Расчет простой перегонки

Сложность расчета процесса периодической перегонки заключается в постоянно изменяющихся составах кубовой жидкости и дистиллята.

Если в кубе в данный момент времени кмоль жидкости концентрацией по ЛЛК кмоль/кмоль, то через время смеси останется , а ее концентрация станет равной (так как = , то = ).

В исходной смеси было ЛЛК, стало . Из уравнения материального баланса по ЛЛК имеем:

. (5.21)

Раскроем скобки и учтем, что состав дистиллята и состав паров, равновесных с жидкостью одинаковы, следовательно

.

Произведением пренебрегаем как бесконечно малой величиной второго порядка, получим

,

,

. (5.22)

Дифференциальное уравнение (5.22) проинтегрируем в пределах изменения количества жидкости в кубе от начального до конечного и соответствующего изменения в ней содержания целевого компонента от до .

,

. (5.23)

Из уравнения (5.23) находят количество кубового остатка , если задана его концентрация .

Вид функции определяется формой равновесной кривой и обычно не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения (5.23) проводят графически – построением зависимости от (рисунок 5.11). По площади под кривой, ограниченной ординатами и определяют (зная масштаб диаграммы) величину искомого интеграла.

Рисунок 5.11 – Зависимость от .

Перегонка с водяным паром (инертным газом)

Этот вид перегонки применяют для разделения смесей веществ, не растворимых в воде, кипящих при высоких температурах и не обладающих при температурах кипения достаточной термической стойкостью. Перегонка с водяным паром позволяет заметно снизить температуру кипения смеси и избежать разложения и осмоления компонентов. При перегонке с водяным паром высококипящих веществ, не растворимых в воде, температура кипения смеси ниже температуры кипения воды при данном давлении. Таким образом, при атмосферном давлении температура перегонки будет ниже 100 ⁰С.

Перегонка с водяным паром применяется при переработке жирных кислот, эфирных масел, смол, для дезодорации – удаления веществ, обуславливающих неприятный запах масел, жиров и других продуктов.

Рассмотрим технологическую схему процесса перегонки с водяным паром (рисунок 5.12).

Рисунок 5.12 – Технологическая схема процесса перегонки с водяным паром:

1 – перегоны куб; 2 – барботер; 3 – конденсатор; 4 – сепаратор.

Исходная смесь загружается в куб 1, обогреваемый глухим паром через рубашку. Внутрь куба через барботер 2 подается острый пар. Пары, образующиеся при испарении смеси, направляются в конденсатор-холодильник 3. Образовавшийся конденсат поступает в сепаратор 4, где нерастворимые друг в друге жидкости расслаиваются. Снизу сепаратора через гидравлический затвор удаляется вода, а сверху – отогнанный целевой компонент (ЛЛК), не растворимый в воде.

Система, состоящая из двух взаимно нерастворимых компонентов и трех фаз (двух жидких и одной паровой), согласно правилу фаз Гиббса, обладает одной степенью свободы (). Отсюда следует, что каждой температуре смеси отвечает строго определенное давление, и каждый компонент смеси ведет себя независимо от другого. Соответственно парциальное давление каждого компонента не зависит от его содержания в смеси и равно давлению насыщенных паров чистого компонента при этой же температуре: ; (рисунок 5.13).

Рисунок 5.13 – Диаграммы зависимости от (), от () и для систем, состоящих из двух взаимно нерастворимых компонентов и трех фаз:

, =100 ⁰С и – температуры кипения при атмосферном давлении нерастворимого в воде компонента, воды и их смеси.

Вывод, у смесей с нерастворимыми компонентами:

- парциальное давление паров и их состав не зависят от состава жидкости.

- температура кипения смеси не зависит от концентрации в ней компонентов;

- температура кипения смеси ниже, чем температура кипения чистых веществ;

Это свойство используется в производстве для снижения температуры кипения термолабильных смесей при перегонке с водяным паром или инертным носителем (газом), т.е. компонентом, нерастворимым в исходной смеси. Для понижения температуры кипения смесей также применяют вакуум.

Теоретический расход водяного пара на процесс может быть найден из следующих соотношений. По закону Дальтона

; и .

При постоянной температуре давления насыщенных паров чистых компонентов и постоянны и, следовательно, постоянно отношение . Соотношение между количествами и компонентов в парах определяется следующим образом:

,

где и – массовые расходы отгоняемого компонента и водяного пара;

и – молекулярные массы отгоняемого компонента и водяного пара;

Безразмерный комплекс называется критерием состава и входит в критериальные уравнения, описывающие массообмен при перегонке в токе с водяным паром. Расход водяного пара

. (5.24)

Как правило, пар извлекаемым компонентом не насыщается и в приведенное уравнение вводят коэффициент насыщения = 0,5 – 0,9.

. (5.25)