Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Факультет технологии и исследования материалов

Кафедра технологии материалов электронной техники

Курсовая работа по курсу: «Процессы и аппараты химической технологии»

Тема: «постепенная простая перегонка».

Вариант №8.

Работу выполнил: Кондратьева А.С.

Гр. 3068/1

Руководитель: проф. Греков Ф.Ф.

Санкт-Петербург, 2010 год.

1. Задание.

Проанализировать, в какой степени система «метанол-вода» отклоняется от идеального поведения.

Рассчитать состав кубового остатка и средний состав дистиллята после постепенной простой перегонки одной трети объема исходной эквимольной смеси. Рассчитать те же характеристики при изменении соотношения дистиллят - кубовый остаток.

Представить результаты в аналитической и графической форме.

2. Теоретическая часть.

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 кипении, 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, т. е. обладают различной летучестью. Очевидно, наиболее летучим является компонент с наиболее низкой индивидуальной температурой кипения (низкокипящий компонент НК). Согласно первому закону Коновалова, повышение относительного содержания низкокипящего компонента в жидкой фазе вызывает увеличение относительного содержания его в парах. 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 назывался простой дистилляцией, получаемые конденсаты — дистиллятами, а неиспарившаяся часть жидкой смеси — кубовым остатком.

Методами простой дистилляции и частичной конденсации жидкие смеси могут быть разделены на фракции различных составов.

Некоторые жидкости, взятые в определенных соотношениях, образуют смеси, при перегонке которых состав пара не отличается от состава жидкости. Согласно второму закону Коновалова, точки максимума и минимума на кривой зависимости температуры кипения от состава как раз и соответствуют таким растворам.

Растворы, неразделяемые с помощью перегонки, называются азеотропными, или нераздельнокипящими, так как они перегоняются без изменения состава и температуры кипения.

Над всеми жидкостями в результате их испарения устанавливается равновесие между жидкостью и паром, и, следовательно, определенное давление пара. Величина этого давления зависит от природы жидкости и температуры. С повышением температуры давление пара над жидкостью сильно возрастает.

По условиям проведения различают три вида перегонки:

а) при атмосферном давлении;

б) при уменьшенном давлении (перегонка в вакууме);

в) с водяным паром.

Вещество считается чистым, когда его физические константы не изменяются после очистки.

Температуру, при которой давление пара становится равным внешнему давлению, называют температурой кипения.

Температура кипения зависит от молекулярной массы и строения органического соединения, от характера и степени межмолекулярного взаимодействия (дисперсионные, ион - дипольные, диполь - дипольные взаимодействия). Температура кипения сильно зависит от давления.

Влияние загрязнений на температуру кипения в большой степени зависит от характера примесей. Легколетучие вещества понижают температуру кипения, а примесь с той же самой температурой кипения, что и основное вещество, не изменяет температуру его кипения. Незначительные загрязнения оказывают на температуру кипения гораздо меньшее влияние, чем на температуру плавления. Поэтому температура кипения не имеет такого значения в качестве критерия чистоты вещества, какое имеет температура плавления.

Обычно процесс простой перегонки проводят периодически, хотя в принципе этот процесс можно организовать и непрерывным.

При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, образующиеся при том пары непрерывно удаляются из системы и конденсируются с получением дистиллята (иногда этот способ называют простой дистилляцией). При этом содержание НК и кубовой (исходной) жидкости уменьшается, что приводил к снижению содержания НК в дистилляте в начале процесса содержание НК максимально, а в конце - минимально.

При простой перегонке образующийся пар отводится из аппарата и в каждый данный момент времени находится в равновесии с оставшейся жидкостью.

Сущность процесса перегонки рассмотрим на примере разделения двухкомпонентной смеси. Для этого составим уравнение материального баланса.

Обозначим:

M– количество смеси, поступающей на перегонку;

L – масса жидкости, x - ее состав по НК, y - ее состав в паре над жидкостью;

G – масса пара;

Тогда материальный баланс разделения для всей смеси:

Рассмотрим элементарный акт испарения:

суммарная масса смеси в процессе не изменяется.

Для низкокипящего компонента:

величиной можно пренебречь, так как она мала.

При конденсации пара в конденсаторе не происходит изменения состава пара, и, следовательно, количество пара, уходящего из колонны, равно количеству дистиллята:

.

В качестве пределов интегрирования выбираем начальное и конечное состояния системы, где x_w – состав последней фракции, x_f - состав первой фракции; F и W начальное и конечное количество разделяемой смеси соответственно.

В последнем уравнении функция выражается кривой равновесия, которая является специфической для каждой системы жидкость - пар. Это уравнение обычно решают графически построением зависимости подынтегрального выражения от x. С помощью диаграммы Y-X для ряда значений x в интервале от x_f до x_w находят величины у и, с учетом масштаба диаграммы, определяют значение интеграла в данном уравнении. Количество получаемого дистиллята равно:

Средний состав получаемого дистиллята x_р определяют из уравнения материального баланса по НК:

Откуда

При расчете простой перегонки обычно определяют количество и средний состав дистиллята, состав кубового остатка.