Простая перегонка

К простой перегонке следует отнести фракционную перегонку, перегонку в токе носителя (с водяным паром или инертным газом) и молекулярную перегонку.

Фракционная перегонка проводится периодически (рис. 4.32). Смесь загружают в куб 1, обогреваемый паром (дымовыми газами) через змеевик или рубашку.

Рис. 4.32. Схема установки для фракционной перегонки:

1 – перегонный куб;

2 –  онденсатор-холодильник;

3 – сборники фракций дистиллята

После нагрева смеси до температуры кипения образующие пары отводятся из куба, конденсируются в теплообменнике 2. Конденсат собирается в сборники 3. По окончании операции остаток удаляется из куба.

По мере испарения смеси содержание летучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается. В начале процесса это содержание максимальное, в конце – минимальное. Это позволяет в случае необходимости получать несколько фракций дистиллятов различного состава, отводя их в разные сборники, поэтому перегонка называется фракционной. Перегонка может проводиться при атмосферном давлении или под вакуумом.

В процессе перегонки образующийся пар отводится из аппарата и в каждый момент времени находится в равновесии с оставшейся жидкостью.

Пусть в некоторый момент времени количество жидкости в аппарате равно , а ее состав . За бесконечно малый промежуток времени количество жидкости и ее состав меняются и составляют соответственно () и  . Количество образующего за этот промежуток времени пара равно уменьшению количества жидкости , а ее состав * является равновесным с . Содержание летучего компонента в жидкости к началу рассматриваемого промежутка времени составляет , а к концу – . Количество же летучего компонента, перешедшего за этот промежуток времени в пар, равно . Таким образом, уравнение материального баланса по летучему компоненту за рассматриваемый промежуток времени может быть записано следующим образом:

.

Раскрывая скобки и пренебрегая членом , можно получить

           или            .

Пределы интегрирования для левой части – количество начальной смеси и   –  количество остатка, для правой концентрации –   и  .

В результате интегрирования

.                                  (4.43)

Вид функции  определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения (4.43) выполняют графически –  путем построения зависимости   от  в пределах от  до  и определением площади под кривой (так же как и при расчете ЧЕП).

Затем по уравнению (4.43), зная количество исходной смеси , вычисляют количество остатка  и количество перегнанной жидкости .

Средний состав полученного дистиллята рассчитывают из материального баланса по низкокипящему компоненту

.

Конечной целью расчета простой перегонки является определение количества жидкости, которое необходимо перегнать для того, чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава.

Простую перегонку проводят при атмосферном давлении или под вакуумом, присоединяя сборники дистиллята к источнику вакуума. Применение вакуума дает возможность разделять термически малостойкие смеси и в связи со снижением температуры кипения раствора использовать для обогрева куба пар более низких параметров.

Простая перегонка с дефлегмацией. Степень разделения компонентов в условиях простой перегонки может быть повышена применением дефлегмации (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Схема установки

для простой перегонки

с дефлегмацией:

1 – перегонный куб;

2 – дефлегматор;

3 – конденсатор-холодильник;

4 – сборники

В этом случае пары, выходящие из куба 1, поступают в дефлегматор 2, в котором они конденсируются не полностью, а частично. При частичной конденсации в жидкость переходит наименее летучий компонент, а пары обогащаются летучим компонентом. Получаемый в дефлегматоре конденсат или флегма возвращается в перегонный аппарат и подвергается многократному испарению.

Перегонка в токе водяного пара. Понижение температуры кипения разделяемой смеси может быть достигнуто не только под вакуумом, но и путем ведения в разделяемую смесь дополнительного компонента – водяного пара.
В этом процессе отгоняемый компонент получают обычно в виде смеси с водой при температуре кипения, меньшей в условиях атмосферного давления, чем температура кипения воды.

Технологическая схема процесса приведена на рис. 4.34. Исходную смесь загружают в куб 1, где ее нагревают греющим паром до температуры перегонки. Затем через смесь пропускают острый пар, взаимодействующий с компонентами смеси.

Образующаяся в результате взаимодействия паровая смесь поступает в конденсатор 2 и далее в сепаратор 3. В этом аппарате нерастворимые друг в друге жидкости расслаиваются и стекают в соответствующие сборники.

Соотношение между количествами введенного водяного пара и отогнанного компонента может быть выражено следующим образом. Согласно закону Дальтона мольные доли компонента и воды

;   ,

отсюда

   или    ,

где   – молекулярные массы компонента и воды соответственно.

Рис. 4.34. Схема установки

для перегонки с водяным паром:

1 – куб с паровой рубашкой;

2 – конденсатор; 3 – сепаратор

Перегонка в токе с инертным газом. При перегонке смесей вместо водяного пара иногда применяют инертные газы – азот, двуокись углерода и др. Перегонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет значительно снизить температуру испарения разделяемой смеси. При перегонке в токе водяного пара снижение температуры испарения разделяемой смеси ограничено температурой его конденсации. 

Молекулярная перегонка. Применяют для разделения компонентов, кипящих при высоких температурах и не обладающих необходимой термической стойкостью.

Этот процесс проводят под глубоким вакуумом, соответствующим остаточному давлению 10-3–10-4 мм рт. ст. Процесс молекулярной дистилляции протекает путем испарения жидкости с ее поверхности при отсутствии кипения. Поэтому молекулярная дистилляция, в отличие от других способов перегонки, не характеризуется некоторыми постоянными температурой и давлением. При таком вакууме молекулы легко преодолевают силы взаимного притяжения, а длина свободного пробега их резко возрастает.

Если расстояние между поверхностями испарения и конденсации меньше длины свободного пробега молекул, то отрывающиеся от поверхности испарения молекулы летучего компонента непосредственно попадают на поверхность конденсации и улавливаются на ней. Расстояние между поверхностями испарения и конденсации составляет обычно 20–30 мм, а разность температур между ними порядка 100 ºС.

Разделяющий эффект молекулярной дистилляции определяется не отношением давлений насыщенного пара компонентов смеси, или относительной летучестью, а отношением скоростей испарения компонентов смеси, или коэффициентом разделения .

Скорость испарения любого компонента идеального раствора согласно молекулярно-кинетической теории газов пропорциональна его мольной доле в растворе:

,

где , – давление насыщенного пара, молекулярный вес чистого компонента и температура кипения смеси соответственно.

Для бинарной смеси коэффициент разделения

    .

Отсюда следует, что степень разделения при молекулярной дистилляции больше, чем при равновесной в   раз.

Для молекулярной дистилляции применяются пленочные аппараты различных конструкций, приведенные в специальной технической литературе. На
рис. 4.35 показана схема аппарата для молекулярной перегонки.

Рис. 4.35. Схема аппарата для молекулярной перегонки:

1 – обогреваемый цилиндр; 2 – охлаждаемый цилиндр;

3 – рубашка;  4 – воронка

Цилиндр 1 имеет внутри спираль для электронагрева и является испарителем. Цилиндр 2  является конденсатором и снабжен рубашкой 3, в которой движется охлаждающий агент. Исходная смесь вводится через патрубок в воронку 4 и стекает пленкой по наружной поверхности испарителя. Остаток и дистиллят, собирающийся на внутренней поверхности конденсатора, удаляются через патрубки в нижней части аппарата. В кольцевом пространстве между испарителем и конденсатором вакуум-насосом поддерживается требуемый вакуум.

Молекулярная дистилляция является относительно дорогим способом разделения. Ее применяют в производствах пластмасс, масел и смазок, жирных кислот, эфиров и др.