Министерство образования и науки Российской Федерации

Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И.Носова.

Кафедра химической технологии неметаллических материалов и физической химии.

Изучение процесса перегонки с водяным паром

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов по направлению 240100 специальностей 240403 и 240304 всех форм обучения и по курсу «Химическая технология топлива и углеродных материалов» по направлению 221700 и для студентов специальности 200503.

Магнитогорск

2012

Составитель В. В. Вейнский, А. В.Горохов

Изучение процесса перегонки с водяным паром:Методические указания к лабораторной работе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов всех форм обучения по направлению 240100 спец. 240403 и 240304 и по курсу «Химическая технология топлива и углеродных материалов» по направлению 221700 и для студентов специальности 200503. Магнитогорск: МГТУ, 2007. 11 с.

© Вейнский В. В.,

Горохов А.В.,

Цель работы:

1.Изучить процесс перегонки органической жидкости с водяным паром.

2. По температуре кипения смеси определить органическую жидкость, участвующую в перегонке.

3. Определить удельный расход пара.

1.Теоретическое введение

Разделение жидких смесей на практически чистые компоненты или на фракции различного состава является широко распространенным процессом химической технологии. Разделению подвергаются смеси, состоящие из компонентов с неограниченной и ограниченной взаимной растворимостью, а также взаимно нерастворимые. Компоненты жидких смесей, за редким исключением, имеют при одинаковом внешнем давлении различные температуры кипения, а при одинаковой температуре они кипят при разных внешних давлениях. Благодаря этому в процессе испарения жидкой смеси ее компоненты проявляют различное стремление к переходу в парообразное состояние, то есть обладают различной летучестью. Очевидно, наиболее летучим является компонент с наиболее низкой индивидуальной температурой кипения (низкокипящий компонент). Следовательно, при испарении жидкой смеси концентрация низкокипящего компонента в образующихся парах больше, чем в жидкой фазе (ЗАКОН КОНОВАЛОВА). Это позволяет разделить исходную жидкую смесь с любым числом компонентов на любое число фракций различных составов путем частичного испарения этой смеси и конденсации образующихся паров. Такой процесс называется простой дистилляцией, получаемые конденсаты – дистиллятами, а неиспарившаяся часть - кубовым остатком.

Легко видеть, что при частичной конденсации паровой смеси путем ее охлаждения будут в большей степени конденсироваться высококипящие компоненты, а остаток пара будет обогащен низкокипящими компонентами. Такой процесс разделения паровой смеси на фракции различных составов называется фракционной конденсацией или дистилляцией с дефлегмацией. Процесс разделения смеси на индивидуальные компоненты при многократном чередовании процессов испарения и конденсации, используя при этом каждый раз теплоту конденсации паров для испарения соответственного количества жидкости, называется ректификацией.

ДИСТИЛЛЯЦИЯ В ТОКЕ ВОДЯНОГО ПАРА.

Дистилляция жидких смесей, состоящих из высококипящих компонентов, часто либо невозможна из-за термолабильности последних, либо сильно усложняется необходимостью использования высокотемпературных теплоносителей, обладающих, как правило, относительно низкими коэффициентами теплоотдачи (топочные газы, органические жидкости и др.). Для понижения рабочей температуры дистилляции в ряде случаев осуществляют процесс под вакуумом, но это удорожает установку и повышает эксплуатационные затраты. Гораздо проще и глубже может быть понижена рабочая температура при дистилляции в токе водяного пара, применимой при малой растворимости дистиллята в воде. Сущность рассматриваемого процесса состоит в непосредственном введении перегретого или насыщенного водяного пара в дистиллируемую жидкую смесь. Так как в образующейся при этом парообразной смеси присутствует водяной пар, то на долю отгоняемого компонента приходится лишь его парциальное давление р_к, которое ниже полного рабочего давления Р и соответствует более низкой температуре насыщения t_y:

Р = р_п + р_к, (1)

где р_п- парциальное давление водяного пара в смеси.

Как известно, парциальное давление каждого компонента в парах взаимно нерастворимых жидкостей равно давлению насыщенного пара над этим одним компонентом р_к = Р_к при той же температуре, аналогично и для воды. Давление насыщенного пара и концентрация паров воды в отгоняемом компоненте не зависят в данном случае от состава жидкости в дистилляционном кубе, а зависят только от температуры. Кроме того, одним из компонентов паровой смеси является водяной пар, поэтому при проведении процесса под атмосферным давлением, поскольку Р меньше 101,325 кПа (760 мм рт. ст.), температура кипения жидкой гетерогенной смеси в кубе будет ниже 100 ⁰ С.

Для определения этой температуры построим в системе координат р - t кривые, выражающие зависимость давления паров от температуры для отгоняемых веществ. Аналогичную кривую построим также для воды, откладывая давление не от нуля, а от 760 мм рт.ст. Легко видеть, что искомые температуры кипения гетерогенных смесей соответствуют абсциссам точек пересечения кривых р - t для воды и отгоняемых веществ, т. к. ординаты точек удовлетворяют условию

Р = Р_к + Р_п = 760 мм рт. ст. (2)

Отношение мольных количеств водяного пара (W_п ,кмоль) и дистиллируемого компонента (W_к ,кмоль) равно отношению парциальных давлений этих веществ в паровой смеси, поэтому

(3)

Обозначив через М_к молекулярную массу дистиллируемого компонента и заменив мольные количества массовыми (С_к, С_п), можно определить массу дистиллируемого компонента, приходящуюся на 1 кг водяного пара:

(4)

Из этого выражения следует, что количество компонента, дистиллируемого за счет 1 кг водяного пара, снижается с увеличением рабочего давления Р, но возрастает с увеличением температуры. Заметим, что действительное количество дистиллируемого компонента всегда меньше рассчитанного, т. к. из-за кратковременного контакта жидкости пара фазовое равновесие не достигается. Иными словами, степень насыщения паровой смеси  дистиллируемым компонентом меньше единицы, поэтому

(5)

Опыт показал, что величина  колеблется в пределах 0,65 – 0,95.