 |
Классификация бинарных смесей
|
|
|
|
В зависимости от взаимной растворимости компонентов различают смеси жидкостей:
1) с неограниченной взаимной растворимостью;
2) взаимно растворимые;
3) ограниченно растворимые друг в друге.
Смеси с неограниченной растворимостью компонентов в свою очередь делятся на:
а) идеальные смеси;
б) не идеальные смеси с положительным или отрицательным отклонением от закона Рауля.
1. Идеальные смеси - это смеси, в которых силы сцепления между молекулами обоих компонентов такие же, что и между молекулами каждого из компонентов.
2. С положительными отклонениями - в которых силы сцепления между молекулами НК и ВК меньше, чем между молекулами каждого из компонентов.
3. С отрицательными отклонениями - в которых силы сцепления между молекулами НК и ВК больше, чем между молекулами каждого из компонентов.
Примеры. 1 - Взаимно-нерастворимые смеси: вода и бензол. Бензол - НК, а вода - ВК. Ткип. Бензола + 80° С ниже, Ткип. Воды. Характерной особенностью взаимно-нерастворимых жидкостей(вода - бензол) является то, что Ткип. ее всегда ниже Ткип. каждого из компонентов. Смесь вода-бензол кипит при Т = 69° С.
2 - Взаимно-растворимые смеси: жидкий воздух состоит их НК азот
Ткип. - 196о С, ВК - кислород, Ткип. - 183о С. Смеси взаимнорастворимых жидкостей (смешивающихся в любых соотношениях), таких как этиловый спирт и вода, бензол и толуол, не всегда поддаются разделению путем перегонки. Некоторые из них образуют азеотропные смеси, т.е. такие смеси, у которых при определенной температуре состав паров будет таким же, как состав исходной смеси. При этой температуре смесь полностью испарится без разделения на компоненты. Азеотропная смесь образует, например, вода с азотной кислотой, вследствие чего невозможно получить концентрированную азотную кислоту из разбавленной путем простой перегонки. Концентрирование азотной кислоты производят путем перегонки с серной кислотой.
|
|
|
Смеси взаимнорастворимых смесей (жидких) поддаются разделению лишь в том случае, если Ткип. данной смеси изменяется при изменении ее состава, т.е. когда состав паров постоянно отличается от состава исходной смеси.
В этом случае перегоняемая жидкость постепенно обогащается ВК и Ткип. ее повышается.
Примером частично растворимых друг в друге жидкостей является смесь воды и эфира. Такие жидкости при условии взаимного насыщения и наличия избытка одной из жидкостей начинают вести себя как несмешивающиеся.
При этом они дают паровую смесь одинакового состава с постоянной точкой кипения, сохраняющейся до тех пор, пока одна из жидкостей будет в избытке.
Лекция №18
Тема: Способы перегонки
Фракционная перегонка
Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляемый периодически или непрерывным способом.
Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса.
В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной перегонкой:
|
|
|
В периодической действующей установке для фракционной перегонки исходную смесь загружают в перегонный куб-1, снабженный змеевиком для обогрева и доводят до кипения. Пары отводят в конденсатор змеевик-2. Фракция дистиллята поступает через смотровой фонарь-3 в отдельные сборники-4-6. По окончании операции остаток сливают из куба, после чего в него вновь загружают разделяемую смесь.
Простая перегонка с дефлегмацией
Для повышения степени разделения смеси перегонку осуществляют дополнительно обогащая дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба-1 поступают в дефлегматор-2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируются преимущественно ВК и, получаемая жидкость, (флегма) сливается в куб. Пары, обогащенные НК, направляются в конденсатор-хо-лодильник-3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборниках-4. Окончание операции контролируют по Ткип. жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка. Последний удаляется из куба через штуцер-7.
Дефлегмация - это частичная конденсация паров, т.е. конденсация, проводимая при такой температуре, чтобы пары конденсировались не полностью.
При этом условии менее летучее вещество - ВК - легче конденсируется, чем НК, VI, следовательно, не сконденсировавшаяся часть паров будет состоять преимущественно из НК, а образовавшийся конденсат - флегма, стекающая обратно в Перегонный куб, представляет собой почти чистый ВК.
ВК - это вещество менее летучее, т.е. которое в нормальных условиях находится в жидком состоянии и испаряется только при значительном повышении температуры.
Отсюда вывод: если вещество, не обладающее большой летучестью, находится в парообразном состоянии, его легко превратить в жидкость (сконденсировать) при понижении температуры.
Перегонка под вакуумом и перегонка с водяным паром
Оба метода применяются для разделения высококипящих смесей и основаны на изменении температуры кипения веществ от внешнего давления. Чем выше давление, тем выше температура кипения и наоборот.
Свойства взаимно нерастворимых жидкостей используются при перегонке с водяным паром. При введении острого пара в смеси некоторых органических высококипящих веществ, последние могут образовывать с водой смеси взаимно нерастворимых жидкостей. Такие смеси можно перегонять при температуре ниже точки кипения воды.
|
|
|
Перегонка с водяным паром
Этим способом обычно разделяют смеси веществ, кипящих при температурах, превышающих 100о С, что и обуславливает необходимость подачи воды в куб в виде острого пара (перегретого). Исходная, смесь загружается в куб-1, обогреваемый глухим паром через рубашку. Внутрь куба через барботер-2 подается острый пар. Пары, образующиеся при испарении смеси, направляются в конденсатор-холодильник-3. Образующийся здесь конденсат через смотровой фонарь-4 поступает на разделение в сепаратор-5. Снизу сепаратора через гидравлический затвор удаляется вода, а сверху - отогнанный растворимый в воде более легкий компонент, который сливается в сборник-6.
Метод фракционной перегонки позволяет получить более или менее чистые компоненты, отбирая дистиллят по фракциям (первая фракция будет содержать максимальный процент НК и минимальный процент ВК). В ходе перегонки, вследствие преимущественного испарения НК процент ВК в оставшейся смеси увеличивается, Ткип смеси повышается и, следовательно, ухудшается состав выделяющихся паров. В результате следующие фракции дистиллята будут содержать все меньший процент НК.
Лекция№19
Тема: Ректификация
Простая перегонка не дает возможности полностью разделить смесь на чистые компоненты. Для этой цели необходимо осуществить многократную перегонку одной и той же жидкости и одновременно с этим для улучшения состава выделяющихся паров проводить их дефлегмацию, т.е. частичную конденсацию. Однако выход НКК будет мал по отношению к его количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.
Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.
|
|
|
Сущность процесса ректификации заключается в том, что в нем объединены оба процесса - частичное испарение (перегонка) жидкости и частичная конденсация паров. Обе эти операции осуществляются одновременно и многократно в ректификационной колонне (см. схему).
а) теплообменник;
б) ректификационная колонна;
в) выносной кипятильник;
г) флегмовая емкость;
д) конденсатор (дефлегматор);
е) насос.
Для процесса ректификации применяют в основном тарельчатые колонны. В них установлены горизонтальные тарелки с устройствами, обеспечивающими хороший контакт между жидкостью и паром (колпачковые, ситчатые, барботажные тарелки). Диаметр колонн бывает от 300-400 мм до 12 м и более. Высота колонн определяется количеством тарелок (от 10-30 до 100) и высота 30-70 м.
Подлежащая разделению смесь непрерывно подается в ректификационную колонну через ввод (называющиеся питательными тарелками), расположенный несколько выше середины корпуса колонны. Питательные тарелки делят колонну на две части: 1 - верхняя - укрепляющая; 2 - нижняя - исчерпывающая или куб колонны.
Куб колонны обычно снабжен выносным кипятильником, в межтрубное пространство которого подается пар.
Введенная смесь углеводородов опускается по контактным устройствам в нижнюю часть колонны, называющуюся кубом. Навстречу потоку жидкости, поднимается пар, образующийся в результате кипения жидкости в кубе колонны (выносном кипятильнике).
Вопрос: "Что горячее - пар или жидкость?" - Пар горячее. Поэтому на каждой тарелке ректификационной колонны при соприкосновении пара с жидкостью между ними происходит теплообмен. Более горячий пар отдает часть тепла жидкости, вследствие чего, жидкость частично испаряется, а пар частично конденсируется.
Вопрос: "Как изменяется состав жидкости при частичном испарении и состав пара при частичной конденсации?" (Вспомним сущность методов простой перегонки и дефлегмации паров).
Вывод: При соприкосновении паров с жидкостью на тарелках ректификационной колонны, жидкость обогащается ВКК, а пары - НКК. При переходе паров на вышерасположенную тарелку, те же процессы повторяются, с той лишь разницей, что температура флегмы будет ниже и, следовательно, условия для конденсации ВКК из паров более благоприятные.
При достаточно большом числе тарелок пары, поднимающиеся с верхней тарелки, будут содержать почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), откуда часть образовавшегося конденсата - флегма подается на верхнюю тарелку для орошения колонны, а другая часть отводится как готовый продукт - дистиллят.
|
|
|
Флегма, стекающая с нижней тарелки колонны в перегонный куб, будет содержать преимущественно ВКК.
Количественное отношение флегмы к дистилляту, поступающему в сборник-г после его охлаждения в конденсаторе-д) (дефлегматоре) называется флегмовым числом.
Режим работы колонны
Тверха - Ткип. вещества, уходящего сверху колонны
Ткуба - Ткип. вещества, уходящего из куба колонны
Пример: Смесь: А - 40° С режим Тверха = 40° С
В - 60° С Ткуба =60° С
Если сверху и с низа колонны отбирается смесь углеводородов, то температура кипения находится по правилу аддитивности, т.е. учитывается процентное содержание вещества.
А-40°С Тверха = 0,3 * 40 + 0,7 * 60°С А-30%; В-70%;
В-60°С Тниза = 0,15 * 120°С+ 0,85 * 150° С С-15%; Д-85%;
С-120°С
Д-150°С
Если в колонне разделяются жидкости, то она работает под атмосферным давлением. Давление в кубе всегда на 0,5 кГс/ 
больше, чем наверху. Если в колонне разделяют газы, то их сначала сжимают до состояния жидкости, и это давление поддерживают в колонне.
Материальный баланс
Обозначим:
F - количество поступающей на ректификацию смеси (кмоль/сек),
Р - количество полученного дистиллята (кмоль/сек);
W -количество остатка (кмоль/сек);
- состав смеси;
- состав дистиллята;
- состав остатка.
Тогда уравнение материального баланса для всего количества смеси примет вид:
F = Р + W;
и уравнение материального баланса для НКК:
F * 
= Р * + W *
Пример: На ректификацию поступает смесь метанол-вода в количестве = 5000 кг/час, содержащая метанола А! 40 вес%. Содержание метанола в дистилляте А=98,5 вес%, в кубовом остатке А=1,5 вес%.
Определить количество дистиллята и остатка.
Решение: по уравнениям материального баланса, составленного для весовых количеств, имеем:
5000 = Р + W;
5000 * 0,4 = Р 0,985 + W 0,015;
Совместным решением этих уравнений находим:
Р=1985 кг/ч=0,552 кг/сек, W=3015 кг/ч=0,838 кг/сек.
Лекция №20
|
|
|
