ся в холодильнике 10 и подается на орошение абсорбера второй ступени 2, в нижнюю часть которого поступает газ, выходящий из верхней части абсорбера первой ступени 1. Раствор из абсорбера 2 стекает в сборник 4, из которого забирается насосом 7, проходит через холодильник 12 и подается на орошение абсорбера первой ступени 1, в нижнюю часть которого поступает исходная газовая (паровая или парогазовая) смесь с поглощаемым компонентом а. Насыщенный поглощенным компонентом абсорбент из абсорбера первой ступени 1 стекает самотеком в сборник 3, откуда забирается насосом 6, нагревается в теплообменнике 9 и подается в десорбционную колонну 11. Из верхней части десорбера 11 отводится выделившийся из абсорбента компонент а, входивший в состав исходной газовой смеси, а регенерированный абсорбент собирается в сборнике 5.

6.3.АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕГОНКИ

ИРЕКТИФИКАЦИИ СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ

6.3.1.Сущность процессов перегонки и ректификации

Процессы перегонки и ректификации смесей жидкостей на составляющие их компоненты или отдельные фракции широко распространены в современной технологии. В качестве примеров можно привести процессы перегонки нефти в целях получения моторных топлив и смазочных масел, выделения индивидуальных газов из газовых смесей и т.п. процессы. Подавляющее большинство ЛВЖ и ГЖ (этиловый спирт, ацетон, уксусная кислота, бензол и многие другие продукты) получаются с использованием процессов перегонки и ректификации.

Установки для перегонки и ректификации смесей жидкостей дорогостоящие и сложные по своему устройству агрегаты, в которых протекают массо- и теплообменные процессы.

В природе существуют жидкости взаимно растворимые друг в друге, ограниченно растворимые и нерастворимые. Процессы перегонки и ректификации используются для разделения на составляющие их компоненты (простые вещества или отдельные узкие фракции) смесей жидкостей (часто называемых растворами), взаимно растворимых друг в друге. В свою очередь растворы подразделяются на идеальные и неидеальные.

Рассмотрим простейший случай – поведение бинарной (состоящей из двух компонентов: а и b) идеальной смеси, нагретой до кипения в условиях постоянной температуры и давления. Если такую смесь достаточно долго выдержать в замкнутом объеме, то система, состоящая из жидкости и пара, придет в состояние равновесия. Потоки компонентов a и b, из жидкой фа-

202

зы в паровую фазу и обратно будут одинаковы. Но при этом состав пара будет отличатся от состава жидкости.

Введем обозначения:

-компонент a имеет меньшую температуру кипения tка и называется низкокипящим или легколетучим компонентом (сокращено НК);

-компонент b имеет большую температуру кипения tкb и называется высококипящим или труднолетучим компонентом (сокращенно ВК).

Давление насыщенных паров чистых компонентов a и b при данной температуре кипения смеси tкип соответственно обозначим pа и pb.

Таким образом, tка < tкb , а pа > pb .

Идеальные смеси подчиняются закону Рауля и для них можно запи-

ные доли компонентов a и b в растворе, доли моля, причем ха + хb = 1. Разделим обе части выражений (6.39) и (6.40) на одну и ту же величи-

ну pобщ (общее давление в системе) и получим:

В этих уравнениях левые части представляют собой (согласно закону Дальтона) содержание компонентов a и b в паровой фазе:

т.к. уа+ уb = 1.

Таким образом, зная состав раствора, можно найти равновесный состав пара и наоборот. Кроме того, из выражений (6.42) и (6.43) следует, что в паровой фазе содержится больше НК, чем в жидкой фазе. Это положение

203

сформулировано в первом законе Коновалова: пар обогащается тем компонентом, прибавление которого к жидкости повышает давление пара над ней или понижает температуру кипения.

Смеси химически сходных веществ (например, смеси жидких углеводородов, смеси спиртов, смеси органических кислот и т.д.) имеют незначительные отклонения от закона Рауля и практически могут рассматриваться как идеальные. В то же время многие смеси жидкостей не относятся к идеальным, так как имеют отклонения от закона Рауля (положительные или отрицательные) в связи с различием сил сцепления между молекулами каждого из компонентов и между собой. Для бинарной смеси равновесную зависимость можно представить, используя две переменные величины. При робщ = const (большинство процессов перегонки и ректификации проводят при постоянном давлении) равновесные закономерности обычно строят в координатах t – х и t – у. Зная температуры кипения смесей компонентов а и в различного состава, рассчитав значения х и у или найдя их значения в справочной литературе, можно построить совместную диаграмму t – x – y, характеризующую равновесие в системе (рис. 6.19).

Кривая 1 на рис. 6.19 отвечает температурам начала кипения жидкой смеси, кривая 2 – температурам начала конденсации паров. Имея такую диаграмму, довольно легко по составу жидкости (например, ха1) найти равновесный состав пара уа1 и температуру в системе (температуру начала кипения жидкости – t1).

Для анализа процессов перегонки и ректификации более удобна диаграмма у – х, построенная на основе диаграммы t – х – у (рис. 6.20). Кри-

204

вая зависимости ур = f (х) отвечает уравнению (6.43) и называется равновесной кривой для бинарной смеси.

Рассмотренные способы определения равновесного состава жидкой и паровой фаз (как аналитические, так и графические), позволяют произвести технологические расчеты процессов перегонки и ректификации, а также выполнить анализ их пожарной опасности.

Для неидеальных смесей при больших отклонениях от закона Рауля характерны зависимости с явно выраженными минимумами (рис. 6.21, а) и максимумами (рис. 6.21, б) температур кипения.

B′ max

Рис. 6.21. Диаграммы равновесия для бинарных смесей жидкостей с минимумом (а) и максимумом (б) температуры кипения

Из рисунков хорошо видно, что линии кипения и конденсации на диаграммах t – х – у сливаются в одну точку А или В, а на диаграммах х – у ли-

205