еще более богатую летучим компонентом и т.д.

Если насадок в ректификационной колонне, на которых происходит конденсация, будет достаточно много, то после последней насадки образуется пар чистого летучего компонента В, который может быть сконденсирован в головке ректификационной колонны.

Жидкость, которая накапливается на тарелках (флегма), стекает вниз, она обогащена менее летучим компонентом (А).

В основе разгонки идеальных смесей лежит первый закон Коновалова (1881 г.).

Рис. 6.42. Диаграмма перегонки идеальных смесей (1-й тип)

Пар, по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкой смесью, богаче тем компонентом, добавление которого к системе повышает общее давление пара (или понижает температуру кипения).

В системах I типа любую смесь можно разделить на чистые компоненты, если на кривой упругости пара нет экстремумов.

2-й тип. К нему относятся системы, обладающие максимумом на кривой давления (упругости) пара (или минимумом на кривой кипения).

Рис. 6.43. Диаграмма перегонки для системы с положительным

отклонением от закона Рауля (1-й тип)

Пусть исходная смесь имеет состав х₀. Пары, двигаясь вверх, частично конденсируются и все больше обогащаются тем компонентом, добавление которого понижает температуру кипения, т.е. будет содержать больше компонента В, чем раствор. Остаток, обогащаясь компонентом А, будет кипеть при более высокой температуре, например Т₂.

Продолжая разгонку системы, можно достигнуть того, что в остатке будет содержаться чистый компонент А.

Чистый же компонент В из раствора состава х₀ получить невозможно, т.к. при многократной конденсации и дистилляции можно достигнуть состава С. Пар такого состава при конденсации дает жидкость такого же состава.

Такие растворы называются азеотропными (нераздельнокипя-щими ).

Разделение азеотропов на чистые компоненты путем фракционной перегонки невозможно.

Таким образом, раствор состава х₀ можно разделить перегонкой только на чистый компонент А (внизу ректификационной колонны) и азеотропный раствор состава С (наверху колонны). Этот вывод относится ко всем растворам, состав которых находится в промежутке между А и С.

Любой раствор, имеющий промежуточный состав между С и В, можно разделить на чистый компонент В (внизу колонны) и азеотропный раствор состава С (наверху колонны).

В основе перегонки азеотропных смесей лежит второй закон Коновалова:

точки max и min на кривой общего давления пара отвечают растворам, состав которых одинаков с составом равновесного с ними пара.

Рис. 6.44. Диаграмма перегонки для системы с отрицательным

отклонением от закона Рауля

3-й тип. К такому типу относятся системы, имеющие min на кривой общего давления пара (или max на кривой кипения).

Такие жидкие смеси разделить на чистые компоненты нельзя.

При перегонке в виде пара будет отходить один из компонентов, находящийся в избытке по сравнению с азеотропной смесью. А нераздельнокипящий раствор (состава С) останется в колбе.

Примерами азеотропного раствора могут служить: H₂O–HNO₃, H₂O–HCl, HCl–(CH₃)₂O.

Азеотропные растворы встречаются во многих практически важных системах: вода – соляная кислота (Т_кип _Н_Cl = –85, 1⁰C), азеотропная смесь – 20, 2% HCl, водные растворы HNO₃, C₃H₇OH и др.

По своей природе и строению азеотропные растворы ничем не отличаются от других жидкостных растворов, однако наличие их создает трудность при разделении жидких систем путем перегонки. Для разделения азеотропных смесей применяются специальные методы, связанные с изменением давления или с использованием третьего компонента, образующего гетероазеотроп с одним из компонентов азеотропной смеси.

Образование азеотропа определяется соотношением двух факторов:

1) различие давлений насыщенного пара (или температуры кипения) компонентов в чистом виде;

2) отклонение системы от законов идеальных растворов.

Правило рычага. При количественных расчетах фазовых равновесий часто возникает необходимость определения количественного соотношения фаз.

Для решения этой задачи удобно пользоваться методом, основанным на так называемом «правиле рычага».

Рис. 6.45. Диаграмма кипения для идеальных смесей

Рассмотрим диаграмму Т_кип – состав.

При температуре Т₁ состав жидкой фазы определяется точкой С, состав пара – точка Д. Общий состав любых гетерогенных систем определяется точками, расположенными на СД. Если обе фазы взяты в одинаковых количествах, то точка Е, указывающая состав системы, находится в середине отрезка СД, что показано на рис. 6.45.

Если количество жидкой фазы больше, чем парообразной, то точка Е смещена к точке С.

Если количество пара и жидкости равны соответственно n_n и n_ж моль, то отношение отрезков СЕ и ЕД будет равно

(6.272)

Все это приводит к правилу рычага.

Точка, отвечающая составу гетерогенной двойной системы, располагается на прямой, соединяющей точки, представляющие сосуществующие фазы. При этом отрезки, отсекаемые на прямой этой точкой, обратно пропорциональны количествам каждой из фаз.

Состав системы можно выражать в мольных долях, в весовых процентах.

Рассмотренные в данной главе особенности двухкомпонентных жидких систем имеют большое практическое значение для химиков-технологов.

⇐ Предыдущая 41 42 43 44 454647 48 49 50 Следующая ⇒