ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделяющая способность и теоретические тарелки из "Перегонка" Жидкость состава Ь (рис. 1) будет кипеть при 4 и находиться в равновесии с паром состава с. Тарелка, которая вызовет такое же изменение состава, какое происходит при идеальной простой перегонке, т. е. от а к й или от 6 к с, или же любое другое аналогичное изменение состава, например от с к е, и будет теоретической тарелкой. Концентрации легколетучего компонента, соответствующие этим равновесным составам пара и жидкости, отвечают концам отрезков горизонтальных прямых, лежащих между кривыми жидкости и пара на графиках подобного рода. Так как кривые жидкости и пара сходятся на ординатах, отвечающих составам чистых веществ, то очевидно, что в любой смеси разность составов, отвечающая действию одной теоретической тарелки, будет приближаться к составу чистого вещества. Кроме того, чем величина относительной летучести ближе к единице, тем ближе лежат кривые пара и жидкости друг к другу и тем меньше будет разница в составе, отвечающая одной теоретической тарелке. Насадочная колонка (или любой другой ректифицирующий прибор), на котором производят разделение, соответствующее двум последовательным ступеням или единицам, например от а до с, эквивалентна, как принято говорить, двум теоретическим тарелкам. Если высота такой насадочной колонки равна 25 см, то ВЭТТ равна 12,5 см. Подобное рассуждение применимо к любому числу теоретических тарелок и к любой высоте колонки. В настоящее время имеются колонки, эквивалентные более чем 100 теоретическимтарелкам. Можно ожидать, что для данной колонки или насадки ВЭТТ, определенная на разных двойных смесях, будет иметь примерно одинаковую величину, если эти смеси будут близкой химической природы и будут иметь близкие величины вязкости и поверхностного натяжения. Если же эти характерные свойства смесей сильно различаются, то, повидимому, в значительной степени изменяются толщина жидкой пленки, поверхность соприкосновения газа с жидкостью и скорость диффузии. Таким образом, одна и та же колонна или насадка может обладать весьма различными величинами ВЭТТ. Выражение рабочей характеристики колонны с помощью представлений о сопротивлении переносу вещества через пленку на границе раздела между паром и жидкостью получило существенное развитие, однако использование в расчетах теоретических тарелок и ВЭТТ имело и имеет значительно большее практическое значение. [c.11] Термин фракционирование применяют очень часто, понимая под этим фракционированную перегонку или ректификацию. В действительности же перегонка является лишь одним из способов, при пойощи которого может быть достигнуто фракционирование смеси. В этом широком смысле фракционирование включает любой процесс систематического разделения смеси на относительно чистые фракции. Смешение близких по составу фракций и повторение основного процесса разделения обычно также включаются в понятие фракционирования. Наиболее широко известным примером фракционирования при помощи способа разделения, отличного от перегонки, является так называемая дробная кристаллизация. Она часто применяется, например, при выделении некоторых редкоземельных элементов [17]. Более современным примером фракционирования является разделение фторидов урана с помощью диффузионных мембран [18]. С этой целью была сконструирована весьма остроумная система для объединения определенных фракций и повторного их разделения с минимальной затратой ручного труда. Систематическое фракционированное осаждение высокополимерных соединений из растворов представляет общий интерес как метод, позволяющий находить функцию распределения молекул по размерам. Отмывка загрязнений от твердых тел является также часто применяемым способом разделения, а экстракция из одной жидкости в другую неоднократно обсуждалась в литературе и применяется как способ разделения и фракционирования . [c.12] В более старой литературе по перегонке. Некоторые описания этого способа фракционированного разделения настолько устарели, что лишь подчеркивают, насколько новым является развитие эффективных лабораторных ректификационных приборов. Перегонка через колонну по принципу действия схожа с очисткой жидкой смеси действием противотока другой соответственно выбранной жидкости (непрерывная экстракция растворителем). Весьма тесно связана с этим процессом очистка газообразных смесей действием противотока жидкого растворителя (обычный скрубберный процесс). Последние три процесса разделения обладают той особенностью, что многократно повторяемые стадии могут быть совмещены воедино с помощью противотока жидкости, стекающей под действием силы тяжести и восходящего пара. Таким образом удается полностью избежать трудоемкой работы по фракционированию с помощью простых стадий однократного разделения. С помощью одной насадочной колонны можно достичь того же результата разделения, что и при стократном повторении операции простой разгонки. [c.13] Для всех видов процесса разделения, как бы они ни отличались друг от друга, принципы и теории, в сущности, остаются одними и теми же [19]. Обычно для решения любой проблемы разделения смесей применяют несколько способов разделения. Так, если относительная летучесть близка к единице, то следует рассмотреть возможность разделения с помощью видоизмененной перегонки, какими являются экстрактивная или азеотропная перегонки, описанные в гл. П1, или с помощью других методов, отличных от перегонки. Однако перегонка часто является наилучшим средством, благодаря простоте аппаратов и операций. Абсолютная чистота не может быть достигнута ни при каком способе перегонки. Но во всех случаях, за исключением разделения азеотропных смесей (раздел II), можно близко подойти к достижению весьма высокой степени чистоты, если только пользоваться достаточно сложными и тщательно разработанными методами и йриборами. [c.13] Одновременно с усовершенствованием аппаратуры большое развитие получила также теория перегонки в связи с ее применением для решения проблем органической химии. Промышленное производство спиртов, продуктов переработки каменноугольного дегтя и нефти стимулировало обширные работы по теории непрерывной разгонки. Так как последняя исчерпывающе описана во многих монографиях 20—23], то настоящая книга ограничивается в основном рассмотрением периодической разгонки и некоторых специальных операций. Глава по теории написана главным образом применительно к лабораторной периодической перегонке и ректификации. [c.13] Имеется обширная литература по насадкам и другим устройствам, увеличивающим поверхность соприкосновения в перегонных колоннах, включая сюда и работы по определению величины ВЭТТ при полном орошении, характеризующие эти насадки и устройства. Ниже особое внимание будет уделено применению кривых разгонок для выражения результатов фракционирования, а также показано влияние относительной летучести, флегмового числа, числа теоретических тарелок и других факторов на четкость излома этих кривых. [c.14] Характер сведений, даваемых теорией, можно сравнить с видом большой неисследованной области, которая открывается взору наблюдателя с вершины большой горы при рассматриваний через слабый бинокль. Виден лишь основной рельеф широкая река, открытая долина, высокое плоскогорье, на котором высятся недоступная вершина и цепи гор с едва уловимыми перевалами. Весьма заманчиво, приятно, а иногда и выгодно рассуждать о деталях, но следует признать, что точное и полезное знание придет только в результате упорной работы, исследования шаг за шагом, со многими разочарованиями и бесчисленными трудностями и превратностями. Общие методы материального баланса и подсчета можно уподобить применению полевого бинокля и подзорной трубы при аэрофотосъемке. Точный опыт, подобно кропотливой работе с компасом, рулеткой и отвесом, должен следовать за общими рассуждениями. Те, кто осмелился или принужден вторгнуться в такую область, должны отправляться в путь, отдавая себе полный отчет в том, что их ожидает. Они могут надеяться легко открыть новые удобные пути и плодородные земли, пригодные для исполь- зования и освоения они могут также завязнуть в трясине, оказаться на бесплодной земле или застрять в непроходимых ущельях. Во всяком случае, можно с уверенностью утверждать, что основной рельеф, который был виден вначале, будет продолжать оставаться неизменным и надежным ориентиром, и что из отдельных деталей будет постепенно построено единое и взаимосвязанное целое. [c.16] Все процессы разделения при помощи перегонки основаны на различии между составом жидкой смеси и составом ее пара. Состав пара зависит от реального давления насыщенного пара (парциального давления) каждого из компонентов в условиях, при которых находится смесь. Всякое чистое вещество при любой температуре будет обладать характерным для него равновесным давлением насыщенного пара или давлением насыщения, которое может быть достигнуто, если только будет дано время, достаточное для диффузии при наличии достаточной поверхности соприкосновения пара с жидкостью. Парциальное давление любого из компонентов смеси, находящейся в равновесном состоянии, зависит от давления насыщенного пара этого компонента в чистом виде, состава смеси и от влияния другого компонента смеси. [c.16] При реальной перегонке обычно не удается достичь равновесия, так как продолжительность и другие условия контакта противотоков жидкости и пара редко отвечают условиям, необходимым для осуществления равновесия. Поэтому теоретический анализ должен исходить из рассмотрения времени, скорости и поверхности контакта, влияющих на диффузию компонентов из жидкости в пар и обратно. Такой анализ сложен и все еще находится в процессе своего развития [10, 24—27] (см. также раздел IV). Несмотря на то, что теория перегонки должна объяснить явления, происходящие в условиях реальной перегонки, она не может обойтись без изучения составов жидкости и пара в условиях равновесия. Это изучение лежит в основе всей теоретической работы в рассматриваемой области. По этой причине настоящий раздел главы будет посвящен вопросу о давлении пара жидких смесей и различию в составе жидкости и ее пара. [c.16] Смеси взаимно растворимых жидкостей (идеальные и неидеальные). [c.17] Наиболее простым примером из числа приведенных выше различных классов является смесь двух жидкостей, которые полностью взаимно нерастворимы или не смешиваются одна с другой и образуют поэтому два отдельных жидких слоя или две фазы. Равновесный состав пара в этом случае йе зависит от соотношения между количествами обеих рассматриваемых жидкостей, но всецело зависит от температуры смеси. Каждая жидкость испаряется так, как будто бы другая отсутствует, и состав пара зависит исключительно от давлений паров чистых компонентов. По терминологии правила фаз здесь имеются два компонента, три фазы, и поэтому число степеней свободы должно равняться единице. При любой данной температуре перегонки давление системы строго определено. [c.17] Обычно представляется возможным ориентировочно предсказать температуру кипения и состав дестиллята двух совершенно нерастворимых жидкостей по дан ым о давлениях их паров, опубликованным в литературе [34 — 40], с помощью метода, показанного на примере расчета для смеси бензальдегид —вода. Следует подчеркнуть, что сходимость вычисленных и реально найденных вeJшчин зависит от того, насколько продолжительный и тесный контакт имеется между фазами, т. е. насколько близко давление подошло к равновесному. Вычисление потребности водяного пара при перегонке с паром представляет интерес для производства [41]. [c.18] График, отвечающий этому уравнению, был построен для низших углеводородов Капсоном и Фроличем [43], отложившими lgp против — Полученные кривые практически оказались прямыми. [c.20] Другим способом графического выражения данных по давлениям насыщенных паров является диаграмма Кокса [44 —46]. Она также дает прямые линии, и часто кривая давления пара целиком может быть получена по одной экспериментальной величине. Для построения диаграммы Кокса требуется одно эталонное вещество, например вода или ртуть. Зависимость давления пара от температуры для эталонного вещества строят в виде прямой с наклоном около 45°. Этого можно достичь, применив логарифмическую шкалу давлений для ординаты и нанося затем на абсциссу точки соответствующих температур. Зависимости давления пара от температуры для других веществ выразятся почти прямыми линиями, если их построить на этом же графике. Группы близких между собой по строению органических соединений дают линии, которые пересекаются в определенной точке. Таким образом, обычные точки кипения углеводородов, спиртов и т. п. очень часто служат для нахождения всей кривой зависимости давления пара от температуры. Отмер [47] опубликовал данные о зависимости между давлением пара, скрытой теплотой испарения и некоторыми другими величинами. [c.20] Относительная летучесть, которую обозначают обычно через а, является просто частным от деления летучести одного компонента смеси на летучесть другого компонента. При этом принято летучесть, имеющую большее численное значение, помещать в числитель, так что это отношение бывает всегда больше единицы. [c.21] В этих последних р означает общее давление газа, р и Давления паров чистых компонентов, а и уд — мольные доли последних в паре. [c.23] В каждом случае реальных смесей давление паров компонентов следует находить прямым опытом, а для использования в расчетах по перегонкам все эти результаты лучше всего выражать и сопоставлять в виде летучестей, относительных летучестей и диаграмм равновесия пар — жидкость. [c.24] Диаграммы равновесных составов пар—жидкость. При рассмотрении ВЭТТ (высота, эквивалентная теоретической тарелке) в разделе 1 был использован график (см. рис. 1) с двумя кривыми, выражающими зависимость температур кипения от состава жидкой двойной смеси и зависимость состава пара от температур кипения. Можно для этой цели пользоваться одной кривой, непосредственно выражающей зависимость состава пара от состава жидкости.Такой график (рис. 5) называется диаграммой или кривой равновесия пар—жидкость (или диаграммой X, у). Эти кривые лежат в основе большинства расчетов и теоретических анализов перегонки, так как они содержат основные данные по взаимозависимости составов жидкости и ее пара. Для того чтобы данные были достоверными, их следует определить непосредственным опытом, что не так просто, так как почти всегда наряду с простой перегонкой имеет место и ректификация. Чтобы избежать этого, были разработаны специальные методы и приборы для определения равновесия (см. примечание на стр. 11). [c.24] Вернуться к основной статье