«Дистилляция»

a_ik =>(i/i):(k/k),(1)

где х _i и k,< у _i и k -> содержания компонентов i и kсоотв. в жидкости и образующемся из нее паре. Состав последнего определяется св-вами и межмолекулярным взаимод. компонентов. При небольших давлениях, когда пар с достаточной для практич. целей точностью подчиняется законам идеальных газов, в состоянии равновесия

a_ik = (i⁰/k⁰) (g_i/g_k), (2)

где i⁰ и k⁰ - давления паров чистых компонентов i и kпри т-ре кипения смеси, g_i и g_k -> коэф. активности этих компонентов в жидкой фазе. При высоких давлениях учитывается неидеальность пара. Д. осуществляется периодически (исходная смесь загружается в аппарат однократно или подается в него в течение определенного времени, дистиллят отбирается в ходе процесса, а кубовый остаток выгружается после его завершения) или путем непрерывных подачи исходной смеси и отбора продуктов разделения (дистиллята и кубового остатка). Взаимосвязь кол-ва W⁰ _и и расхода W _н исходной смеси, расхода отводимого в конденсатор пара G, кол-в дистиллята W _д и кубового остатка W _к, а также содержаний произвольного i-го компонента в исходной смеси x_iи, дистилляте х _iд и кубовом остатке х _iк выражается ур-ниями материального баланса. При постоянном W _н/G =Y

При однократной загрузке смеси (Y = 0) кол-во жидкости в аппарате изменяется от W⁰ _н до W _к, и ур-ние (3) приводится к ур-нию Рэлея:

При непрерывной Д. расходы и составы исходной смеси и продуктов разделения связаны след. ур-ниями:

W _и = W _к + W _д; W _иx_iн = W _кx_iк + W _дx_iд. (5)

При расчете Д. всегда бывают заданы кол-во (или расход) исходной смеси, ее состав, а также условия, определяющие конечный результат процесса. В соответствии с его назначением м. б. заданы кол-во (или расход) кубового остатка (искомые величины - W _д, x_iд и x_iк), состав дистиллята x_iд (х _iк,W _д и W _к) либо кубового остатка x_iк(W _д,W _к и x_iд). Неизвестные параметры рассчитывают совместным решением ур-ний материального баланса с учетом зависимости между составами контактируемых пара (y_i) и жидкости (x_i). Эта зависимость определяется св-вами смесей, условиями процесса и его аппаратурным оформлением. Аппараты, применяемые для Д., делят на емкостные и пленочные. В емкостных аппаратах находится большой объем жидкости, интенсивно перемешиваемой в результате кипения. Состав образующегося пара близок к равновесному и определяется по ур-нию:

где n - число компонентов. Эти аппараты используют как для периодич., так и для непрерывной Д. В первом случае содержание низкокипящих компонентов в паре постепенно убывает, и средний состав дистиллята является промежуточным между составами паров, находящихся в равновесии с исходной смесью, и кубовым остатком. Во втором случае состав жидкости в аппарате практически идентичен составу кубового остатка, а состав дистиллята - составу равновесного с этой жидкостью пара. Поскольку дистиллят получается в результате парообразования из смеси конечного состава с наименьшим содержанием низкокипящих компонентов, вемкостных аппаратах при непрерывной Д. достигается меньшая степень разделения смеси, чем при периодич. Д. При расчете Д. п-компонентной смеси обычно задано распределение одного или неск. целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком или относит. кол-во отгоняемого дистиллята. В общем случае имеется 2пЧ 1 неизвестных: п -1 значений х _iд, п -1 значений ik и к или W _д.Для их определения при расчете периодич. Д. имеются пур-ний материального баланса (для всего процесса в целом и для п Ч 1 отдельных компонентов) и п Ч1 ур-ний (3), к-рые должны быть решены совместно с п Ч1 ур-ниями фазового равновесия (6). Следовательно, необходимо решить систему 2п Ч 1 ур-ний, из к-рых пур-ний - алгебраические, а п Ч1 -интегральные. Аналит. решение такой задачи чрезвычайно сложно, поэтому расчеты выполняются численными методами. При этом приходится задаваться относит. содержанием всех компонентов в одном из продуктов разделения (дистилляте или кубовом остатке). Наиб. простой метод - поинтервальный, к-рый заключается в совместном решении ур-ний, описывающих условия фазового равновесия, и ур-ний материального баланса (3) и (4), записанных в конечных разностях. Для одного интервала DW/W принимается определенное значение относит. изменения кол-ва дистиллируемой жидкости и последовательно вычисляется изменение ее состава, т. е. для каждого интервала находится изменение содержания всех компонентов Dx_i. В первом приближении состав пара у _i рассчитывается по ур-ниям (6) как равновесный с жидкостью, состав к-рой соответствует началу интервала. Расчет заканчивается при достижении заданного распределения целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком. Состав дистиллята находится усреднением составов пара, получающегося во всех последовательных интервалах. Критерий правильности расчета - совпадение этого среднего состава дистиллята с найденным по ур-ниям материального баланса. При непрерывной Д. n-компонентной смеси состав дистиллята, совпадающий с составом пара, образующегося при кипении кубовой жидкости (х _iд= у _i), вычисляется по ур-ниям (6), в к-рых х _i и x_k - содержания компонентов i и kв кубовом остатке. Т. обр., получается система 2n-1 алгебраич. ур-ний, связывающих 2n величин: W _д, W _к, п-1 значений х _iд и п Ч1 значений х _iк.Чтобы сделать эту систему ур-ний определенной, достаточно задать любую из перечисл. величин. Ввиду нелинейности ур-ний (6) аналит. решение практически невозможно и приходится использовать численные методы. Д. многокомпонентных смесей рассчитывают с применением ЭВМ. В пленочных аппаратах жидкость распределяется по пов-сти нагрева в виде пленки. По способу ее образования различают: аппараты с жидкостью, свободно стекающей по обогреваемой пов-сти (напр., по пов-сти труб) с помощью спец. распределит. устройств (рис. 2, а, б), а также с восходящим движением жидкости за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, движущимся снизу вверх с достаточно большой скоростью; роторные - с жидкостью, "размазываемой" по внутр. пов-сти обогреваемого корпуса при вращении ротора с неподвижными или подвижными лопастями (рис. 2, в). По характеру относит. движения фаз пленочные аппараты подразделяют на прямо- и противоточные. Объем и время пребывания жидкости в пленочных аппаратах очень малы, поэтому они используются только для непрерывной Д. и особенно эффективны при перегонке термолабильных в-в и вязких р-ров. Состав жидкости в пленочных аппаратах изменяется по высоте, что обусловливает изменение т-ры и состава пара. Жидкость и пар, проходящие через произвольное сечение аппарата, не находятся в равновесии и между ними происходит тепло- и массообмен. Скорость и влияние последних на результаты процесса определяются скоростями и характером относит. движения фаз. Ур-ние материального баланса для элемента высоты аппарата dh имеет вид:

где Gи W - расходы пара и жидкости, y_i^p - содержание компонента i в паре, находящемся в равновесии с жидкостью состава i, у _i -> состав пара, проходящего через рассматриваемое сечение аппарата, К _оу -> коэф. массопередачи, а - площадь пов-сти массообмена на единицу высоты аппарата.

Рис. 2. Аппараты для простой дистилляции: a, б- соотв. прямо- и противоточные со стекающей жидкой пленкой; в- роторный; 1 - испаритель; 2 - сепарационный сосуд; 3 - обогреваемый корпус; 4 - вал; 5 - лопасти.

При немедленном отводе образующегося пара (тепло- и массообмен с жидкостью исключены) ур-ние (7) превращается в ур-ние простой Д. Поскольку К _оу >>0, знак второго слагаемого в правой части этого ур-ния зависит от характера относит. движения фаз. Вследствие преимуществ. превращения в пар относительно более летучих компонентов содержание их в жидкости постепенно снижается, и она обогащается относительно менее летучими компонентами. Соотв. уменьшается содержание низкокипящих компонентов в равновесном паре. Поэтому при одинаковом направлении движения жидкости и пара последний поступает в произвольное по высоте сечение аппарата с содержанием низкокипящих компонентов у _i, превышающим их содержание у _i^p в паре, равновесном с жидкостью, к-рая проходит через то же сечение. Из-за градиента концентраций у _i- у _i^p возникают поток относительно более летучих компонентов из пара в жидкость и встречный поток относительно менее летучих компонентов из жидкости в пар. При большой скорости массообмена состав пара на выходе из аппарата приближается к равновесному с жидкостью конечного состава. При встречном движении фаз через произвольное сечение аппарата проходит пар с меньшим содержанием низкокипящих компонентов, чем отвечающее равновесию с жидкостью в этом сечении. Поэтому благодаря массообмену из жидкости в пар переходят гл. обр. низкокипящие, а в противоположном направлении - высококипящие компоненты. В результате на выходе из аппарата пар по составу приближается к равновесному с исходной смесью, имеющей наиб. содержание низкокипящих компонентов, т. е. достигается дополнительное по сравнению с простой Д. разделение смеси. Расход теплоты на простую Д. определяется по ур-нию теплового баланса. Площадь пов-сти нагрева испарителя находится из ур-ния теплопередачи с учетом изменения коэф. теплопередачи и разности т-р теплоносителя и кипящей жидкости с изменением ее состава во времени (при периодич. Д.) или по высоте (при непрерывной Д.). При Д. с дефлегмацией (конденсация преим. высококипящих компонентов при охлаждении смесей с целью их обогащения низкокипящими компонентами) связь состава пара у _i, поступающего из испарителя в дефлегматор (рис. 1), с составами возвращаемой жидкости (флегмы) х _iф и пара у _iф, направляемого в конденсатор, определяется конструкцией и режимом работы дефлегматора. Обычно принимают, что выходящие из него жидкость и пар находятся в равновесии. Тогда взаимосвязь x_iф и y_iф описывается ур-нием (6), а кол-ва и состава жидкости в аппарате - ур-нием (4), в к-рое вместо у _i подставляют у _iф.Большая, чем при простой Д., степень разделения смеси достигается благодаря частичной конденсации пара, образующегося в испарителе, и соответствующего увеличения расхода теплоты. Для отгонки из смесей высококипящих в-в с целью понижения т-ры процесса используют Д. с водяным паром или инертным газом. Она основана на законе Дальтона, согласно к-рому давление паров над смесью рравно сумме парциальных давлений паров компонентов. Если отгоняемое в-во А не смешивается с водой, то р= р _A⁰ + p _в (р _A⁰ - давление пара чистого в-ва А при т-ре процесса, p _в - давление водяного пара), т. е. общее давление является линейной ф-цией р _в, и в-во А можно отгонять при любой т-ре, варьируя относит. расход водяного пара или инертного газа G _уд. Последний определяется соотношением:

G _уд = p _вM _в/р _A⁰M_Aj,(8)

где M _в и M _А - мол. масса воды (инертного газа) и отгоняемого в-ва, j < 1 - степень насыщения водяного пара или инертного газа парами отгоняемого в-ва по сравнению с равновесной степенью насыщения. При Д. в токе водяного пара образуется паровая смесь, к-рая затем конденсируется и охлаждается. Конденсат разделяется в сепараторе на отогнанный компонент и воду. Целевой продукт выделяется из конденсата тем легче и полнее, чем меньше его р-римость в воде. Если она значительна, приходится отгонять из воды целевой продукт и подвергать его осушке (применяют и др. способы, напр., высаливание). Эти затруднения отпадают при использовании инертного газа. Однако усложняется выделение отгоняемого в-ва из образующейся парогазовой смеси вследствие необходимости охлаждения ее до низкой т-ры, а нагревание и охлаждение газа требуют применения теплообменных аппаратов с большой площадью пов-сти из-за низких коэф. теплоотдачи от стенки к газу и от газа к стенке. Поэтому данный метод применяется, когда Д. под вакуумом затруднительна или невозможна и проводится в емкостных аппаратах, снабженных барботажными устройствами для равномерного распределения пара или газа в объеме жидкости.

Рис. 3. Лабораторная установка для простой дистилляции: 1 - перегонная колба; 2 - термометр; 3 - холодильник (конденсатор); 4 - сборник дистиллята.

При простой Д. контролируются кол-во жидкости в аппарате, т-ра ее кипения, по к-рой судят о составе, и скорость отгонки дистиллята. Регулируемые параметры - кол-во исходной смеси, расходы теплоносителя, подаваемого в дистилляц. аппарат, и хладагента, используемого для конденсации отгоняемого пара и охлаждения конденсата. При Д. в токе водяного пара регулируется также его расход. При непрерывной Д. регулируемыми параметрами, кроме перечисленных, являются расходы исходной смеси и продуктов разделения. При Д. с дефлегмацией дополнительно регулируется расход флегмы путем изменения расхода хладагента, поступающего в дефлегматор. В лаб. практике применяют все способы Д. Конструкции приборов, изготовляемых обычно из стекла, весьма разнообразны и выбор их определяется гл. обр. физ.-хим. св-вами, и кол-вом разделяемой смеси. Для Д. смесей в кол-вах от неск. мг до 1 г используют капилляры, трубки с шарообразными расширениями и маленькие колбы. При большем кол-ве исходной смеси применяют, как правило, аппараты в виде колб соответствующих размеров. Типичная лаб. установка для Д. при атм. давлении показана на рис. 3. Простую Д. используют в хим., лесохим., фармацевтич. и др. отраслях пром-сти для грубого разделения смесей на фракции, когда не предъявляются высокие требования к чистоте получаемых продуктов, а также для очистки жидких смесей от нелетучих или малолетучих примесей; в металлургии - для отгонки из руд или рудных концентратов летучих металлов (напр., Hg и Zn). Д. с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лаб. практике, Д. с водяным паром - в хим., нефтехим., парфюм. и др. отраслях пром-сти для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значит. кол-ва твердых или малолетучих жидких в-в.

Молекулярная дистилляция. Основана на зависимости скорости испарения в-ва от его мол. массы при т-рах ниже т-ры кипения жидкости и низких давлениях (< 0,13 Па). При таких давлениях длина своб. пробега молекул соизмерима с расстоянием между пов-стями испарения жидкости и конденсации пара. При этом молекулы соударяются относительно редко и движутся практически независимо друг от друга, а расход и состав паровой смеси определяется скоростями испарения отдельных компонентов. Скорость испарения чистого в-ва с мол. массой Мпри т-ре T рассчитывается по ур-нию Кнудсена-Ленгмюра: