нии равновесия в точках А' и В' пересекают диагонали. В этих точках состав пара не отличается от состава жидкости, а сами точки называются точками азеотропных составов. Азеотропные, или нераздельнокипящие, смеси обладают следующими особенностями:

-азеотропная смесь имеет минимальную (рис. 6.21.а) или максимальную (рис. 6.21.б) температуру кипения по сравнению со смесями этих компонентов любого другого состава. Бинарные смеси жидкостей органического происхождения обычно образуют системы с минимумом температуры кипения. Например, смеси ацетона и метилового спирта, бензола и уксусной кислоты, изопропилового спирта и воды, метилового спирта и бензола, сероуглерода и ацетона, толуола и уксусной кислоты, четыреххлористого углерода и этилового спирта, этилового спирта и бензола и т.д.;

-кипение азеотропной смеси, как и чистого вещества, происходит при постоянной температуре;

-азеотропная смесь кипит (испаряется) без изменения состава. Свойства нераздельнокипящих смесей обобщаются вторым законом

Коновалова: максимум на кривой давления пара (пунктирная линия на диаграммах p – x – y) отвечает минимуму на кривой температуры и наоборот.

Точки А и В определяют возможные границы разделения жидких смесей простыми методами перегонки и ректификации.

В зависимости от технологии производства, свойств разгоняемых веществ, степени (четкости) разделения и других факторов в промышленности нашли применение следующие способы разделения растворов: простая перегонка, перегонка с дефлегмацией пара, простая ректификация, перегонка с водяным паром, экстрактивная и азеотропная перегонки, газофракционирование и другие.

6.3.2. Простая перегонка растворов

Нагреем жидкость исходного состава ха1 по НК до температуры кипения t1 ( рис. 6.22). Образующийся при этом пар будет содержать уа1 долей НК, после полной конденсации которого при температуре tк в получившейся жидкости будет содержаться ха2 долей НК (ха2 = уа1). Из графика хорошо видно, что ха2 > ха1, т.е. полученный конденсат обогащается низкокипящим компонентом. В кипящей жидкости (остатке) содержание НК уменьшается – она обогащается высококипящим компонентом (ВК), а температура кипения остатка повышается, например, до температуры t2. При этой температуре содержание НК в остатке будет равно ха3, а в паровой фазе – уа2. При полной конденсации этого пара образуется жидкость состава ха4 = уа2. Собрав полученный конденсат, получим жидкость – дистиллят, выкипающий в интервале температур t1–t2, содержание НК в кото-

206

ром больше, чем в исходной смеси (фракция [t1–t2]). Содержание НК во фракции [t1–t2] приблизительно равно (ха2 + ха4) / 2.

Процесс частичного испарения исходной смеси и полной конденсации

t1–t2, затем во втором – фракция, выкипающая в диапазоне температур t2–t3, и т.д. После завершения процесса перегонки в кубе находится остаток, выкипающий при температуре выше t3. Остаток сливают, куб заполняют свежей исходной смесью и процесс возобновляют.

Пар

Вода

4

Остаток Дистиллят фракция [t1–t2]

Рис. 6.23. Схема простой перегонки

207

6.3.3. Перегонка с дефлегмацией пара

Как и в предыдущем случае, нагреем жидкость исходного состава ха1 по НК до температуры кипения t1 (рис. 6.24). Образующийся пар, содержащий уа1 долей НК, будем охлаждать, но не до температуры tк, когда происходит его полная конденсация, а до температуры t2 (точка а). При этом образуется двухфазная система: дистиллят состава ха2 и не сконденсировавшийся пар состава уа2. Содержание НК в них будет различно. Причем

208

Принципиальная схема периодического процесса перегонки с дефлегмацией (неполной конденсацией) пара показана на рис. 6.25. Перегонный куб 2 заполняется исходной смесью состава ха1 по НК, которая с помощью кипятильника 1 доводится до кипения. В верхней части куба имеется конденсатор 3, на выходе которого поддерживается постоянная температура t2 с помощью хладоносителя – воды. В конденсаторе 3 пары, выходящие из куба, частично конденсируются, и конденсат состава ха2 стекает обратно в перегонный куб.

Жидкость, образующаяся в результате неполной конденсации пара и стекающая в перегонный куб, называется флегмой, а аппарат, где происходит процесс неполной конденсации паров, – дефлегматором.

Не сконденсировавшиеся в дефлегматоре пары поступают в конденса- тор-холодильник 4, где полностью конденсируются и охлаждаются, а образующийся дистиллят состава ха3 собирается в сборнике 5. После завершения процесса перегонки при достижении температуры в кубе значения t3 остаток состава ха4 по НК сливают, куб заполняют свежей исходной смесью и процесс возобновляют.

6.3.4. Простая ректификация

Многократно чередуя процессы частичного испарения и неполной конденсации, можно получить достаточно чистый дистиллят (практически чистый НК) и кубовый остаток, т.е. разделить смесь на компоненты. В

этом и заключается сущность процесса простой ректификации.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной колонне, в которой происходит многократное противоточное взаимодействие пара и кипящей жидкости, в результате чего исходная смесь разделяется на составляющие компоненты. Принципиальная схема процесса разделения смеси в ректификационной колонне показана на рис. 6.26.

Простая ректификационная колонна состоит из укрепляющей части

(I) и отгонной (исчерпывающей) части (II). Среднюю часть колонны, куда поступает исходная кипящая смесь, называют эвапорационным объемом (III), а нижнюю часть колонны с кипятильником – кубовой частью (IV).

При проведении расчетов процессов ректификации приняты следующие допущения:

-количество пара, движущегося по колонне снизу вверх, одинаково в любом сечении аппарата;

-состав пара, уходящего из ректификационной колонны, равен составу дистиллята, т.е. уп = хр;

-состав пара, образующегося в кубовой части, равен составу остатка,

т.е. уо = хо;

209

Gи.с = Gр + Gо , (6.44)

а для низкокипящего компонента (НК)

Решая совместно уравнения (6.44) и (6.45), можно найти количество и составы веществ, участвующих в процессе ректификации (обычно определяют Gр и Gо, задаваясь величинами Gи.с, хи.с, хр, хо). Если количество обращающихся в процессе веществ выражено не в кмоль/с, а в кг/с , то составы потоков должны выражаться в весовых долях, а не в молярных.

Для определения материальных потоков фаз в любой части ректификационной колонны рассмотрим произвольные сечения а–а и б–б. В этих сечениях состав пара обозначим у, а жидкости – х; индекс «1» соответствует содержанию НК в паре и жидкости ниже сечений, а индекс «2» – выше сечений.

Тогда уравнения материального баланса по НК для частей колонны, расположенных выше рассматриваемых сечений, имеют вид:

210

Аналогично составим уравнения материального баланса по НК для частей колонны, расположенных ниже сечений:

Уравнения (6.46) и (6.47) называются уравнениями рабочих линий процесса ректификации. Они характеризуют изменение рабочей концентрации НК в паровой фазе в зависимости от состава жидкой фазы.

Составим уравнение материального баланса для дефлегматора:

Разделим обе части уравнения (6.48) на Gp и получим:

R = Gф/ Gp.

Тогда V = Gp (R+1), т.е. для отбора одного кмоля дистиллята необхо-

Согласно допущению хф = хр = уп, а в соответствии с принятыми обо-

значениями уп = у2 = х2.

Подставляя значения LI, V, у2 и х2 в уравнение 6.46 и учитывая, что

у2 = х2, получим:

Уравнение (6.51), являющееся рабочей линией верхней (укрепляющей)

части колонны, представлено графически в у – х координатах на рис. 6.27. При х = хр и у = хр рабочая линия укрепляющей части колонны про-

ходит через точку с, лежащую на диагонали. Тангенс угла наклона рабочей линии tgα = R / (R+1), а отрезок b, отсекаемый на оси ординат, равен

хр / (R+1).

Количество жидкости, стекающей в нижней части колонны

211

212