konspect_lectsiy-ln_lm

де Ф – число фаз, Ф = 3.

Тобто існує тільки один параметр, який можна змінювати без зміни стану рівноваги. Зазвичай вибирають тиск, температуру або склад пари.

При заданій температурі кожний компонент має тільки той тиск, якщо він був би ізольований. Тобто окремий компонент поводить себе незалежно, та заданий тиск пари суміші дорівнює

сумі тисків чистих компонентів при даній температурі. Суміш закипає при тиску:

Р = РА + РВ

Парціальний тиск компонента не залежить від концентрації, а дорівнює пружності насиченої

пари

рА=РА

Концентрація пари над киплячою сумішшю є незмінною і не залежить від концентрації компонентів в рідині:

Звідси

yA PA const yB PB

Або, якщо перейти до масових співвідношень (GA=yAMA)

де МА, МВ – молекулярні маси компонентів А і В.

Фазові діаграми таких сумішей мають такий вигляд:

Рис. 19.6. Діаграми рівноваги для рідин, що не розчиняються одна в одній

аР –Х, б t – X,Y, в Y – X.

Здіаграми рис. 19.6б видно, що температура кипіння суміші tCM менше температури кипіння чистих компонентів - tА і tВ і при Р = const не залежить від хімічного складу рідкої фази (пряма аb – паралельна вісі Х б)). Цю властивість використовують при перегонці з водяним паром.

Визначення температури кипіння суміші рідин, що не змішуються

Температура кипіння такої суміші може бути визначена за графіком (рис. 19.7). На вісі абсцис відкладаємо температуру, а по вісі ординат – тиск.

Наносимо пунктиром допоміжну пряму загального тиску для суміші двох компонентів А і В – Р. Будуємо криву залежності тиску від температури для компонента А РА = f(t).Криву залежності РВ = f(t) для другого компонента відкладаємо обернено від точки D. В точці перетину F загальний тиск Р дорівнює сумі тисків РА + РВ. Абсциса точки перетину визначить температуру кипіння суміші tк.

Ця температура буде зберігатися, доки в суміші є навіть мінімальна (сліди) другого компонента.

Рідини, які частково змішуються

Ці рідини займають проміжне місце між добре і нерозчинними рідинами і до них відносяться, наприклад, вода-фенол, вода-анілін, тощо.

Однорідність рідини зумовлюється концентрацією. Додавання ефіру до води утворює однорідну суміш.

З моменту утворення насиченого розчину ефіру у воді і води в ефірі утворюється суміш двох нерозчинних рідин. Подальше додавання ефіру приводить знов до утворення рідини, що являє собою розчин води в ефірі.

Зазвичай такі суміші розділяються екстрагуванням.

y

x

Рис. 19.8. Діаграма y-x для рідин, що частково змішуються

Крива рівноваги в діаграмі y-x для таких рідин наведена на (рис. 19.8.) В межах значень концентрації x1xx2 – рідини не розчинні, в межах 0 x x1 та x > x2 – розчинні.

Фракційна перегонка

Це періодичний процес, в якому по мірі перегонки зменшується концентрація низько киплячого компонента в кубі, і, як наслідок, зменшується вміст летких компонентів в парі і, відповідно, в кожній послідуючій порції дистиляту вміст летких компонентів зменшується.

3

Конденсат

1

Рис. 19.10. Схема установки для простої (фракційної) перегонки

1 – куб колони, 2 – конденсатор, 3 – збірники дистиляту

При простій перегонці, яка проводилася періодично, суміш завантажується до куба 1, який обігрівається паром через змійовик або рубашку, або димовими газами (рис 19.10).

Після нагріву суміші до температури кипіння, пари, що утворюється, відводяться з куба, конденсуються в теплообміннику 2 і конденсат надходить до збірників 3. Залишок видаляється з кубу після закінчення процесу.

З часом вміст леткого компонента (низько киплячого) в дистиляті безперервно зменшується і набуває максимальних значень на початку і мінімальних в кінці перегонки. Це дозволяє у випадку необхідності одержувати декілька фракцій з різним вмістом низько киплячого компоненту,

називають фракційною перегонкою.

Розрахунок процесу простої перегонки

До кубу завантажують вихідну масу W з концентрацією низько киплячого компоненту x. За час d маса рідини зменшиться на величину dW і концентрація в кубі колони зменшиться на величину dх. До парової фази перейде з рідкої фази dW летких речовин з рівноважною концентрацією НК – у. В пар перейде dWу летких речовин. Тобто на початку процесу в суміші було летких речовин W x. В кінці процесу в суміші залишилось летких речовин (за час d )

(W – dW)(х-dx).

Тоді рівняння матеріального процесу по леткому (низько киплячому) компоненту

Wx = (W –dW)(х-dx) + dW y.

Виконавши перетворення та нехтуючи нескінченно малою величиною dW dх, одержимо:

Wdx = (y – x)dW.

або

Позначивши початкову кількість в кубі W0 з концентрацією низько киплячого компонента Х0. Кількість рідини, яка залишилася після перегонки - W1 з концентрацією – Х1.

Виконавши інтегрування правої частини в межах від W0 до W1 і правої від Х0 до Х1

(рис. 19.13).

Рис. 19.13. До визначення матеріального балансу простої перегонки з дефлегмацією.

Нехай кількість флегми – Ф, а концентрація НК – х', але х' і у' знаходяться у рівновазі. Кількість пари, яка надходить з кубу до дефлегматора, буде (Ф + Р), а концентрація пари у знаходиться у рівновазі із складом рідини в кубі х.

Матеріальний баланс дефлегматора:

(Ф+Р)у = Рy' + Фx'

Розділивши обидві частини рівняння на Р і вводячи флегмове число R, одержимо:

(R+1)y = y' +Rx', звідки

R ( y' y) y x'

На (рис. 19.13) точка А відповідає стану пари перед дефлегматором, а точка В – стану пари після дефлегматора.

Проведемо через точку А горизонтальну лінію АС до перетину з діагоналлю, точку С з’єднаємо з точкою В, а з т. В проведемо вертикальну лінію до перетину з лінією АС. Довжина відрізка ВD дорівнює (y' – y), а довжина відрізка DC дорівнює (y – x'). Таким чином,

tg y' y , y x'

Порівнюючи цей вираз з рівнянням (3.176), знаходимо: tg = R

Звідси випливає, для побудови точки В потрібно з точки А провести горизонтальну лінію до перетину з діагоналлю, а через одержану на діагоналі точку провести пряму під кутом до вісі абсцис, тангенс якого дорівнює R. Точка перетину цієї прямої з лінією рівноваги і буде точкою В, яку потрібно визначити, ордината цієї точки В дорівнює концентрації пари після дефлегматора y'.

1

Виконуючи таку побудову для різних значень х, розраховують для цих значень, після чого y' x

графічно визначають інтеграл в правій частині рівняння (19.6)

Перегонка в струмені водяної пари

Перегонку в струмені водяної пари застосовують з метою вилучення компонентів із сумішей, компоненти яких мають дуже малу летючість . В цих процесах компонент, який відганяється, одержують, зазвичай, у вигляді суміші з водою при температурі кипіння, в умовах атмосферного тиску, меншій ніж температура кипіння води.

Водяна

1

пара

3

До збірників

Рис. 19.14. Перегонка з водяною парою

1 – куб, 2 – конденсатор, 3 – сепаратор.

Схема процесу наведена на (рис. 19.14) Вихідну суміш завантажують в куб 1, де підігрівають до температури перегонки. Потім через суміш пропускають водяну пару, яка взаємодіє з компонентами.

Врезультаті цієї взаємодії утворюється парова суміш, яка надходить до конденсатора 2 і потім до сепаратора 3.

Вцьому апараті нерозчинні одна в одній рідини розшаровуються і стікають у відповідні збірники, не вказані на схемі.

Співвідношення між кількістю введеної водяної пари і відповідного компоненту можливо виразити наступним чином.

Згідно закону Дальтона

Yê PPê ; YB PPB ,

де Рк і РВ – тиск пари відігнаного компоненту і води;

Yк, YB – мольна концентрація компонента і водяної пари.

На підставі викладеного одержимо:

де Gк – маса відігнаного компоненту;

Мк, МВ – молекулярні маси компоненту і води; GВ – маса водяної пари.

Якщо тепер прийняти, що парціальний тиск водяної пари

РВ=Р – Рк,

де Р –загальний тиск ;– ступінь насичення.

то з рівняння (19.7) випливає:

GB Gê (P Pê )M BPê M ê

Молекулярна перегонка

Молекулярну перегонку застосовують в техніці для розділення компонентів, які киплять при високих температурах і не мають необхідної термічної стійкості.

Цей процес проводять під глибоким вакуумом з тиском 103-102 Па.

При такому вакуумі молекули легко долають сили внутрішнього притягування, а довжина вільного пробігу різко зростає.

Якщо відстань між поверхнями випаровування і конденсації менше довжини вільного пробігу молекул, то молекули леткого компоненту, які відриваються від поверхні випарювання, безпосередньо попадають на поверхню конденсації і вловлюються нею.

Відстань між поверхнями випаровування і конденсації становить 20÷30 мм, а різниця температур між ними на рівні 100°С.

На (рис. 19.15) наведена схема найпростішого апарата для молекулярної перегонки. Циліндр 1 має всередині спіраль для електронагріву і є випарником. Циліндр 2 має рубашку 3, по якій рухається охолоджуючий агент, і є конденсатором. Вихідна суміш вводиться через патрубок до воронки 4 і стікає плівкою по зовнішній поверхні випарника. Залишок і дистилят, які збираються на внутрішній поверхні конденсатора, відводяться через патрубок в нижній частині апарата. В кільцевому просторі між випарником і конденсатором підтримується необхідний вакуум за допомогою насосу глибокого вакууму, приєднаного до верхнього патрубку.

Залишок

Рис. 19.15 Схема апарату для молекулярної перегонки

Ректифікація

Фізична модель ректифікації

Ректифікація – процес розділення однорідної суміші рідин на складові шляхом протитечійного двостороннього тепломасообміну між нерівноважними потоками парової і рідкої суміші.

Схема протитечійної взаємодії потоків пари та рідини на тарілках ректифікаційної колони показана на (рис. 19.16а).