23.Разделение низкокипящих смесей. Экстрактивная Ректификация.Схема установки.
Разделение смесей близкокипящих компонентов, имеющих очень низкую относительную летучесть (α ≤ 1,05) обычной ректификацией затруднено. В этом случае кривая равновесия подходит очень близко к диагонали на х – у диаграмме и даже при большом коэффициенте избытка флегмы число тарелок очень велико.
Величину α можно повысить, используя вакуумную ректификацию. Но вакуум обходится дорого. Предельный случай близкокипящих смесей – азеотропные (нераздельно кипящие) смеси. У них α = 1. Разделить такие смеси можно при значительном изменении давления, что дорого. Более эффективно разделение путем добавления к исходной бинарной смеси растворимого в ней третьего компонента – разделяющего агента, который резко повышает относительную летучесть основных компонентов.
Например, при добавлении фурфурола к смеси н-бутана (tкип=-0,5˚С) и бутена-2 (tкип=0,9˚С) коэффициент относительной летучести α возрастает с 1,01 до 1,7.
1 и 2 – равновесные кривые смеси близкокипящих компонентов (а) и азеотропной смеси (б); 3 и 4 - равновесные кривые при добавлении экстрагирующего агента. Экстрагирующий агент не образует азеотропных смесей с разделяющими компонентами, менее летуч, чем последние и экстрагирует ВК из паровой фазы, увлекая его в кубовый остаток.
Экстрагирующий агент хорошо растворяет ВК, но полохо растворяет НК.
Схема ректификационной установки:
А
+В
– исходная смесь; А – НК; В – ВК; С –
экстрагирующий агент.
Компонент С в жидком виде поступает на одну из верхних тарелок колонны1. Дистиллят колонны 1 – компонент А (НК). Смесь В+С делится в колонне 2 на дистиллят В (ВК) и кубовый остаток – компонент С, возвращаемый в колонну 1.
Добавка экстрагирующего агента усложняет установку: вместо одной колонны – две. Следовательно, растут и тепловые затраты.
24.Азеотропная ректификация.Схема установки.Разделение смеси этанола с водой с добавлением бензола.
При азеотропной ректификации разделяющий агент образует азеотроп с одним или несколькими компонентами исходной смеси. Применяют разделяющий агент, образующий азеотроп с минимумом температуры кипения (чаще всего) или максимумом температуры кипения. Рассмотрим схему с минимумом температуры кипения.
1 – ректификационная колонна, 2 – сепаратор (отстойник), 3 и 4 – подогреватели,5 и 6 – холодильники. А+В – исходная смесь; А – НК; В – ВК; С – разделяющий агент. Сверху колонны 1, орошаемой разделяющим агентом С, уходит азеотроп А+С, снизу В (кубовый остаток, ВК). Крмпоненты А и С практически нерастворимы, поэтому жидкая смесь А+С разделяется в сепараторе 2 на компоненты А – НК и С, возвращаемый после подогрева на орошаемые колонны 1. Если компоненты А и С хорошо растворимы, для их разделения иногда применяют экстракцию.
В промышленности азеотропную ректификацию применяют, например, при разделении азеотропной смеси этанол-вода (температура кипения 78,15˚С), т.е. для абсолютирования спирта. Разделяющий агент (бензол) практически нерастворим в воде, смешивается во всех соотношениях с этанолом и образует тройной гетероазеотроп (7,4% воды, 18,5% спирта, 74,1% бензола) с температурой кипения 64,85˚С. Кубовый остаток азеотропной колонны – безводный спирт. Имеются также отгонная и укрепляющая колонны. В азеотропной ректификации с минимумом температуры кипения расход тепла больше, чем в экстрактивной ректификации, т.к. приходится испарять разделяющий агент.