Общие сведения. Простая перегонка

В химической технологам широко применяют разнообразные методы разделения жидких однородных смесей, основанные на неодинаковой летучести компонентов, т. е. на различии составов жидкости и образующегося над ней пара.

Разделяют смеси с разной взаимной растворимостью компо­нентов. Двойные смеси обычно называют бинарными, а смеси, содержащие несколько компонентов, — многокомпонентными. Бинарные смеси могут состоять из взаимно растворимых, частич­но растворимых и нерастворимых жидкостей.

Для упрощения будем рассматривать процессы разделения сме­сей, состоящих из двух компонентов. Компонент, который имеет более низкую температуру кипения, называется низкокипящим или легколетучим. Компонент с более высокой температурой кипения называется высококипящим или труднолетучим.

Процесс частичного испарения жидкой смеси и получения пара, при конденсации которого образуется жидкость нового со­става — дистиллят, называется перегонкой или дистилляцией. Ди­стиллят содержит больше летучего компонента, чем исходная жидкость. Неиспарившаяся часть жидкости носит название кубо­вого остатка.

Процесс перегонки применим в том случае, когда не требует­ся полного разделения компонентов. Его применяют для грубого разделения смесей или предварительной очистки продуктов от нежелательных примесей.

Перегонка основана на различии температур кипения, парци­альных давлений и летучести отдельных веществ, входящих в со­став смеси. Более летучим в процессе испарения является компо­нент с пониженной температурой кипения.

Многократное чередование процессов испарения и конденса­ции с целью разделения смеси на чистые компоненты (при ис­пользовании теплоты конденсации паров для испарения соответ­ствующего количества жидкости) называют ректификацией.

Процесс ректификации проводят при противотоке жидкости и пара, причем пар, поднимаясь вверх по колонне, контактирует со стекающей жидкостью и непрерывно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость — высококипящим (труднолетучим). Сконденсированные пары, которые отводятся из верхней части колонны, состоят в основном из низкокипящего компонента и называются дистиллятом. Жидкость, удаляемая из

нижней части колонны (кубовой остаток), по составу близка к чистому высококипящему компоненту. Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей.

Равновесие процессов перегонки и ректификации подчиняет­ся законам академика Д. П. Коновалова.

Первый закон Коновалова определяет качественный состав па­ровой фазы по отношению к составу жидкой фазы: пар, находя­щийся в равновесии с раствором, всегда содержит в избытке тот компонент, прибавление которого к раствору понижает его тем­пературу кипения.

Второй закон Коновалова служит для установления состава не­раздельно кипящих смесей (называемых азеотропными): в экстре­мумах значений давления пара (или температуры кипения) сме­сей составы жидкой и паровой фаз совпадают.

На практике часто приходится иметь дело с нераздельно кипя­щими смесями, например азеотропной смесью этилового спирта с водой, содержащей около 96% (по массе) С₂Н₅ОН. При нор­мальном давлении в этой системе с массовой долей спирта в жид­кости, составляющей 96 %, пар также будет содержать 96 % спир­та. При более высокой концентрации спирта данную систему нельзя разделить на индивидуальные компоненты методом обычной пе­регонки и ректификации.

Для описания условий равновесия разделяемых бинарных сме­сей используют три вида диаграмм:

• зависимости давления пара от состава жидкости

• зависимости температуры кипения смеси от состава жидко­сти и пара

• зависимости состава пара от состава жидкости у .

Идеальные смеси подчиняются закону Рауля, согласно которо­му парциальное давление компонента в парах над жидкостью рав­но давлению пара чистого компонента, умноженному на его моль­ную долю в жидкости:

где — парциальные давления низкокипящего и высококипящего компонентов . — давления насыщенных паров чистых компонентов (при данной температуре) . х — мольная доля низкокипящего компонента в жидкой смеси.

Общее давление П в соответствии с законом Дальтона

На рис. 19.1 представлены изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления для идеальных растворов в зави­симости от состава х жидкой фазы.

На рис. 19.2 приведены зависимости температуры кипения и конденсации от состава фаз. При использовании диаграммы из

Рис. 19.2. Зависимости температу­ры кипения и конденсации от состава жидкой х и паровой у фаз . — температуры кипения низкокипящего и высококипящего ком­понентов соответственно . — ко­ордината произвольной точки . — равновесный состав пара

Рис. 19.1. Изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления для идеальных растворов: — парциальные давления низкокипящего и высококипящего ком­понентов . П — общее давление над раствором . х — состав жидкой фазы

точки , соответствующей составу жидкой смеси, проводят вер­тикаль до пересечения с линией кипения и находят температуру кипения жидкости, а затем из точки пересечения проводят гори­зонталь вправо до пересечения с линией конденсации и опреде­ляют равновесный состав пара .

Для определения соотношения между составами жидкости и находящегося в равновесии с ней пара пользуются диаграммой равновесия пар — жидкость (рис. 19.3). Общее давление существенно влияет на равновесные составы. С увеличением давления кривая равновесия становится менее выпуклой, т. е. приближается к диа­гонали квадрата (штриховая линия на рис. 19.3). Разделить смесь тем труднее, чем ближе кривая = f(x) к диагонали диаграммы.

В промышленности применяют несколько вариантов простой пере­гонки. Процесс проводят в периоди­ческом или непрерывном режиме, однократно и многократно, с деф­легмацией и фракционированием. Рис. 19.3. Диаграмма равновесия пар — жидкость двухкомпонентной (бинар­ной) смеси

Рис. 19.4. Схема установки для простой перегонки:

1 — перегонный куб . 2 — конденсатор-холодильник . 3 — смотровой фонарь .

4—6 — сборники дистиллята

Простая перегонка используется для очистки веществ от мало­летучих и нелетучих примесей, а также в случаях, когда к составу продукта, получаемого в виде дистиллята, не предъявляется строгих требований (различие составов жидкой и паровой фаз достаточно велико). Процесс однократного испарения применяется в техно­логии переработки нефти.

На рис. 19.4 представлена схема установки для простой пере­гонки, работающей в периодическом режиме. Исходную смесь за­гружают в перегонный куб 1, снабженный змеевиком для обогре­ва, и доводят до кипения. Пары направляют в конденсатор-холодильник 2, дистиллят поступает в сборник 4. По окончании про­цесса остаток сливают из куба и в него вновь загружают разделя­емую смесь.

Если требуется получить несколько фракций дистиллята с раз­личным содержанием низкокипящего компонента, то устанавли­вают несколько сборников 4— 6. Простая перегонка в этом случае называется фракционированной дистилляцией.