1.8.1.2 Разделение бинарных смесей путем перегонки

Различие в составе жидкой смеси и ее насыщенного пара позволяет разделить эти смеси перегонкой. Рассмотрим принципиальную схему разделения смеси состава «а» (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Зависимость состава жидкости и пара от температуры

Смесь закипает при температуре Т₁, и дает насыщенный пар состава b, обогащенный по сравнению с исходной жидкостью компонентом А. Если сконденсировать полученный насыщенный пар, то получим жидкость состава b. Эта жидкость кипит при температуре Т₂ и дает насыщенный пар состава с, еще более обогащенный компонентом А. Повторяя эти операции, можно получить компоненты смеси в индивидуальном состоянии, из паровой фазы компонент А, а компонент В из исходной смеси, состав которой при кипении обогащается менее летучим компонентом, достигая в конце концов состава В (линия m).

В технике различают несколько типов перегонки: перегонка в равновесии, простая перегонка, фракционная перегонка и ректификационная. Перегонка в равновесии характеризуется тем, что весь пар находится в равновесии с жидкостью. Если обратиться к рис. 1.12, то в точке т при Т₁, (начало кипения), пара состава b очень мало. Поэтому нагревают систему до более высокой температуры, например, до точки п. Здесь в равновесии находятся пар у и жидкость х. Количество пара определяется отрезком пх, количество жидкости пу. Полученный пар отделяют от жидкости и конденсируют. Очевидно, что этот метод не дает полного разделения смесей, а лишь обогащает конденсат одним из компонентов.

При простой перегонке образующийся пар непрерывно удаляется и конденсируется. Состав исходной жидкости в перегонном кубе при этом непрерывно меняется. Если получаемый пар конденсировать в определенных интервалах температур, то получатся простая фракционная перегонка (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Схема фракционной перегонки

Так, если при перегонке раствора «d» отводить пар в интервале температур кипения от Т₁ до Т₂, то получим первую фракцию конденсата, состав которой является усредненным по отношению к предельным значениям аи b. При конденсации пара в других интервалах температур получают фракции другого состава: от Т₂ до Т₃ фракцию 2 (b - с), от Т₃ до Т₄ фракцию 3 (с - d).

Наиболее совершенным процессом разделения является ректификация, объединяющая последовательный ряд перегонок в равновесии в один автоматизированный процесс. Аппарат состоит из куба с исходной смесью и колонки с рядом "тарелок" (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Cхема ректификационной установки

1 – спускной кран; 2 – котел; 3 – нагреватель; 4 – трубки для поднимающегося пара; 5 – переливы для стекающей жидкости; 6 – кран питания колонны; 7 – подача флегмы; 8 – конденсатор; 9 – спуск конденсата.

Жидкость состава «а» (рисунок 1.15) закипает при Т₁ и образующийся пар 1 с бóльшим содержанием компонента А по сравнению с исходной жидкостью, поднимается на нижнюю тарелку, где находится конденсат, содержащий несколько больше летучего компонента, чем исходная смесь (так называемая флегма).

Рисунок 1.15 - Изменение состава пара и кубовой жидкости при ректификации

Пар, барботируя через флегму, заставляет ее кипеть, а сам частично охлаждается на T. При этом он частично конденсируется в жидкость 2^l, а новый пар 2 поднимается на следующую тарелку, где процесс повторяется. По мере поднятия пара в колонке он все более и более обогащается летучим компонентом А (пар 3, 4, 5 …), и на выходе из колонки получается чистый компонент А, если число тарелок достаточно велико. Жидкость на тарелках при их переполнении стекает вниз, и кубовая жидкость обогащается компонентом В (менее летучим), ее температура кипения постепенно повышается от Т₁ до , а состав изменяется от а до В.

При ректификации растворов с азеотропами в чистом виде может быть получен только один из компонентов и азеотроп, который ведет себя как чистая жидкость, высоко- или низкокипящая.

Рисунок 1.16 – Разделение азеотропных смесей

Так, при перегонке раствора «а», системы, образующей азеотроп с минимумом (рисунок 1.16 а), пар по составу постепенно приближается к азеотропу (1, 2, 3, 4 …С) и, пройдя по всем тарелкам, выходит из колонны (отгоняется) в виде жидкости состава С^l (азеотроп). Кубовая жидкость обогащается менее летучим компонентом (по сравнению с азеотропом – это компонент А). Температура кипения ее повышается и по окончании перегонки в кубе будет чистый компонент А.

При перегонке раствора состава «b» на участке С^l - В более летучим будет азеотроп, менее летучим компонент В. При перегонке пар изменяет состав от точки 1 к С. Отгоняться будет азеотроп. Кубовая жидкость обогащается компонентом В, температура кипения ее повышается. По окончании дистилляции кубовый остаток будет состоять из чистого компонента В.

Аналогично можно рассмотреть перегонку систем с максимумом температуры кипения (рисунок 1.16 б). При перегонке растворов состава от А до С^l более летучим будет компонент А и он будет отгоняться, а азеотроп будет оставаться в кубе. На участке С^l – В будет отгоняться компонент В, а в кубовом остатке будет азеотроп, как более высококипящая система.