Главная Обратная связь

Дисциплины:






Разделение бинарных смесей путем перегонки



Различие в составе жидкой смеси и ее насыщенного пара позволяет разделить эти смеси перегонкой. Рассмотрим принципиальную схему разделения смеси состава а (рис. 10).

Рис. 10 Зависимость состава жидкости и пара от температуры

 

Смесь закипает при температуре Т1, и дает насыщенный пар состава b, обогащенный по сравнению с исходной жидкостью компонентом А. Если сконденсировать полученный насыщенный пар, то получим жидкость состава b. Эта жидкость кипит при температуре Т2 и дает насыщенный пар состава с, еще более обогащенный компонентом А. Повторяя эти операции, можно получить компоненты смеси в индивидуальном состоянии, из паровой фазы компонент А, а компонент В из исходной смеси, состав которой при кипении обогащается менее летучим компонентом, достигая в конце концов состава В (линия m ).

В технике различают несколько типов перегонки: перегонка в равновесии, простая перегонка и ректификационная. Перегонка в равновесии характеризуется тем, что весь пар находится в равновесии с жидкостью. Если обратиться к рис.10, то в точке т при Т1, (начало кипения) пара состава в очень мало. Поэтому нагревают систему до более высокой температуры, например, до точки п. Здесь в равновесии находятся пар у и жидкость х. Количество пара определяется отрезком пх, количество жидкости пу. Полученный пар отделяют от жидкости и конденсируют. Очевидно, что этот метод не дает полного разделения смесей, а лишь обогащает конденсат одним из компонентов.

При простой перегонке образующийся пар непрерывно удаляется и конденсируется. Состав исходной жидкости в перегонном кубе при этом непрерывно меняется. Если получаемый пар конденсировать в определенных интервалах температур, то получатся простая фракционная перегонка (рис. 11).

Рисунок 11 - Схема фракционной перегонки.

 

Так, если отводить пар в интервале температур кипения от Т1 до Т2, то получим первую фракцию конденсата, состав которой является усредненным по отношению к предельным значениям аив. При конденсации пара в других интервалах температур получают фракции другого состава.

Наиболее совершенным процессом разделения является ректификация, объединяющая последовательный ряд перегонок в равновесии в один автоматизированный процесс. Аппарат состоит из куба с исходной смесью и колонки с рядом "тарелок". Жидкость состава х1 (рисунок 12) закипает при Т1 и образующийся пар состава y1 поднимается на нижнюю тарелку, где находится конденсат, содержащий несколько больше летучего компонента, чем исходная смесь (так называемая флегма).

 

Рисунок 12 - Изменение состава пара при ректификации.



 

Пар, барботируя через флегму, заставляет ее кипеть, а сам частично охлаждается на DT. При этом он частично конденсируется в жидкость состава х2, а новый пар состава у2 поднимается на следующую тарелку, где процесс повторяется. По мере поднятия пара в колонке он все более и более обогащается летучим компонентом, и на выходе из колонки получается чистый компонент А, если число тарелок достаточно велико. Жидкость на тарелках при их переполнении стекает вниз и обогащается компонентом В (менее летучим), ее температура кипения постепенно повышается от Т1 до , а состав изменяется от Х1 до В.

При ректификации растворов с азеотропами в чистом виде может быть получен только один из компонентов и азеотроп, который ведет себя как чистая жидкость, высоко- или низкокипящая.

Так, в системах с минимумом на кривой Т =f(X) (рис.13) азеотроп переходит в дистиллят, а в кубе остается чистый компонент А (в случае X) и компонент В (в случае У). В системах с максимумом (рис. 13 6) отгоняется чистый компонент А (случай X) или компонент В (случай У), а в кубе остается азеотроп как более высококипящая жидкость.

Рисунок 13 – Разделение азеотропных смесей.

 

3.7 Равновесие «жидкость - пар» для практически несмешивающихся жидкостей

В гетерогенных системах, состоящих из нерастворимых друг в друге жидкостей, компоненты испаряются независимо. Поэтому в образующемся насыщенном паре, который находится в равновесии с двухслойной жидкой системой, парциальные давления каждого из компонентов не зависят от соотношения этих компонентов, а будут равны давлению насыщенного пара этих компонентов в чистом виде.

Общее давление (Сравните парциальное и общее давление для неограниченно смешивающихся жидкостей).

Из этого уравнения видно, что общее давление выше давления пара каждого из компонентов в отдельности.

Жидкость закипает при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему. Следовательно, давление над такой смесью достигает внешнего при более низкой температуре, чем каждый компонент в отдельности, а значит, температура кипения смеси будет ниже температуры кипения каждой жидкости в отдельности при том же внешнем давлении (рис. 14).

Состав насыщенного пара не зависит от соотношения слоев и может быть рассчитан:

 

 

Рисунок 14 - Определение температуры кипения системы из несмешивающихся жидкостей.

 

Рассмотренные особенности гетерогенных жидких систем широко используются на практике. Так, для очистки и выделения многих органических веществ, нерастворимых в воде, их перегоняют с водяным паром. Для этого сосуд с очищаемым веществом нагревают на водяной бане и пропускают водяной пар. Образующаяся гетерогенная смесь кипит при температуре < 100 °С. В дистилляте образуется два слоя: вода и органическое вещество. Перегонку с водяным паром используют для перегонки при более низкой температуре высококипящих веществ и веществ, разлагающихся при температуре их кипения.

Используя уравнения 1 - 5 можно рассчитать так называемый расходный коэффициент пара (g) , т.е. расход водяного пара на единицу массы отгоняемого вещества.

, откуда (3.30)

где mA, mB - масса А и В (A – вода, В – отгоняемое вещество);

МА, МВ - молярная масса А и В.

Из уравнения (3.30) следует, что расход водяного пара тем меньше, чем больше молярная масса и давление отгоняемого вещества.

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...