ВОПРОС 2. ПРОСТАЯ ПЕРЕГОНКА

Перегонка представляет собой процесс однократного частич­ного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся па­ров.

Простую перегонку можно проводить с отбором фракций, де­флегмацией, водяным паром или под вакуумом (молекулярная пе­регонка).

Фракционная перегонказаключается в постепенном испарении жидкости, находящейся в перегонном кубе (рис. 1). Образо­вавшиеся пары отводятся в холодильник и там конденсируются, а дистиллят собирается в сборнике. Кубовый остаток удаляется из куба после окончания процесса. Куб обогревается насыщенным водяным паром или дымовыми газами.

 

Рис. 1. Установка для простой перегонки:

1 — куб; 2 — конденсатор; 3 — сборники дистиллята

 

При испарении смеси содержание легколетучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается от максимального в начале до минимального в конце перегонки. Это позволяет получать несколько фракций дистиллятов различного состава, собирая их в разные сборники. Способ перегонки с разделением смеси на не­сколько фракций, в различной степени обогащенных летучим компонентом, называется фракционной перегонкой.

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

При составлении материального баланса простой перегонки допустим, что в некоторый момент времени т. в перегонном кубе находится L кг смеси с концентрацией х низкокипящего компо­нента. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dx испа­рится dL кг. Тогда количество жидкости и ее состав меняются и составляют соответственно (L — dL) и (х— dx). Количество образу­ющегося за этот промежуток времени пара равно уменьшению ко­личества жидкости dL, а его состав у_р является равновесным с х. Содержание летучего компонента в жидкости к началу рассматри­ваемого промежутка времени составляет Lx, а к концу — (L — dL)(x—dx). Количество же летучего компонента, перешедшего за этот промежуток времени в пар, равно y_pdL. Таким образом, уравнение материального баланса по летучему компоненту за рас­сматриваемый промежуток времени может быть записано так:

 

 

Раскрывая скобки и пренебрегая членом dLdx как бесконечно малой величиной второго порядка, получим

 

(1)

 

В начальный момент перегонки количество жидкости в аппа­рате равно количеству начальной смеси F(состава x_F), а в конеч­ный момент — количеству остатка W(состава x_w). Таким образом, пределы интегрирования будут для левой части F и W, для пра­вой — x_F и x_w:

 

Интегрируя левую часть, получим

 

(2)

 

Вид функции у_р = f(х) устанавливают экспериментальным пу­тем, поэтому интегрирование правой части уравнения (2) проводят графически. Ряд значений х в пределах от x_F до х_w находят из диаграммы у—х равновесные значения у_р. Строят зависимость от х и по размеру площади под кривой, ограниченной значениями x_F и х_w, определяют величину искомого интеграла. После этого по уравнению (2), зная количество загруженной смеси F, ее концентрацию x_F и концентрацию кубового остатка x_w, опреде­ляют количество кубового остатка W.

Средний состав дистиллята определяют из уравнения матери­ального баланса

 

 

откуда

 

(3)

 

Простая перегонка с дефлегмацией(рис.2) предназначена для увеличения степени разделения исходной смеси. В этом случае пары, уходящие из перегонного куба, поступают в дефлегматор, где частично конденсируются. При частичной конденсации об­разуется флегма, обогащенная труднолетучим компонентом, ко­торая сливается обратно в куб и взаимодействует с выходящими из куба парами.

Пары, обогащенные легколетучим компонентом, поступают в конденсатор. Дистиллят собирается в сборниках. Кубовый остаток удаляют из перегонного куба после достижения заданной концен­трации Xw

Перегонка с водяным паромимеет целью понижение температу­ры кипения исходной смеси веществ, кипящих при температурах свыше 100 °С, компоненты которой нерастворимы в воде. При та­кой перегонке отгоняемый компонент получается обычно в виде смеси с водой, а температура кипения смеси должна быть ниже температуры кипения воды.

Общее давление паров над смесью равно сумме давлений чис­тых компонентов при той же температуре (Р = Р_А + Р_В). Следова­тельно, при атмосферном давлении парциальное давление водя­ного пара над смесью Р_в = Р— Р_А< Р.

На рис. 3 показана диаграмма для определения температур кипения при перегонке с водяным паром, которые определяются как точки пересечения кривой упругости водяного пара с кривы­ми упругости различных жидкостей.

По диаграмме температура перегонки бензола с водяным паром при атмосферном давлении составляет 69,5 °С, а при р = 0,0395 МПа — около 46 °С, толуола при атмосферном давлении — 85 °С.

Схема установки для перегонки с водяным паром показана на рис. 4. Исходная смесь загружается в перегонный куб, в рубаш­ку которого подается глухой насыщенный водяной пар. Внутрь куба в исходную смесь барботируется острый водяной пар. Пары, образующиеся при кипении смеси, поступают в конденсатор и да­лее в сепаратор, где конденсат разделяется. Из сепаратора удаля­ются вода и нерастворяющийся в воде легколетучий компонент, который собирается в сборнике.

Рис. 2. Установка для простой перегонки с дефлегмацией:

1 — куб; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4 — сборники