3.6 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 T. 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.