Дистилляция с перегретым водяным паром однокомпонентных жидкостей

При дистилляции с перегретым водяным паром однокомпонентной жидкости температура системы при подводе тепла, необходимого для возмещения затрат на испарение дистиллируемой жидкости извне, будет всегда выше температуры дистилляции с насыщенным водяным паром. Это происходит потому, что давление перегретого водяного пара при данной температуре всегда меньше давления насыщенного водяного пара при той же температуре. Для того, чтобы сумма парциальных давлений компонентов равнялась общему давлению, под которым ведется перегонка при дистилляции с перегретым водяным паром, процесс приходится проводить при несколько повышенной температуре. Границы температур дистилляции ограничены при заданном внешнем давлении, с одной сторо-

Зависимость парциальных давлений воды и бензола при дистилляции с насыщенными парами бензола

Рис. 2.6. Зависимость парциальных давлений воды и бензола при дистилляции с насыщенными парами бензола: 1 -вода и бензол; 2 -бензол; 3 - вода

Рис. 2.7. Зависимость парциальных давлений воды и бензола при дистилляции с насыщенным водяным паром: / -вода и бензол; 2 -бензол, 3 - вода

ны, температурой кипения дистиллируемой жидкости, а с другой - температурой совместного кипения вещества с водой. Поэтому понижение температуры дистилляции всегда меньше, чем при использовании насыщенного водяного пара при определенном внешнем давлении (рис. 2.6).

Температура совместного кипения (трехфазная точка кипения) определена точкой D, как пересечение линии постоянного внешнего давления (760 мм рт. ст.) и суммы парциальных давлений насыщенных паров веществ. Температура кипения бензола определяется точкой А. Между точками А и D находятся точки, которые определяют температуру дистилляции бензола с перегретым водяным паром. Если во время процесса в паровой фазе сохраняется насыщенность парами бензола, то с повышением перегрева водяного пара его парциальное давление в паровой фазе все время уменьшается, а при понижении температуры от tA до tAz парциальное давление водяного пара увеличивается. Если дистилляция с перегретым водяным паром осуществляется при других внешних давлениях, то все возможные состояния в зависимости от перегрева воды и внешнего давления будут находиться в заштрихованной области - области содистилляции бензола с водяным паром.

Применяя изложенное выше к случаю, когда в паровой фазе, наоборот, сохраняется насыщенность паров воды, получим аналогичную зависимость (рис. 2.7). Паровая фаза, насыщенная только парами воды, получается обычно при дистилляции с насыщенным водяным паром, когда из-за условий процесса введенный насыщенный водяной пар не успевает насытиться парами дистиллируемой жидкости. В этом случае перегретым компонентом в паровой фазе являются пары бензола. Перегретые пары бензола в смеси с насыщенными парами воды могут быть получены также при введении паров бензола в нагреваемую воду. В этом случае процесс можно рассматривать как дистилляцию воды с перегретыми парами бензола. Область с перегретыми парами бензола и насыщенными парами воды на рис. 2.7 заштрихована; она значительно расширяется по сравнению с ранее рассмотренным случаем (рис. 2.6), так как температурные границы дистилляции увеличиваются.

А. Захаренко, исходя из уравнения Клаузиуса-Клапейрона, дал следующую зависимость для вычисления соотношения количеств дистиллируемого вещества (Ga) и воды (Gz)

Это уравнение применяется преимущественно в том случае, когда величина давления пара дистиллируемого вещества неизвестна.

С. Либинзон и А. Пакшвер, исходя из уравнения (2.1) нашли, что с помощью потока газа можно отгонять количество вещества Ga, равное

где Vmt - объем инертного газа при 0°С.

Они отмечают, что теоретически между дистилляцией в потоке водяного пара и дистилляцией в потоке какого-либо другого газа существенного различия не имеется.

Для определения устанавливающейся при дистилляции с перегретым водяным паром температуры системы лучше всего использовать диаграммы энтальпия - температура. Этот метод, предложенный Ц. Грабовским (раздел 1.14), позволяет определить температуру дистилляции в зависимости от перегрева водяного пара, температуры нагрева жидкости и от ее теплоты испарения. Из этих данных можно рассчитать и расход тепла на дистилляцию. Для построения графика необходимо знать парциальные давления водяного пара и дистиллируемой жидкости, а также удельный расход водяного пара. Используя данные энтальпии паров обоих компонентов, можно во всем диапазоне температур дистилляции от до tAz определить энтальпии 1 кг водяного пара и Ga кг пара дистиллируемой с ним жидкости для каждого значения температуры. При некоторых допущениях можно принять, что энтальпия 1 кг вводимого водяного пара должна быть равна энтальпии (1 + Ga) кг поднимающихся паров.

На основании этих данных строится диаграмма энтальпия-температура (рис. 2.8 и 2.9). На них энтальпия паров для Ga кг дистиллируемой жидкости откладывается над осью температур (кривая АЛ'), а значение энтальпии для водяного пара под осью (кривая ОВ). Линия энтальпии 1 кг водяного пара в первом приближении является прямой, а кривая энтальпии паров дистиллируемой жидкости растет асимптотически (до бесконечности при температуре кипения жидкости /а)• Если в дистиллируемую жидкость вводится водяной пар с известной энтальпией /о, отвечающей ординате ВВ то энтальпия паров, покидающих дистилляционный куб, должна равняться энтальпии подведенного водяного пара. Проводя линию В'С, параллельную линии энтальпии водяного пара ОВ, получаем точку D пересечения ее с кривой энтальпии паров дистиллируемой жидкости, которая дает температуру дистилляции Гд.(рис. 2.8) Только при этой температуре энтальпия (1 + Ga) кг покидающих куб паров будет равна энтальпии 1 кг подведенного водяного пара. Температура дистилляции to устанавливается при этом самопроизвольно.

Кривая энтальпии дистиллируемой жидкости может находиться на разной высоте над осью абсцисс (рис. 2.9). Иногда несмотря на сильный перегрев водяного пара, линия В 'С может не пересечь ее, следовательно, тепла 1 кг водяного пара недостаточно для испарения Ga кг дистиллируемой жид-

Графическое определение температуры дистилляции с

Рис. 2.8. Графическое определение температуры дистилляции с

перегретым водяным паром по методу Ц. Грабовского

Рис. 2.9. Графическое определение температуры дистилляции с

перегретым водяным паром по методу Ц. Грабовского для процесса с догреванием

кости и для проведения процесса дистилляции, следует увеличить количество тепла на величину, соответствующую отрезку СЕ (тогда пойдет перегонка с насыщенным паром). Если внешним обогревом куба ему сообщается тепла меньше требуемой величины, то необходимое количество тепла будет выделяться в результате конденсации части водяного пара. Чтобы избежать появления конденсата в кубе, необходимо увеличить дополнительный обогрев куба. Если при этом будет подведено больше тепла (например, количество, соответствующее отрезку CF), чем требуется для проведения процесса, то, проведя через точку F прямую, параллельную СВ до пересечения с кривой энтальпии пара дистиллируемой жидкостью, найдем точку пересечения Д отвечающую температуре перегонки to- В этом случае энтальпия (1 + Ga) кг паров дистиллата равняется сумме энтальпии 1 кг водяного пара, введенного в жидкость, и количества подведенного через стенку куба тепла в расчете на 1 кг водяного пара.

Подставляя количество дистиллируемого вещества на 1 кг водяного пара в выражение энтальпии паров дистиллируемой жидкости, получим энтальпию паров дистиллируемого вещества на 1 кг водяного пара:

где рА - парциальное давление вещества Л; гА - теплота парообразования; С а - теплоемкость; МА - молекулярная масса.

Мольные теплоты испарения жидкостей близки друг к другу, поэтому значения 1А будут высокими в случае высоких значений рА и МА. Необходимость в дополнительном обогреве дистилляционного куба возникает, следовательно, в случае дистилляции жидкостей с высоким давлением паров и с большим молекулярным весом.

Используя основное уравнение (2.1), состав паровой фазы и температуру дистилляции, можно определить количество перегоняемой жидкости на 1 кг водяного пара. Оказывается, что количество жидкости на 1 кг водяного пара растет с повышением температуры дистилляции и увеличивается до бесконечности, когда температура достигает максимального значения температуры кипения чистого вещества. Повышение температуры может пойти вразрез с основным требованием процесса - снижением температуры дистилляции. Поэтому необходимо всегда выбирать оптимальную температуру дистилляции, при которой дистиллируемое вещество еще не разлагается, а расход водяного пара не очень велик.

Пример. Из перегонного куба с целью очистки от загрязнений отгоняется с водяным паром анилин. В куб подводится насыщенный водяной пар под давлением 3 кг/см2, который дросселируется до нормального давления в вентиле и затем пропускается через смесь.

Требуется определить: какое количество тепла надо подвести в куб дополнительно (через паровую рубашку), считая на 1 кг водяного пара, чтобы температура процесса равнялась 106°С. Давление насыщенного пара анилина при этой температуре равно 60 мм рт. ст. Теплоемкость жидкого анилина 0=0,512 ккал/(кгград), теплота парообразования гА= 103,7 ккал/кг. Каково содержание анилина (в %) в дис- тиллате?

Решение. Пар анилина в дистиллате будет насыщенным, следовательно, его парциальное давление рА=60 мм рт. ст. Общее давление составляет 760 мм рт. ст., молекулярный вес

Энтальпия 1 кг насыщенного пара анилина при 106°С может быть вычислена с помощью теплоемкости жидкого анилина С а и теплоты парообразования г а:

Энтальпия Ga кг анилина, приходящегося на 1 кг водяного пара:

Водяной пар в дистиллате имеет температуру 106°С, давление pz = 760 - 60 = 700 мм рт. ст. и, следовательно, находится в состоянии перегрева (поэтому дистилляция и проводится с перегретым паром).

Из термодинамических таблиц для водяного пара находим энтальпию 1 кг этого пара Iz = 642 ккал/кг. Сумма энтальпии в (1 + Ga) кг дистиллата, приходящихся на 1 кг водяного пара:

Но в куб подводится насыщенный пар с давлением 3 кг/см2, который затем дросселируется до нормального давления. Так как при дросселировании энтальпия не изменяется, то из таблиц для насыщенного пара энтальпия 1 кг пара при давлении 3 кг/см2 равна 651 ккал/кг. Эта энтальпия меньше количества тепла, требующегося на (1 + GA) кг дистиллата. Разность составляет: 709—651=58 ккал. Это количество тепла следует подвести в куб дополнительно (через паровую рубашку) на каждый килограмм пара, введенного в анилин.

анилина равен 92. На 1 кг водяного пара в дистиллате приходится анилина:

Зная количество отогнанного вещества на 1 кг водяного пара G^=0,438 кг, вычисляем содержание анилина в дистиллате

При дистилляции чувствительных к повышению температуры веществ широко используют вакуум.

Количество водяного пара, необходимого для дистилляции 1 кг вещества, при давлениях системы Р и Рг

может быть получено, если в уравнение (2.1) подставить соотношение парциальных давлений веществ при различных давлениях. Эти соотношения могут быть получены на основе уравнений Клаузиуса - Клапейрона в виде

принимая теплоту парообразования г в пределах рабочих температур постоянной.

Мольные теплоты парообразования гА и rz для многих веществ по правилу Трутона при нормальном давлении и близких температурах кипения почти одинаковы, поэтому

Следовательно, количество жидкости, перегоняемой с 1 кг водяного пара, мало зависит от давления для тех веществ, абсолютные температуры кипения которых при нормальном давлении близки к температуре кипения воды.

Различие может быть только в составе дистиллата при дистилляции с водяным паром двух- или многокомпонентных смесей, так как условия диффузии дистиллируемых компонентов в водяной пар и в вакуум неодинаковы. Этот вопрос был исследован В. Льюисом, который показал, что отношение числа молей дистиллируемых компонентов в паровой фазе не равно отношению их равновесных давлений. Учитывая, что коэффициент массоотдачи в газовой фазе пропорционален коэффициенту диффузии в степени 0,56

NA r m

можем выразить отношение компонентов —- в паровой фа-

зе:

Зная коэффициент диффузии обоих компонентов в водяном паре, в вакууме и равновесные давления по отношению к раствору рА и рв, можно из уравнения (2.3) вычислить отношение числа молей NA к числу молей Nb компонента в потоке газа.

Такой метод разделения компонентов заслуживает особого внимания в случае азеотропных смесей, как указывает Я. Циборовский. Так как при дистилляции азеотропных смесей состав пара не отличается от состава жидкости, то составы паров, полученные при различных разрежениях и количестве затраченного водяного пара, не одинаковы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >