Курсовая работа: Ректифікаційна колона

p1 і p2 — тиски пар чистих компонентів

Для розчинів, крива тиску яких має максимум або мінімум, існує деякий склад рідкої суміші, при якому пари, що виділяються, мають той же склад, що й рідка фаза. Така суміш називається нероздільнокиплячої або азеотропної. Положення цієї суміші на графіку р-х установлюється другим законом Д. П. Коновалова: «В екстремумах тисків пари (або точок кипіння) сумішей состави рідкої й парової фаз збігаються».

Цей закон установлює, що якщо на кривий склад-тиск є крапка перегину (лінія 3 і 5 на рис. 1), те в цій крапці концентрації компонентів в обох фазах будуть однакові. До цієї групи нероздільнокиплячих сумішей ставляться суміші етилового спирту й води, етилового спирту й бензолу й ін.

1.3 Криві рівноваги

Використовуючи досвідчені дані, можна побудувати графік залежності состава парової фази від состава рідкої фази (рис. 2). Крива рівноваги, зображена на рис. 2, будується в координатах y-х (% мол.) або в координатах b-а (% мас.). Відповідно до першого закону Д. П. Коновалова крива для системи етиловий спирт — вода проходить вище діагоналі. Отже, пара буде збагачений спиртом у порівнянні з рідкою фазою. Однак крива перетинає діагональ в одній точці у відповідності із другим законом Д. П. Коновалова. Ця точка показує склад нероздільнокиплячої суміші і є азеотропною крапкою. При нормальному тиску нероздільнокипляча суміш системи етиловий спирт — вода містить 95,57% мас. спирту при температурі кипіння 78,15° С; при цьому ж тиску температура кипіння етилового спирту дорівнює 78,3, а води — 100° С.

Рис. 2. Крива рівноваги

Закони М. С. Вревського

Графік, зображений на рис. 2, побудований для ізобаричних умов. При зміні тиску в системі змінюється й положення кривої рівноваги.

Закони, що управляють зміною рівноваги при зміні тиску в системі, установлені учнем Д. П. Коновалова М. С. Вревським. М. С. Вревський сформулював два закони.

1. При підвищенні температури кипіння (тиску) розчину двох рідин у парах зростає відносний зміст цього компонента, випар якого вимагає більшої витрати енергії.

2. При підвищенні температури (тиску) кипіння розчинів, пружність пари яких має максимум, у нероздільнокиплячої суміші зростає відносний вміст того компонента, випар якого вимагає більшої витрати енергії.

При підвищенні температури кипіння розчинів, пружність пари яких має мінімум, у нероздільнокиплячої суміші наростає відносний вміст того компонента, випар якого вимагає меншої витрати енергії.

Закони М. С. Вревського вказують на те, що зі зменшенням тиску при низьких концентраціях спирту в рідині (до 21% мол.) збільшується зміст води в парах, а при більше високих концентраціях спирту в рідині збільшується зміст спирту в парах.

Що стосується азеотропної крапки, то зменшення тиску в системі веде до збільшення змісту спирту в нераздільнокиплячої суміші. При деякому мінімумі тиску азеотропна крапка для цієї суміші зникає й перегонка може дати абсолютний (безводний) спирт.

Поняття про дефлегмацію

При утворенні пари з рідкої бінарної суміші пари збагачуються нижчекиплячим компонентом. Розглянемо зворотний процес — конденсацію пар, що містять два компоненти. Як це видно з діаграми рівноваги (див. рис. 2), пара, що містить b % нижчекиплячого компонента, перебуває в рівновазі з рідиною, що містить а % нижчекиплячого компонента. Тому при частковій конденсації цієї пари парова фаза, що залишилася, збагачується нижчекиплячим компонентом. Така часткова конденсація, що супроводжується зміною состава фаз, називається дефлегмацією. Отже, дефлегмацією називається конденсація парової суміші, що супроводжується збагаченням парової фази, що залишилася, нижчекиплячим компонентом. Рідка фаза, що при цьому утворюється, називається флегмою. Процес дефлегмації може бути використаний також для поділу суміші летучих компонентів.

Класифікація процесів перегонки

Рис. 3. Простий кубовий апарат:

1 – куб; 2 – холодильник; 3 – топлення

На рис. 3 представлений апарат для простої перегонки – одиночний куб. Якщо поверхня куба ретельно ізольована, то можна вважати, що на внутрішній поверхні його пари не конденсуються. У такому випадку можна вважати, що апарат працює без дефлегмації, і утворяться в кубі 1 пари віддаляються в холодильник 2, де конденсуються, утворюючи дистилят D. Робочий цикл такого одиночного куба складається з наступних операцій: наповнення, нагрівання вмісту куба (навалювання) до кипіння, сгонка, спуск залишку й підготовка до наступного наповнення. У процесі перегонки процентний вміст нижчекиплячого компонента в кубі безперервно змінюється. Пари, що утворяться, містять відносно більше нижчекиплячого, чим рідка фаза; тому в міру перегонки концентрація нижчекиплячого компонента в рідині, що залишилася в кубі, зменшується. Внаслідок цього в міру перегонки зменшується зміст нижчекиплячого в парах, що утворяться. Тому, що відбираються послідовно порції, дистиляту нерівноцінні відносно змісту нижчекиплячого компонента.

Рис. 4. Прості кубові апарати з дефлегмаційними пристроями:

а – із шоломом; б – з тарілками

Тому що дефлегмація збільшує зміцнювальний ефект апарата, те кубові апарати постачають пристосуваннями для посилення дефлегмації. Найпростішим пристосуванням є шолом, установлюваний над кубом і охолоджуваний повітрям. Пізніше з'явилися куби, постачені дефлегматорами.

На рис. 4 представлені кубові апарати з дефлегмаційними пристроями. Завдяки процесу дефлегмації зміцнювальний ефект такого апарата вище зміцнювального ефекту апарата без дефлегмації. Дистилят, отриманий у такому апарату, містить більше нижчекиплячого компонента, чим дистилят, отриманий в апарату без дефлегмаційного пристрою.

Проста перегонка під вакуумом. Перегонка з водяною парою

Якщо необхідно провести перегонку при низькій температурі в кубі, прибігають до використання вакууму. Конденсатор (холодильник) з'єднують із вакуум-насосом, що відсмоктує гази, що не конденсуються. При цьому відбувається зрушення фазової рівноваги відповідно до закону Вревського.

Температуру перегонки можна також знизити, якщо перегонку робити в присутності інертного компонента. Таким компонентом найчастіше є водяна пара. Тому така перегонка називається перегонкою з водяною парою.