15.1.2 Простая перегонка (дистилляция)

По способу разделения паровой и жидкой фаз дистилляцию можно подразделить на: однократную, многократную и постепенную.

При однократной дистилляции все количество образовавшихся при частичном испарении исходной жидкой смеси жидкого остатка и равновесного с ним пара отделяются друг от друга однократно. В случае многократной дистилляции процесс однократной дистилляции применяется многократно по отношению к жидкому остатку. То есть в начале происходит процесс отделения равновесного пара от жидкого остатка, а затем этот остаток вновь частично испаряется с последующим отделением от него образовавшегося пара и т.д. Многократная дистилляция позволяет в итоге получить кубовый остаток с большой долей труднолетучего компонента, но количество этого остатка бывает незначительным. При постепенной дистилляции пары отделяются от жидкого остатка по мере их образования. Таким образом постепенную дистилляцию можно рассматривать как предельный случай многократной.

Можно классифицировать процесс дистилляции и по другим признакам. Так если в результате процесса получаются несколько фракций конечного продукта различного состава, то такую дистилляцию называют фракционной. Если для повышения степени разделения смеси образовавшиеся пары частично конденсируют и конденсат (флегму), обогащенный труднолетучим компонентом, смешивают с жидким остатком, то этот процесс называют дистилляцией с дефлегмацией.

15.1.2.1 Однократная дистилляция

Однократную дистилляцию можно проводить как непрерывно, так и периодически. Рассмотрим непрерывный способ проведения процесса, наиболее часто реализуемый в промышленности. Исходная жидкая смесь состава x_F с мольным расходом поступает в испаритель 1 (рис. 15.8), где частично испаряется и переходит в сепаратор 2, служащий для разделения паровой и жидкой фаз. Из сепаратора отводится кубовый остаток состава x_W с расходом и пары, полностью конденсирующиеся в конденсаторе 3 с образованием жидкого дистиллята состава x_D и расходом .

Рис. 15.8. Схема установки для непрерывной однократной дистилляции: 1 - испаритель; 2 - сепаратор; 3 - конденсатор.

Запишем уравнения материального баланса для смеси в целом и для легколетучего компонента

, (15.15)

. (15.16)

Поскольку удаляющийся пар находится в равновесии с кубовым остатком, а в следствии полной конденсации составы пара и дистиллята одинаковы, то систему уравнений (15.15), (15.16) можно дополнить уравнением равновесия

. (15.17)

Система уравнений (15.15)-(15.17) позволяет по известным и x_F, а также определять составы дистиллята x_D и кубового остатка x_W, а также расход последнего . В качестве заданной величины вместо в зависимости от постановки задачи может выступать одна из следующих: x_D, x_W, . Следует иметь ввиду, что эти величины нельзя задавать произвольно. Из (15.15) следует естественное ограничение . Составы продуктов однократной дистилляции также должны находиться в пределах, которые можно установить, преобразуя уравнения (15.15)-(15.16) к виду

, (15.18)

, (15.19)

, (15.20)

где e - доля отгона, то есть доля дистиллята, образующаяся из исходной смеси. При e1 из (15.18) , а из (15.16) . При e0 из (15.19) , а из (15.16) . Таким образом составы продуктов однократной дистилляции находятся в пределах: , . Проиллюстрировать изменение состава продуктов однократной дистилляции в зависимости от доли отгона e можно на T-x-y диаграмме (рис. 15.9). Кроме того, из рис. 15.9 видно, что с увеличением доли отгона возрастает температура кипения смеси.

Рис. 15.9. Составы продуктов однократной дистилляции при различных значениях доли отгона e: x_W, x_D (0<e<1); x'_W, x'_D (e=0); x"_W, x"_D (e=1).

Для определения расхода тепла, которое необходимо подвести к испарителю при проведении процесса однократной дистилляции, следует записать уравнение теплового баланса

, (15.21)

где - тепловая нагрузка испарителя; - энтальпии исходной смеси, кубового остатка и образующегося пара, соответственно.

Процесс перегонки требует большого расхода тепла, которое затрачивается на нагрев и испарение исходной смеси. Часть этого тепла может быть утилизирована, для чего в схему установки включают холодильники дистиллята и кубового остатка (см. рис. 15.19). Нагретая в них, а также в конденсаторе 3 охлаждающая вода может быть использована для предварительного подогрева исходной смеси и других нужд.

Процесс однократной дистилляции можно проводить и периодически. При этом все рассуждения, приведенные выше сохраняются, а величины с точками сверху, означающие отнесение к единице времени, заменяются на аналогичные, но без точек, характеризующие не расходы, а количество.