11. Перегонка. Материальный баланс простой перегонки.

Перегонкой называют процесс разделения жидких смесей на фракции различных составов путём их частичного испарения с последующей конденсацией образовавшихся паров.

Перегонку подразделяют на простую и равновесную. Простой перегонкой называют процесс частичного испарения кипящей жидкой смеси с непрерывным отводом и конденсацией образовавшихся паров. Для равновесной дистилляции характерно испарение части жидкости и продолжительный контакт образовавшихся паров с неиспарившейся жидкостью до достижения фазового равновесия.

Рассмотрим баланс процесса дистилляции. Остаток жидкости в кубе выразится как G – dG, и состав х – dx, где dG – количество испарившейся жидкости.

Содержание НКК в остатке жидкости составит (G - dG)(x - dx).

Количество дистиллята равно количеству испарившейся жидкости dG, а состав его является равновесным с х.

Материальный баланс легколетучего компонента можно представить

G_x = (G - dG)(x - dx) + ydG.

G_x = G_x - xdG + dxdG – Gdx + ydG, где dxdG – бесконечно малая величина

Gdx = dG(y - x)

Температура кипения неоднородной смеси нерастворимых жидкостей всегда лежит ниже точки кипения самой низкокипящей из них. Из этого следует, что если в жидкость, несмешивающуюся с водой и кипящую при высоких температурах, добавить воду, то температура кипения такой смеси при атмосферном давлении будет ниже 100^оС.

Р = Р_В + Р_А, откуда парциальное давление водяного пара над смесью

Р_В = Р - Р_А.

При атмосферном давлении Р_В < 760 мм.рт.ст., а насыщенному водяному пару с давлением меньше 760 мм.рт.ст. составляет температура ниже 100^оС. Таким путём перегоняются жирные кислоты, анилин, нитробензол, скипидар и др.

Расход водяного пара на перегонку теоретически определяется из соотношения.

 Практически, уходящие из перегонного аппарата водяные пары не насыщаются полностью парами отгоняемого компонента. Поэтому практическое G_B всегда больше теоретически определяемого. Учитывая это, в уравнение расхода пара вводят коэффициент насыщения j

12. Ректификация. Ректификация при разных давлениях.

Ректификацией называется процесс переноса компонента (компонентов) между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз.

При соприкосновении поднимающихся в колонне паров со стекающей вниз жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паровой фазы конденсируется преимущественно высококипящий компонент (ВКК), а из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (НКК). Таким образом, стекающая жидкость обогащается высококипящим компонентом, а пары обогащаются НКК. Вверху колонны выходят пары, состоящие из одного НКК и при их конденсации образуется ректификат. Часть ректификата поступает в верхнюю часть колонны на орошение и называется флегмой. Из нижней части колонны вытекает жидкость, состоящая в основном из ВКК, её называют кубовым остатком.

Взаимодействие пара и жидкости на тарелке ректификационной колонны можно проследить на t-x-y диаграмме для бинарной смеси.

Пары А с нижней тарелки n-1 смешиваются на вышележащей тарелке n с жидкостью (флегмой) В. Пар А и флегма В не являются равновесными. Температура пара tA выше температуры флегмы tВ, поэтому пар при смешивании с флегмой частично конденсируется, а за счёт теплоты конденсации часть жидкости при этом испаряется.

Пар обогащается НКК, и точка А сдвигается по линии конденсации и в момент равновесия займёт положение D. В момент равновесия температура пара и жидкости одинаковая, то фигуративная точка флегмы, равновесная пару состава D, расположится на изотерме tD, которая обозначена через g. На рассматриваемой тарелке n пары обогатятся летучим компонентом, изменив свой состав с УA на УD, а флегма обогатится более высококипящим компонентом, по которому состав её изменится с XВ на Xg.

В зависимости от температуры кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением. При tкип = 30-150оС ректификация осуществляется обычно под атмосферным давлением.

При разделении высококипящих жидкостей для снижения температур их кипения ректификацию проводят под вакуумом.

Ректификацию под давлением проводят при разделении жидкостей с низкой температурой кипения, когда разделяемая смесь при атмосферном давлении находится в газообразном состоянии (примером служит разделение сжиженных газов).

Давление в кубе всегда больше давления на верху колонны на величину её гидравлического сопротивления. Поэтому гидравлическое сопротивление колонн, работающих при разрежении, должно быть как можно меньшим.

13. Экстрагирование. Материальный баланс экстракции. Экстрагированием называется извлечение одного или нескольких компонентов из смеси веществ путём обработки её жидким растворителем, обладающим способностью избирательно растворять только извлекаемые компоненты. В химической промышленности наиболее распространена экстракция в системах жидкость-жидкость.

Жидкостная экстракция предусматривает две технологические операции:

- контактирование исходной смеси с растворителем, в ходе которого осуществляется собственно массообменный процесс, т.е. переход компонента через границу раздела из одной фазы в другую;

• отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.

Таким образом, жидкостная экстракция предполагает неполную взаимную растворимость исходной смеси и растворителя – в противном случае вторая операция неосуществима. Операция контактирования фаз обычно проводится путём распределения (дробления) одной фазы в виде капель в объёме другой.

Разделение жидких смесей экстрагированием ведётся при низких температурах, что даёт возможность разделить смесь, состоящую из термически нестойких компонентов. Экстрагированием можно разделить азеоторопные смеси, а также смеси, состоящие из близкокипящих компонентов.

Экстрактом называется экстрагент, содержащий извлечённый компонент и часть исходного растворителя. Исходная смесь, обеднённая извлекаемым компонентом и содержащая некоторое количество экстрагента, называется рафинатом.

Экстрагент должен обладать селективностью, лёгкой регенерируемостью, отличаться от исходного раствора по плотности и вязкости, обеспечивающих процесс расслоения фаз. Кроме того, экстрагент должен по возможности быть малолетучим, нетоксичным, доступным и с низкой стоимостью.

Экстрагирование включает следующие основные операции:

- смешение исходной смеси веществ и экстрагента с целью более тесного контакта между ними;

- механическое разделение двух несмешивающихся фаз на так называемые экстракт и рафинат;

- удаление и регенерацию экстрагента из экстракта и рафината.

Разделение образовавшихся фаз может происходить вследствие разности плотностей, либо под действием поля центробежных сил. Регенерация экстрагента из рафината и экстракта может производится дистилляцией, ректификацией, выпариванием и другими методами.

Промышленные методы экстрагирования могут осуществляться в аппаратуре периодического и непрерывного действия. В первых исходная смесь и растворитель загружаются периодически и в процессе экстракции непрерывно может выделяться только один компонент исходной смеси. В установках непрерывного действия загрузка исходной смеси и растворителя осуществляется непрерывно и непрерывно выделяются оба компонента разделяемой исходной смеси.

В настоящее время жидкостная экстракция применяется в химической технологии, гидрометаллургии, аналитической химии для извлечения, разделения, концентрирования и очистки веществ. Экстракционные процессы используются в производстве органических продуктов, антибиотиков, пищевых продуктов, редкоземельных элементов, ряда редких, цветных и благородных металлов, в технологии ядерного горючего, при очистке сточных вод.

В состоянии равновесия при определённой температуре концентрации растворённого вещества в экстракте и рафината находятся между собой в функциональной зависимости

у = f(х) (1)

Эта зависимость на диаграмме в системе координат х-у может быть изображена в виде кривой, ход которой определяется экспериментально на основе простых измерений. Иногда равновесие может быть изображено на диаграмме х-у в виде прямой или уравнением у = k_р × х (2), т.е. система подчиняется закону равновесного распределения вещества между экстрактом и рафинатом.

Здесь k_р – постоянная величина при данной температуре, называется коэффициентом распределения

k_р = y/x

Уравнение (2) справедливо при условии, если исходный растворитель и экстрагент взаимно совершенно нерастворимы, отсутствует ассоциация или диссоциация молекул экстрагируемого вещества и отсутствует химическое взаимодействие между фазами.

Процессы экстрагирования подчиняются общим законам массопередачи. Уравнение материального баланса для процесса экстракции в общем виде можно записать:- L × dx = G × dy (3)

Уравнение (3) интегрируется в пределах в зависимости от условий проведения экстрагирования.

Рассмотрим случай, когда жидкости взаимно нерастворимы.

Примем, что у_о – содержание чистого растворителя,

х_о – начальное содержание экстрагируемого компонента в

исходной смеси,

х₁ – конечное содержание экстрагируемого компонента в той же

смеси,

у₁ – конечное содержание экстрагируемого компонента в

экстрагенте.

При однократном контакте жидкостей (исходной смеси и экстрагента) уравнение материального баланса проинтегрируется в пределах от х_о до х₁ и от 0 до у₁, т.е.

FE – рабочая линия пересекает кривую равновесия в точке Е, определяя состав экстракта у₁ и рафината х₁. FE – рабочая линия пересекает кривую равновесия в точке Е, определяя состав экстракта у₁ и рафината х₁.

Если справедлив закон распределения, то совместное решение уравнения равновесия у = k_р × х и уравнение (4) приводит к соотношению:

-L × (х₁ – х_o) = G × k × x или

L × х_o = L × х₁ + k × G × х₁, откуда

х₁ = L × х_o/(L + k × G) - уравнение позволяет вычислить состав жидкости

после экстрагирования