Перегонка жидкостей. Общие сведения

В химической технологии, нефтехимической и других отраслях промышленности используют широкое разнообразие жидких и газовых смесей, подлежащих разделению на достаточно чистые компоненты или фракции различного состава. Часто разделение таких смесей при контакте жидкой и паровой фаз, сопровождающееся перераспределением компонентов между фазами, достигается перегонкой.

Перегонка – это процесс, включающий испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров. Этот процесс можно осуществить однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

В основе перегонки лежит различная летучесть составляющих смесь компонентов, т.е. разная склонность их к переходу из жидкой фазы в паровую или в обратном направлении. Пусть, например, в колбе находиться жидкая смесь метанола и воды с концентрацией метанола 40 %. Если эту смесь нагреть до кипения и подвести некоторое дополнительное количество теплоты, то образовавшаяся (в небольшом количестве) паровая фаза, находящаяся в контакте с оставшейся жидкой смесью, будет содержать ≈73 % метанола, т.е. обогатится метанолом.

Пусть теперь от парообразной смеси бензола и толуола, содержащей 40 % бензола и находящейся при температуре конденсации, отводится некоторое количество теплоты. Тогда образовавшийся (в небольшом количестве) конденсат, находящийся в контакте с оставшейся паровой фазой, будет содержать ≈19 % бензола, т.е. обогатится толуолом.

Разная склонность компонентов смесей к переходу в парообразное (либо жидкое) состояние обусловлена разницей их температур кипения. Так, температура кипения метанола 64,5 ⁰С, а температура кипения воды 100 ⁰С. Очевидно, что метанол будет проявлять большее стремление перейти из жидкой фазы в паровую.

Температура кипения бензола 80,2 ⁰С, а температура кипения толуола 110,6 ⁰С, значит толуол проявляет большее стремление перейти из паровой фазы в жидкую.

Различают два вида процессов перегонки: дистилляцию и ректификацию. Основное между ними различие состоит в следующем: дистилляция – процесс непротивоточный (процессы парообразования и конденсации разделены в пространстве и во времени), а ректификация – процесс принципиально противоточный.

В простейшем случае исходная смесь, подвергающаяся перегонке, является бинарной, т.е. состоит из двух компонентов (А и В). Пусть х_А - мольная концентрация компонента А в жидкой фазе, а х_В - мольная концентрация компонента В в жидкой фазе; у_А - мольная концентрация компонента А в паровой фазе, а у_В - мольная концентрация компонента В в паровой фазе. Тогда х_А + х_В = 1, х_А = 1 - х_В; у_А + у_В = 1, у_А = 1 - у_В.

Получаемый при испарении бинарной смеси пар обогащён, т.е. содержит большее количество легколетучего или низкокипящего (НК) компонента, чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, естественно, имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим (ВК) компонентом.

Неиспарившаяся жидкость называется кубовым остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров – дистиллятом или ректификатом.

Простая перегонка (дистилляция) – это процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Она применяется для разделения смесей, состоящих из сильно различающихся по температурам кипения компонентов. Обычно простую перегонку применяют для предварительного грубого разделения жидких смесей и для очистки смесей от нежелательных примесей.