Лекция 9. Дистилляционные и ректификационные установки

Бинарные смеси (смеси жидкости и газов) делятся на 3 класса:

1. с практически взаимно не растворимыми компонентами:

Вода и бензол, ртуть и вода. Кипящая смесь из двух взаимно нерастворимых веществ подчиняется закону Дальтона: парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси равно давлению насыщенного пара чистого компонента при температуре кипящей смеси.

2. смесь с компонентами, растворёнными один в другом полностью. Смеси жидкости, в которых силы сцепления между молекулами компонентов, входящих в эту смесь, такие же, как и между молекулами каждого компонента называются идеальными.

Идеальные смеси подчиняются закону Рауля:

Парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси над кипящей при какой-то температуре жидкой смесью равно давлению насыщенного пара этого компонента, кипящего в чистом виде при той же температуре, умноженному на молекулярную долю этого компонента в жидкой смеси.

3. с частично растворимыми компонентами.

Фенол и вода. Содержание летучего компонента в парах таких смесей вычисляется в две стадии: по закону Рауля в пределах растворимости, по закону Дальтона в пределах не растворимости.

Ректификацию и дистилляцию называют часто перегонкой, они представляют собой термический процесс разделения жидких смесей на их составные части.

Дистилляцией называют перегонку смеси с полной конденсацией полученных паров.

Рис. 1 Дистилляционная установка

1. – подогреватель; 2 – дистилляционный аппарат; 3 – концентратор;

4 – вторая ступень дистилляционной установки; 5 – дефлегматор; 6 – сепаратор; 7 – конденсатор; 8 – дистилляционный бак; 9 – бак.

Бинарная взаиморастворимая смесь поступает в подогреватель 1 с параметрами А и подогревается до состояния кипения В. В дистилляционном аппарате 2 получается пары смеси соответственной С. Далее пары с концентрацией Х₂ поступает в концентратор 3. Концентрация паров бинарной смеси протекает при Х₂=const. После этого дистиллят поступает во вторую ступень дистилляционной установки, аппарат 4. Во второй ступени получаются пары с более высокой концентрацией . Из аппарата 4 пары поступают в дефлегматор 5. В дефлегматоре происходит частичная концентрация паров и получается влажный пар в т. F. Влажный пар является смесью сухого пара с концентрацией Х₅ и жидкости с концентрацией Х₄. Затем поступает в сепаратор 6, где происходит отделение пара от жидкости. Жидкость с концентрацией поступает в дистилляционный бак 8, а пары с концентрацией направляется в конденсатор 7, где превращаются в дистиллят и поступают в бак 9.

Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют более сложный вид перегонки – ректификацию. Ректификации заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с с жидкостью, получающейся при конденсации паров. Процесс ректификации осуществляется в установках, где происходит нагрев, испарение смеси, а затем многократный тепло и массообмен между жидкой и паровой фазами легкокипящей компонент переходит из жидкой фазы в паровую, а высококипящий компонент – из паровой фазы в жидкую.

Рис. 2 Ректификационная установка

В перегонном кубе I происходит испарение бинарной смеси. Пары смеси поднимаются в ректификационной колонне вверх, а навстречу им из дефлегматора III (через сепаратор IV) стекает флегма – жидкая бинарная смесь. Пары на входе из ректификационной колонны II, имеющие параметры т.8, поступая в дефлегматор, частично конденсируются за счет тепла, отдаваемого воде, которая циркулирует в дефлегматоре. Парожидкостная эмульсия с параметрами т.С, поступает в сепаратор IV, где происходит отделение пара с параметрами т.10 от жидкости с параметрами т.9. Отсепарированный пар поступает в конденсатор V, где конденсируется до т.11 и в виде готового продукта поступает в бак VI. Процесс в колонне происходит следующим образом: жидкость полученная в сепараторе IV с паром 9 вступает в контакт с парами т.6, в результате образуется пар состояния 8 и флегма состояния 7. Эта флегма по опускной трубе сливается на нижнюю тарелку и вступает в контакт с парами состояния 4. После сепарации образуется флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т.д.

Количество флегмы в килограммах, приходящееся на 1 кг пара любого сечения колонны называется флегмовым числом. В расчетах по всей колонне принимается постоянное флегмовое число.