ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы СОД ЕР ЖАНИЕ Точная ректификация и ее применение в комбинированном методе исследования бензинов из "Определение индивидуального углеводородного состава бензинов прямой гонки комбинированным методом" Параллельно с решением чисто конструктивных задач успешно развивалась за последние два-три десятилетия и теория лабораторной ректификации, ранее практически не существовавшая. Успехи теории, в свою очередь, способствовали дальнейшему усовершенствованию ректификационной аппаратуры и техники лабораторной ректификации. [c.15] Однако, чтобы дальнейшее изложение было более понятным, мы считаем целесообразным дать некоторые основные положения теории лабораторной ректификации. При этом мы поставили перед собой задачу — изложить эти основы в наиболее доступной форме с тем, чтобы они могли быть полезны не только высококвалифицированным специалистам, но и тем практическим работникам, в частности лаборантам, которые непосредственно занимаются разгонками на колонках, но делают это часто почти автоматически, не вникая в сушность производимых ими операций. Ознакомление с элементами лабораторной ректификации помогло бы им сознательно избегать многих ошибок, часто встречающихся на практике. [c.16] Возможность разделения смесей жидкостей на составные компоненты при помощи перегонки определяется, прежде всего, тем, что в большинстве случаев процентный состав пара над кипящей смесью отличается от состава взятой смеси. [c.16] Испарение жидкости в окружающее замкнутое пространство не может происходить беспредельно. Жидкость будет испаряться лишь до тех пор, пока над ней не установится некоторое давление пара, характерное для каждой данной жидкости. При таком давлении число молекул, испаряющихся в единицу времени, будет равно числу молекул, конденсирующихся за то же время. Поэтому указанное давление, называемое давлением, или упругостью, насыщенного пара, при постоянной температуре является постоянной и при этом равновесной величиной в том смысле, что если давление пара над какой-либо жидкостью окажется больше упругости ее насыщенного пара, тотчас же начнется конденсация, и пар будет переходить в жидкость до тех пор, пока его давление не упадет до равновесного. Наоборот, если давление пара окажется ниже указанной величины, жидкость будет испаряться. При этом безразлично, будет ли прсктранство над жидкостью пустым или заполнено каким-либо другим газом или паром в обоих случаях жидкость будет испаряться, стремясь к достижению упругости насыщенного пара, но только в первом случае речь идет о давлении пара над жидкостью, а во втором — о парциальном давлении пара над смесью. [c.16] Упругость насыщенного нара зависит от температуры с повышением температуры она растет, с понижением — падает. Если повысить температуру настолько, что упругость насыщенного пара станет равной атмосферному давлению, пары начнут выделяться особенно энергично— жидкость закипит. Чем больше у какого-либо вещества упругость насыщенного пара и чем быстрее она растет с увеличением температуры, тем раньше упругость пара достигнет атмосферного давления при нагревании и, следовательно, тем ниже будет температура кипения. [c.16] Рассмотрим это на примере веществ Л и , из которых А при любой температуре имеет большую упругость пара, чем Б, как в чистом виде, X - ак и в их смеси. Из сказанного выше следует, что 1) температура кипения Л будет ниже, чем Б, и 2) в парах над смесью А и Б концентрация А будет выше, чем в жидкой фазе. Следовательно, если взять смесь /1 и Б какого-либо состава, довести до кипения и сконденсировать пар R холодильнике, то полученный таким путем дестиллат будет богаче 1 пзк )кипящим веществом А, чем исходная смесь. Остаток, наоборот, обогатится вышекипящим веш еством Б. Снова перегнав полученный та-i iiM путем дестиллат, можно собрать новый дестиллат, еще более богатый веществом А. После многих перегонок можно, наконец, выделить пог(М1, содержащий желаемую концентрацию вепдества А. Последова- ельно перегоняя остатки, можно выделить и Б. [c.17] Зависимость между температурой и составом может быть изображена графически. На рис. 2,а,б нижняя кривая 2 выражает зависимость температуры кипения смеси двух жидкостей от процентного состава (кривая жидкости), а верхняя кривая 1 — состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью при той же температуре (кривая пара). Обе кривые получены при одном и том же давлении. Ход кривых для разных пар жидкостей всегда различен. [c.18] Соответствующие графики для веществ, способных образовывать азеотропные смеси, имеют вид, показанный на рис. 3. Такие смеси кипят либо выше, либо ниже обоих составляющих их веществ. Дальнейшее изложение относится к веществам, не образующим в условиях перегонки азеотропных смесей. [c.19] В настоящее время широкое распространение получили насадочные колонки, представляющие собой простые цилиндрические трубки, наполненные какой-либо насадкой, например отрезками стеклянных трубок, стеклянными бусами, кусочками проволочных или стеклянных спиралей или целыми спиралями разной конструкции, различными устройствами из проволочной сетки и т. п. Подробнее с иасадочпыми колонками можно ознакомиться в одной из рекомендованных выше монографий. Кроме того, ниже будет дано описание двух насадочных лабораторных колонок. [c.21] В таких колонках пары из колбы или куба поднимаются вверх, частично конденсируясь по пути. Полученньп конденсат, стекая вниз, распределяется тонкой пленкой по насадке, благодаря чему он может вступать в тесный контакт с поднимающимися вверх парами. Таким образом, равновесие между паром и жидкостью устанавливается в таких колонках не на определенных местах — тарелках, а в каждой точке. Иными словами, изменение состава пара и жидкости происходит здесь не ступенчато — от тарелки к тарелке, а непрерывно — вдоль всей высоты колонки. Тем не менее, несмотря на отсутствие в таких колонках каких-либо реальных тарелок и непрерывный, а не ступенчатый, характер изменения состава разделяемой смеси, их эффективность можно измерять той же меркой числа теоретических тарелок. Действительно, если установить состав паров, входящих в колонку снизу, и нанести соответствующую точку на кривой пара, а затем сделать то же для состава пара в самой верхней части колонки, над насадкой, то мы можем по-прежнему сосчитать, сколько же ступенек на диаграмме надо пройти, чтобы добраться от первой точки до второй. Это и покажет нам, скольким теоретическим тарелкам отвечает наша колонка, и мы сможем таким образом сравнивать ее с тарельчатыми колонками. [c.21] При насадках разного типа две колонки одинаковой высоты могут иметь и разное число теоретических тарелок, а так как очень высокие лабораторные колонки неудобны, то будет естественно признать наилучшей ту насадку, которая при наименьшей высоте дает наибольшую эффективность. Для сравнения насадок с этой точки зрения удобно пользоваться специальной единицей измерения, называемой БЭТТ, т. е. высотой, эквивалентной одной теоретической тарелке. Измерив эффективность колонки и разделив найденное число теоретических тарелок на высоту заполненной насадкой части колонки, мы и получим В ЭТТ. [c.21] Вернемся теперь снова к тарельчатым колонкам и обсудим, можно ли как-нибудь приблизить эффективность реальной тарелки, не изменяя ее конструкции, к тому значению эффективности, которую она имела бы, если бы на ней установилось полное равновесие между паром и жидкостью, т. е. она работала бы как теоретическая тарелка. Иными словами, можно ли повысить эффективность одной тарелки и эффективность колонки в целом только путем подбора наиболее благоприятных условий работы на ней Оказывается, что для этого имеется целый ряд возможностей . [c.21] А в парах будет ниже, а в жидкости выше, чем должно быть в состоянии равновесия. Если бы можно было задержать пары в колбе на некоторое время, то они, обмениваясь с жидкостью, в конце концов дошли бы до равновесной концентрации. Однако пары, не успев дойти до такого состояния, проникают на первую тарелку, где наблюдается то же явление. На вторую тарелку пары попадают не только до установления полного равновесия, но даже и до того максимального к нему приближения, которое осуществимо при данной конструкции тарелки (см. стр. 20). Так, продвигаясь преждевременно с тарелки на тарелку, пары доходят, наконец, и до верхней тарелки, а оттуда попадают в приемник. Если бы мы смогли задержать пары на самой верхней тарелке на некоторое время, состав пара и жидкости сначала на ней, а потом и по всей длине колонки постепенно более или менее приблизился бы к равновесному составу, пары вверху колонки обогатились бы веществом А, и, следовательно, разделение было бы более полным. Можно ли это осуществить Да, можно. Для этого в верхней части колонки устраивается кран, запирающий парам выход в приемник для дестиллата, и конденсатор, возращающий пары в виде рефлюкса обратно Т1а верхнюю тарелку. В начале работы колонки кран держат закрытым, как принято говорить, оставляют колонку работать на себя , до тех пор, пока пары и жидкость в ней не приблизятся максимально к состоянию равновесия. Этот простой прием позволяет значительно повысить эффективность колонки в первые часы ее работы. [c.22] Необходимо подчеркнуть, что время, в течение которого колонка должна работать на себя, весьма зависит от ее конструкции. Одни колонки доходят до равновесия за несколько минут, другие — за много часов. Поэтому в каждом конкретном случае, если не имеется определенных указаний в литературе, надо устанавливать необходимую продолжительность работы колонки на себя опытным путем. Как это делается, будет описано ниже. [c.22] Особенно ясно показано значение правильного выбора флегмового числа на рис. 5, на котором приведены кривые разгонки на колонке эффективностью 90 т. т. одной и той же смеси, но при разных флегмовых числах — от единицы до бесконечности. Для большей наглядности в качестве такой смеси взяты два вещества с близкими температурами кипения (разница в 1,8°), очень трудно разделяющиеся на рассматриваемой колонке. На рис. 5 хорошо видно, что, в тО время как при флегмовом числе 100, лишь немного превышающем число теоретических тарелок, чистые вещества получить еще не удается, при флегмовом числе 200 разделение вполне осуществимо. В случае более легко разделяемой смеси аналогичные кривые будут получены на той же колонке при меньших флегмовых числах. [c.23] Огромное значение имеет тепловой режим колонки. При всех приведенных выше рассуждениях, говоря о тепловом обмене пара и жидкости, мы не принимали во внимание тепловой обмен колонки с окружающей средой. Допустим, что в комнате температура выше, чем на одно из тарелок. Тогда на этой тарелке, вследствие подогрева снаружи, начнется испарение более высококипящего компонента и повышение его концентрации в парах вплоть до установления соответствующего равновесия то же случится на всех расположенных выше тарелках, так как на них содержание вышекипящего вещества должно быть меньше, а потому и температура должна быть еще ниже. Естественно, что все это резко ухудшит работу колонки. Наоборот, если в комнате температура ниже, чем на какой-либо тарелке, на последней начнется частичная конденсация высококипящего компонента, и его концентрация в парах понизится, т. е. колонка станет работать как будто бы даже лучше. Однако усиленная конденсация высококипящего компонента приводит к большому увеличению объема жидкости в колонке, и колонка начинает заливаться этой жидкостью, как говорят, захлебываться . Это затрудняет работу на колонке, так как приходится терять время на устранение указанного явления. В случае использования колонок с насыпной насадкой появление избытка жидкости делает пленку стекающей жидкости более толстой и ухудшает обмен между паром и жидкостью, так как более глубокие слои жидкой пленки медленнее вступают в контакт с парами. Таким образом, как и при мало совершенных тарелках, жидкость преждевременно стекает на более низкий уровень в колонке, т. е. как бы уменьшается число теоретических тарелок колонки. Иными словами, охлаждение колонки, в конце концов тоже ведет к ухудшению ее работы, однако переохлаждение все же менее вредно, чем перегрев. [c.24] Для правильного контроля и регулирования теплового режима колонки при наличии обогрева можно воспользоваться простым приемом. В адиабатических условиях с каждой тарелки будет уходить вверх столько же паров, сколько на нее поступает снизу. Точно так же с нее будет стекать вниз столько жидкости, сколько се стекает с верхней тарелки. Таким образом, в адиабатических условиях по всей колонке должна установиться одна и та же скорость движения паров и жидкости. Отсюда следует, что с первого и с третьего счетчика капель (см. стр. 32) за единицу времени, например за одну минуту, будет стекать одинаковое чпсло капель. Если же часть тепла теряется колонкой в окружающее пространство, то, соответственно, часть паров будет ко щенсироваться, и вверху капель станет меньше, чем внизу. Таким образом, относительное умегш-шение числа капель, стекающих с верхнего счетчика, означает, что компенсация теплопотерь недостаточна и что необходимо усилить обогрев колонки. Наоборот, если обогрев будет слишком сильным, то испарение увеличится, и над верхней тарелкой станет слишком много паров поскольку эти пары в конденсаторе превратятся в жидкость, естественно, что на верхнем счетчике число капель станет больше, чем на нижнем. Следовательно-, в этом случае надо убавить обогрев колонки. Таким образом, по числу капель, стекающих с верхнего и с нижнего счетчика в одну минуту, можно легко следить за тем, правильно ли установлен обогрев колонки. [c.25] Из сказанного выше может создаться представление, что нужно стремиться к тому, чтобы число капель на верхнем и на нижнем счетчиках было одинаковым, поскольку именно это отвечает строго адиабатическим условиям. На самом деле это не совсем так. Следует иметь в виду, что сделать обогревательную рубашку, в которой было бы абсолютно равномерное распределение тепла по всей длине колонки, практически невозможно. На практике всегда в каких-то местах рубашки будут, хотя бы и небольшие, перегретые и переохлажденные участки. Если большую часть рубашки точно отрегулировать на требуемую для поддержания адиабатических условий температуру, то безусловно вдоль длины колонки где-то появятся участки, которые будут нагреваться слишком сильно, что может крайне вредно отразиться иа эффективности колонки. Если же среднюю температуру рубапжи снизить и сделать ее несколько ниже требуемой для поддержания идеальных адиабатических условий, то участки с несколько более высокой температурой, чем средняя, все же не будут иметь температуры выше допустимой. Поэтому температуру рубашки следует отрегулировать таким образом, чтобы число капель, стекающих с нижнего счетчика, было несколько больше числа капель, стекающих с верхнего счетчика. Наилучшее соотношение числа капель для различных колонок может быть различным, и его следует найти опытным путем. [c.25] Вернуться к основной статье