Понятие перегонки. Схемы установок

Перегонкой называется процесс разделения гомогенных смесей компонентов, отличающихся температурами кипения, за счет переноса компонента из жидкой фазы в паровую (или наоборот) при отсутствии противотока этих фаз.

Под простой перегонкой (или дистилляцией) понимают процесс однократного частичного испарения исходной жидкой смеси и конденсации образующихся при этом паров. Сконденсированные пары называют дистиллятом(D), а оставшуюся часть неиспарённой жидкости – остатком (W).

Перегонку применяют для предварительного разделения смесей компонентов, очистки веществ от примесей, смол, загрязнений.

Процесс перегонки можно проводить периодически либо непрерывно. Принципиальная схема периодической перегонки (простая или фракционная перегонка) приведена на рисунке 6.10а.

Исходная смесь загружается в куб 1, снабженный змеевиком, в который подается чаще всего насыщенный водяной пар. Образующиеся пары конденсируются в конденсаторе- холодильнике 2; дистиллят отводится в сборник по фракциям в зависимости от содержания НКК (с целью получения дистиллята разного состава используют фракционную перегонку). Содержание НКК в кубовой жидкости уменьшается, также со временем уменьшается содержание НКК в дистилляте. После окончания процесса перегонки жидкий остаток сливают из куба 1 и вновь загружают в него исходную смесь.

1 – кубы-кипятильники; 2 – конденсаторы-холодильники; 3 – сборники; 4 - дефлегматор

Рисунок 6.10 – Схема установок для простой перегонки (а) и перегонки с дефлегмацией (б)

Процесс перегонки удобно анализировать по изобарной диаграмме (рисунок 6.11).

Предположим, что на перегонку поступает бинарная жидкая смесь при температуре t_F с концентрацией НКК x_F. (точка, изображающая исходную смесь, обозначена т. F₀). При нагревании исходной смеси т. F₀ на диаграмме t- x,y перемещается вверх, так как состав остается неизменным. Когда т. F₀ достигает линии кипения (т. F_н), жидкость состава х_F закипает (t_н – температура начала кипения). При этом образуется паровая фаза G с максимальной концентрацией НКК (у_н). При дальнейшем повышении температуры (до значения t) образуется равновесная парожидкостная система: паровая фаза (т.G) с концентрацией НКК y и жидкая (т.g) с концентрацией НКК x. Состав этих равновесных фаз отличается от состава исходной смеси (х_F): в парах содержится больше НКК (y>х_F); в жидкости – больше ВКК (меньше НКК) (х<х_F). При дальнейшем повышении температуры (до значения t_к) т.F перемещается на линию конденсации (т. F_к). Температура t_к есть температура конца кипения жидкости состава х_F. При этом выкипают последние капли жидкости (g_к), максимально обогащение ВКК (х_к). При дальнейшем нагреве (т.F_n) смесь представляет перегретый пар, состав которого равен составу исходной жидкости (y_n=x_F).

Таким образом, для разделения жидкой смеси состава x_F процесс перегонки необходимо проводить при t_н<t<t_k. При этом y_н – максимально возможная концентрация НКК в паровой фазе, а x_k – минимально возможная концентрация НКК в жидкой фазе.

Степень разделения компонентов в условиях перегонки может быть повышена применением дефлегмации.

На установке с дефлегмацией (рисунок 6.10 б) пары из куба 1 поступают в дефлегматор 4, где они частично конденсируется, причем преимущественно ВКК, а пар обогащается НКК (жидкая фаза будет иметь меньшее количество НКК, следовательно относительное количество НКК в несконденсировавшейся части пара станет большим по отношению к составу пара, поступающего в конденсатор). Полученный в дефлегматоре конденсат (или флегма) стекает в куб 1 и подвергается повторному испарению.

Для разделения нерастворимых в воде жидких смесей используется перегонка с «острым» водяным паром. При этом температура кипения смеси ниже температуры кипения чистых компонентов и является постоянной независимо от состава жидкой смеси, пока в жидкости присутствуют хотя бы следы второго компонента.

Расход острого пара на 1 кг перегоняемого i-го компонента сырья из уравнения (6.28) (уравнения Авогадро-Дальтона )

. (6.46)

В действительности расход острого пара больше, поскольку уходящие из перегонного аппарата водяные пары не насыщаются полностью парами отгоняемого компонента, кроме того; уравнение (6.46) не учитывает расход пара на нагрев и испарение сырья. Поэтому перегонка с водяным паром целесообразна только в случае обязательного выделения из относительно нелетучей среды летучих компонентов, не смешивающихся с водой при нормальной температуре.

Применяется также равновесная перегонка (пары и неиспарившаяся жидкость приходят в печи в равновесие) и молекулярная дистилляция(испарение под глубоким вакуумом).