Простая перегонка.

Перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров.

Простая перегонка может проводиться с отбором фракций, с дефлегмацией, с водяным паром или под вакуумом (молекулярная перегонка).

Фракционная перегонка заключается в постепенном испарении жидкости, находящейся в перегонном кубе (рис. 4). Образовав­шиеся пары отводятся в холодильник и там конденсируются, а дис­тиллят собирается в сборнике. Кубовый остаток удаляется из куба после окончания процесса. Обогрев куба осуществляется насыщен­ным водяным паром или дымовыми газами.

При испарении смеси содержание легколетучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается от максимального в начале до минимального в конце перегонки. Это позволяет получать несколько фракций дистиллятов различного состава, собирая их в разные сборники. Способ перегонки с разделением смеси на несколько фракций, в различной степени обогащенных летучим компонентом, называется фракционной перегонкой.

При простой перегонке образующийся пар отводится из куба и в каждый данный момент находится в равновесии с оставшейся жид­костью.

При составлении материального баланса простой перегонки допустим, что в некоторый момент времени t в перегонном кубе находится L кг смеси с концентрацией х низкокипящего компонен­та. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dt испарится dL кг. Тогда количество жидкости и состав ее меняются и состав­ляют соответственно (L-dL) и (x-dx). Количество образующегося за этот промежуток времени пара равно уменьшению количества жидкости dL, а его состав у_р является равновесным с х. Содержание летучего компонента в жидкости к началу рассматриваемого про­межутка времени составляет Lx, а к концу- (L — dL)(x — dx). Коли­чество же летучего компонента, перешедшего за этот промежуток времени в пар, равно y_pdL. Таким образом, уравнение материаль­ного баланса по летучему компоненту за рассматриваемый проме­жуток времени может быть записано так:

Lx = (L-dL)(x-dx)+y_pdL.

Раскрывая скобки и пренебрегая членом dLdx как бесконечно малой величиной второго порядка, получим

Ldx = (y_p-x)dL; dL/L = dx/(y_p-x). (8)

В начальный момент перегонки количество жидкости в аппарате равно количеству начальной смеси F (состава x_f), а в конечный момент — количеству остатка W (состава x_w). Таким образом, пре­делы интегрирования будут для левой части F и W, для правой части x_f и x_w:

Интегрируя левую часть, получим

(9)

Вид функции у_р = f(x) устанавливается экспериментальным путем, поэтому интегрирование правой части уравнения (9) про­водится графически. Для этого для ряда значений х в пределах x_F до x_w находят из диаграммы у—х равновесные значения у_р. Строят

зависимость от х и по размеру площади под кривой, ограниченной значениями x_F и x_w, определяют величину искомого интегра­ла. После этого по уравнению (9), зная количество загруженной смеси F, ее концентрацию x_f и концентрацию кубового остатка x_w, определяют количество кубового остатка W.

Средний состав дистиллята определяют из уравнения материаль­ного баланса

Fx_f=Wx_w + (F - W)x_dср,

откуда

(10)

Простая перегонка с дефлегмацией (рис. 5) проводится для увеличения степени разделения исходной смеси. В этом случае пары, уходящие из перегонного куба, поступают в дефлегматор, где частично конденсируются. При частичной конденсации образуется флегма, обогащенная труднолетучим компонентом, которая сли­вается обpaтно в куб и взаимодействует с выходящими из куба пара­ми.

Пары обогащенные легколетучим компонентом, поступают в конденсатор. Дистиллят собирается в сборниках. Кубовый остаток удаляют из перегонного куба после достижения заданной концент­рации x_w.

Перегонку с водяным паром проводят с целью понижения темпе­ратуры кипения исходной смеси веществ, кипящих при температу­рах свыше 100 °С, компоненты которой нерастворимы в воде. При такой перегонке отгоняемый компонент получается обычно в виде смеси с водой при температуре кипения или атмосферном давле­нии - меньшем, чем температура кипения воды.

Общее давление паров над смесью равно сумме давлений чистых компонентов при той же температуре (Р = Р_А + Р_В)- Следователь­но при атмосферном давлении парциальное давление водяного пара над смесью Р_В = Р- Р_А< P.

На рис. 6 показана диаграмма для определения температур кипения при перегонке с водяным паром, которая определяется как точки пересечения кривой упругости водяного пара с кривыми упру­гости различных жидкостей.

По диаграмме температура перегонки бензола с водяным паром при атмосферном давлении составляет 69, 5 °С, а при р = 0, 0395 МПа — около 46 °С, толуола при атмосферном давлении — 85 °С.

Схема установки для перегонки с водяным паром показана на

Рис. 6. Диаграмма для определения температур кипения при перегонке с водяным паром

рис. 7. Исходная смесь загру­жается в перегонный куб, в рубашку которого подается глу­хой насыщенный водяной пар. Внутрь куба в исходную смесь барботируется острый водяной пар. Пары, образующиеся при кипении смеси, поступают в кон­денсатор и далее в сепаратор, где конденсат разделяется. Из сепаратора удаляются вода и нерастворяющийся в воде легко­летучий компонент, который, собирается в сборнике.

Отношение количества ото­гнанного компонента к количе­ству водяного пара

G_K/G_B = Р_КМ_К/(Р_ВМ_В), (11)

Рис. 7. Установка для пере­гонки с водяным паром: 1 - куб; 2 — конденсатор; 3 — сепаратор

Парциальное давление водяного пара р_в = Р—jр_к, где Р — общее давление; j — степень насыщения. Тогда из (11)

(12)

Молекулярная перегонка используется для разделения компонен­тов, кипящих при высоких температурах и не обладающих необхо­димой термической стойкостью. Процесс проводится под глубоким вакуумом, соответствующим остаточному давлению 1, 31…0, 131 Па.

Молекулярная перегонка протекает путем испарения жидкости с ее поверхности. Процесс осуществляется на близрасположенных поверхностях испарения и конденсации, причем расстояние между ними (обычно 20...30 мм) должно быть меньше длины свободного пробега молекул. В этом случае отрывающиеся от поверхности испарения молекулы летучего компонента попадают на поверхность конденсации и конденсируются на ней. Разность температур между поверхностями испарения и конденсации порядка 100 °С.

На рис. 8 показана схема аппарата для молекулярной перегон­ки. Исходная смесь поступает в аппарат через трубу на дно ротора. Под действием центробежной силы поступившая жидкость подни­мается в виде тонкой пленки по конусу, одновременно нагревается излучением от электронагревателя и испаряется. Оторвавшиеся с поверхности испарения молекулы уносятся к поверхностям конденсации. Пары менее летучего компонента конденсируются на поверх­ности конденсатора 4, а пары более летучих компонентов — на поверхности конденсатора 5. Первая фракция стекает с поверхности конденсатора 4 на поддон 8, а вторая конденсируется на змеевике и стекает на поддон 7. Неиспарившаяся часть жидкости под действием центробежной силы переливается через край ротора в отводной желоб и удаляется из аппарата.

Из поддона 8 дистиллят отводится через периферийную секцию кольцевого сборника, а из поддона 7—через центральную секцию.