167

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Тема: «Исследование процесса дистилляции»

Цель работы: Изучение простейшего термического процесса разделения жидких смесей на их составные части, называемого однократной дистилляцией.

Введение

Бинарные жидкие смеси можно разделить на три группы:

1.смеси с практически взаимно нерастворимыми компонентами;

2.смеси с компонентами, растворимыми один в другом полностью;

3.смеси с частично растворимыми компонентами.

Рассмотрим свойства бинарных смесей (растворов) с взаимно раствори-

мыми компонентами.

Кипящая смесь с взаимно растворимыми компонентами подчиняется закону Рауля: парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси над кипящей при какой-либо температуре жидкой смесью равно давлению на-

сыщенного пара этого компонента, кипящего в чистом виде при той же темпе-

ратуре, умноженному на молярную долю этого компонента в жидкой смеси.

молярная доля этого компонента в жидкой смеси; Ра - давление насыщенного пара компонента а при температуре кипения смеси.

Под молярной долей компонента подразумевается отношение числа молей его в смеси к суммарному числу молей обоих компонентов. Если в бинарной смеси вещество с молярной массой μa находится в количестве aж , % от массы,

а вещество с молярной массой μb в количестве b 100 aж , %, то молярные до-

ли компонентов смеси определяются по формулам

Молярные доли летучего и нелетучего компонента в парах можно опреде-

лить по формулам

Обычно расчеты ведутся по летучему компоненту, поэтому пользуются формулами (8.2) и (8.8) и индекс а опускается.

Равновесные составы жидкости x и пара y в молярных долях (в %) и тем-

пературы кипения, оС, при атмосферном давлении для различных бинарных смесей с взаимно растворимыми компонентами приводятся в таблицах в специ-

альной литературе (таблице 8.1).

Рисунок 8.1 – Равновесные составы жидкости x , пара y в мольных массовых долях, % (в числителе) и температура кипения t , оС (в знаменателе) бинарных смесей при 1,013·105 Па

Рисунок 8.1 – Фазовая t-x,y - диаграмма бинарной сме-

си взаимно растворимых компонентов

Рисунок 8.2 – Схема экспериментальной установки однократной дистилляции

1 – электронагреватель; 2 – колба с раствором (этиловый спирт - вода); 3 – термометр; 4 – конденсатор; 5 –

Графически связь между температурой кипения жидкой смеси (летучего и нелетучего компонентов), составом жидкости и составом получающихся паров при заданном давлении выражается фазовой диаграммой.

По оси абсцисс откладываются молярные доли летучего компонента в жидкости (х) и в паре (у); по оси ординат – температуры t. Откладывая по оси ординат температуры кипения t1, t2, t3, … для смесей состава х1, х2, х3, … и

171

соединяя точки плавной кривой, получаем линию кипящей жидкости. А от-

кладывая по оси абсцисс составы паров у1, у2, у3,… соответствующие темпе-

ратурам t1, t2, t3,… и соединяя точки, получаем линию сухого пара или кон-

денсации (рисунок 8.1).

Из диаграммы ясно, что содержание легкокипящего компонента в парах больше, чем в жидкости (у х). Точки E и F соответствуют температурам ки-

пения чистых компонентов при заданном давлении.

Дистилляцией называют перегонку смеси с полной конденсацией полу-

ченных паров. Дистилляция может производиться в установках непрерывно-

го и периодического действия.

Бинарная взаимно растворимая смесь с концентрацией х поступает в по-

догреватель с параметрами, соответствующими точке А (рисунок 8.1), и по-

догревается до состояния кипения, соответствующего точке В. При кипении получаются пары смеси, соответствующие точке С. Далее эти пары с концен-

трацией у поступают в конденсатор. Конденсация паров бинарной смеси протекает при у = const, но с понижением ее температуры. Если осуществить

2-х (или более) ступенчатую дистилляцию, то после этого дистиллят посту-

пает во вторую ступень дистилляционной установки, где аналогичным обра-

зом получают пары с более высокой концентрацией.

В случае, когда дистилляция происходит в установке периодического действия, содержание летучего компонента в исходной жидкости постепенно уменьшается, причем дальнейшая перегонка как в кипящей жидкости ( B ,

B , B ), так и получаемых из нее парах (C , C , C ) идет при увеличи-

вающейся температуре.

Содержание летучего компонента в парах, все время уменьшаясь, стано-

вится равным его первоначальному содержанию в кипящей жидкости, а за-

тем становится еще меньше (точка C ). С этого момента дальнейшая пере-

гонка смеси становится нецелесообразной.

172

Простая однократная дистилляция в промышленных условиях применя-

ется в тех случаях, когда не требуется полного разделения смеси на компо-

ненты или когда точки кипения отдельных компонентов далеки друг от друга настолько, что содержание легкокипящего компонента в парах очень велико по сравнению с содержанием его в жидкости.

Методика выполнения работы

Колба 2 (рисунок 8.2) на 2/3 объема заполняется раствором этилового спирта и воды произвольной концентрации, устанавливается на электрона-

греватель. Собирается установка, пускается охлаждающая вода в конденса-

тор, включается электронагреватель. Раствор нагревается, закипает, начина-

ется процесс дистилляции. Определяется температура кипения раствора в момент начала процесса дистилляции.

Строится фазовая диаграмма бинарной смеси этиловый спирт-вода. Для этого из таблицы 8.2 выписываются 8-10 значений температуры кипения смеси, а также массовые содержания летучего в жидкой (аж) и в паровой (ап)

фазах. Затем по формулам (8.2) и (8.8) подсчитываются значения мольных долей летучего в жидкости и в паре (х и у). Результаты вносятся в таблицу

8.3, по которым строится фазовая диаграмма.

На фазовой диаграмме изображается процесс подогрева исходной смеси от начальной температуры до состояния кипения и процесс дистилляции этой смеси. Определяются по диаграмме мольные концентрации летучего в ис-

ходной жидкой смеси и в парах, равновесных данной смеси.

Таблица 8.2 - Зависимость температуры кипения раствора этиловый спирт-вода от содержания летучего компонента в жидкости и в паре

173

Таблица 8.3 – Результаты расчета