1315

Глава 21. Оборудование для ведения процесса ректификации пищевых сред

Главное, делайте все с увлечением, это украшает жизнь. Ландау Лев Давидович (1908–1968), физик-теоретик, академик АН СССР

Глава 21 оборудование для ведения процесса ректификации пищевых сред

Ректификация – процесс разделения жидких летучих смесей на компоненты или группы компонентов (фракции) путем многократного двустороннего тепло- и массообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостным потоками.

Необходимое условие процесса ректификации – различная летучесть (упругость пара) отдельных компонентов. При взаимодействии противоточно движущихся потоков в процессе ректификации происходит диффузия легколетучего компонента из жидкости в пар и труднолетучего компонента из пара в жидкость. Способ контактирования потоков может быть ступенчатым (в тарельчатых колоннах) или непрерывным (в насадочных колоннах).

Считай несчастным тот день или тот час, в который ты не усвоил ничего нового и ничего не прибавил к своему образованию. Коменский Ян Амос (1592–1670), чешский мыслитель-гуманист, педагог, писатель, основоположник дидактики

21.1. Научное обеспечение процесса ректификации пищевых сред

Диффузионный процесс массообмена при ректификации определяется площадью поверхности контакта фаз F (м²), средней движущей силой процесса С (кг/кг) и коэффициентом массоотдачи, отнесенным к 1 м² поверхности фазового контакта, К [кг/(м²с)]. При этом количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, М (кг/с) определяется как

.

При достаточно большом пути контакта противоположно движущихся потоков по ректификационной колонне можно получить в конечном итоге пар, обогащенный легколетучим компонентом, конденсация которого дает дистиллят, а из нижней части колонны отводится кубовый остаток, представляющий собой труднолетучий компонент.

Жидкостный поток в колонне (флегма) образуется в результате частичной конденсации пара, выходящего из верхней части колонны, или вводится в колонну в виде питания. Отношение количества флегмы f (кг) к количеству дистиллята D (кг) называется флегмовым числом v:

,

где G – количество пара, выходящего из колонны, кг.

Флегмовое число может изменяться от 0 до . При f = 0 полностью выводится и не возвращается в колонну. При f =  весь конденсат пара, выходящего из колонны, полностью поступает на орошение колонны.

Летучесть отдельных компонентов разделяемой смеси характеризуют коэффициентом испарения k = y/x (отношение мольной доли данного вещества в паровой фазе у к мольной доле его в жидкой фазе х при условии, что рассматриваемые фазы бинарной смеси находятся в равновесном состоянии).

При атмосферном давлении нераздельно кипящая смесь системы этанол – вода содержит 97,2 об. % (95,57 масс. %) этанола при температуре кипения 78,15 °С. При том же давлении температура кипения этанола равна 78,3 °С, а воды – 100 °С. При повышении давления растворы с низкой концентрацией спирта (примерно до 30…40 масс. %) образуют пары с большим содержанием спирта, а растворы с высокой концентрацией спирта – пары с меньшим содержанием спирта.

Уравнение материального баланса ректификационной колонны по всему продукту имеет вид

,

где M, D и R – соответственно количество исходного продукта, дистиллята и остатка, кг или Кмоль;

по одному из компонентов (чаще легколетучему)

,

где X_M, X_D и X_R – содержание компонента соответственно в исходном продукте, дистилляте и остатке, масс. % или мол. %.

Совместное решение этих двух уравнений позволяет установить связь между количеством сырья, выходом верхнего и нижнего продукта и их концентраций.

При кипении смеси в пар переходит разное количество компонентов. Быстрее переходит в пар легколетучий компонент, и медленнее – труднолетучий. Таким образом, образующийся пар обогащается легколетучим компонентом, а при его конденсации будет получена жидкая смесь с повышенным содержанием легколетучей низкокипящей жидкости. В соответствии с первым законом Коновалова пар, находящийся в равновесии с раствором, всегда содержит в избытке тот компонент, прибавление которого к раствору понижает температуру кипения.

При определенной концентрации смеси имеют постоянную, максимальную или минимальную температуру кипения. Такие смеси получили название азеотропных или нераздельно кипящих, для которых справедлив второй закон Коновалова, в соответствии с которым при постоянной минимальной или максимальной температуре кипения состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости.

Идеальные смеси следуют закону Рауля: парциальное давление каждого компонента, например парциальное давление Р_А компонента А, пропорционально мольной доле х_А этого компонента в жидкости

,

где – коэффициент пропорциональности, равный давлению насыщенного пара компонента А при данной температуре.

При изменении давления в системе изменяются условия равновесия. Эти изменения подчиняются первому закону Вревского, по которому при повышении давления и температуры кипения смеси в паре возрастает относительное содержание того компонента, испарение которого связано с необходимостью большей затраты энергии.

Второй закон Вревского утверждает, что при повышении давления и температуры смесей, имеющих максимум давления в азеотропной смеси, возрастает относительное содержание того компонента, испарение которого связано с необходимостью меньшей затраты энергии. При повышении давления и температуры кипения смесей, имеющих минимум давления в азеотропной смеси, возрастает относительное содержание того компонента, испарение которого связано с необходимостью меньшей затраты энергии.

Да, я мудрее их, потому что я знаю, что ничего не знаю, а они, ничего не зная, думают, что все знают. Сократ (469–399 до н.э.), древнегреческий философ