книги из ГПНТБ / Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие

называемой коэффициентом обогащения. В химических методах разделения обычно всегда а^>1 и с достаточной точностью можно 'принимать, что' е^сс. Поэтому понятие о коэффициенте обогащения используется лишь в теории физико-химических процессов разделения, в которых ве­ личина а иногда 'мало отличается от единицы.

Коэффициент разделения в общем случае зависит от температуры проведения процесса, а также от природы и состава разделяемой смеси. При глубокой счистке ве­ ществ, когда суммарное содержание примесей, в очищае­

многокомпонентную смесь, каковой, как уже отмечалось, является каждое очищаемое вещество, можно рассматри­ вать как бинарную, состоящую из основного компонента

которое характеризует очень разбавленные растворы (твердые, жидкие, газообразные). При выполнении усло­ вия (П-З) можно полагать также, что коэффициент раз­ деления смеси основной компонент — примесь не будет зависеть от ее состава и при заданной температуре про­ ведения процесса будет являться постоянной величиной.

Использование условия (П-З) и принятие допущения о постоянстве величины коэффициента разделения а для

Соотношение (П-4) характеризует процесс разделения, когда примесь концентрируется в жидкой фазе. В том случае, когда жидкая фаза обедняется примесью, коэф­ фициент разделения будем выражать следующим соотно­ шением:

Использование уравнения (П-4) или (П-5) в расчетах определяется схемой проведения процесса разделения.

Знание величины коэффициента разделения необхо­ димо в каждом конкретном случае очистки для оценки

30

эффективности используемого метода, для выбора рацио­ нальной схемы и режима процесса, для оценки размеров разделительной аппаратуры и т. д.

§ 2. Методы определения коэффициента разделения

Существует несколько методов определения коэффи­ циента разделения.

1. Метод испарения небольших количеств раствора

Если в распоряжении экспериментатора имеется метод анализа, не требующий больших количеств исследуемого вещества, то коэффициент разделения можно определить наиболее простым способом: путем отгонки в равновес­ ных условиях небольшого объема пара от большого объе­ ма раствора. При этом принимается, что при испарении небольшой части раствора состав жидкой фазы практи­ чески не изменяется. Аналогично можно считать, что в процессе такого испарения не изменяется и первоначаль­ ный состав пара. Анализируя составы раствора и скон­ денсированного пара, по уравнению (П-4) или (П-5) определяется коэффициент разделения.

2. Определение коэффициента разделения на приборе однократного испарения

(на приборе в одну теоретическую ступень)

Этот метод является более точным, чем первый. Если испарить некоторое количество раствора и образующий­ ся пар привести в термодинамическое равновесие с ос­ тавшимся раствором, то, проведя анализ равновесных составов паровой и жидкой фаз, с помощью уравнения (П-4) или (П-5) можно определить величину а. Для то­ го чтобы пар находился в равновесии с жидкой фазой, испарение проводят в специальных аппаратах,- называе­ мых приборами эффективностью в одну теоретическую ступень (теоретическую тарелку). В литературе описано большое количество конструкций таких приборов. Схема одного из них приведена на рис. 7. Пар, образующий при кипении жидкости в кубе А, конденсируется в холодиль­ нике С и стекает в приемник конденсата В, откуда снова

31

(II-6), имеем

или, после разделения переменных,

Произведя в (П-8) интегрирование и определяя постоян­ ную интегрирования из условия, что х — х0<пщ N = N0, по­ лучим

вследствие испарения. Это уравнение называется форму­ лой Релея, так как впервые аналогичное соотношение было получено Релеем еще в 1896 г. при разделении сме­ си идеальных газов путем диффузии через пористую пе­ регородку. Определив концентрацию примеси в растворе

испарения. Такой процесс испарения в целом получил на­ звание релеевский дистилляции.. Максимальное значение скорости испарения, допустимое при определении a релеевской дистилляцией, молено оценить следующим обра­ зом. В случае высокого вакуума скорость испарения

вещества можно охарактеризовать уравнением Лэнгмюра:

ная. В рассматриваемом же случае релеевекой дистилля­ ции, когда жидкость испаряется в атмосфере собственно­ го пара, находящегося под давлением Р, меньшим, чем

У2nMRT

данных условиях испарения, от температуры процесса и молекулярного веса испаряемого вещества. При боль­ ших значениях а допустимое расхождение между Р* и Р может 'быть значительно больше, чем при значениях а,

риментально, путем определения зависимости величины коэффициента разделения от скорости испарения (скоро-

34

сти конденсации) (рис. 9). Рабочая скорость должна вы­ бираться в области, где дальнейшее уменьшение скоро­ сти испарения не вызывает изменения величины коэф­ фициента разделения.

Метод релеевскойдистилляции позволяет с удовле­ творительной точностью определять даже небольшие зна­ чения а. Действительно, если отношение V0/V объемов жидкости в начале и в конце испарения в уравнении (II-9) достаточно велико, то величина х/хо будет заметно отличаться от единицы даже при 'малых величинах а и может быть определена с достаточной точностью.

В том случае, когда примесью является низкокипящий компонент, определение величины а из результатов опыта целесообразно производить с помощью видоизме­

или иной выбранной системы, например, перед опытами по ректификационной очистке веществ. С другой стороны коэффициент разделения в некоторых случаях может быть определен и косвенным путем из результатов опы­ тов по ректификации. Точность таких определений обыч­ но невелика, так как она обусловлена достоверностью аналитических соотношений, характеризующих взаимо­ связь величины а с эффектом разделения, который дости­ гается в процессе ректификации в тех или иных условиях (стационарное или нестационарное состояние, отборный или безотборный режим). Методы таких косвенных опре­ делений а будут рассмотрены в разделе, посвященном ректификации.

Значительный интерес представляют также методы теоретической оценки величины коэффициента разделе­ ния, в основе которых лежат те или иные положения мо­ лекулярной теории растворов. Эти'методы в настоящее время успешно развиваются и можно ожидать, что в перспективе в ряде случаев они смогут успешно конкури- • ровать с экспериментальными 'методами.

Перейдем теперь к рассмотрению основных дистилляционных методов очистки веществ.

§3. Простая перегонка

Как метод очистки простая перегонка обычно оформ­ ляется аналогично релеевской дистилляции; релеевокая дистилляция (равновесная перегонка) представляет со­ бой по существу 'идеальный вариант простой перегонки (см. рис. 8).

Если коэффициент обогащения велик, то при испаре­ нии раствора первые порции конденсата (дистиллята) в значительной степени будут освобождены от высококипящего компонента. Этот компонент, следовательно, будет

обходимо, однако, отметить, что последний термин чаще используется как синоним другого дистилляционного ме­ тода — ректификации.

Достоинством метода простой перегонки является, как видно из рис. 8, простота его осуществления. Приме­ ром очистки рассматриваемым методом может служить дистилляция воды. Соли, содержащиеся в воде, темпера­ тура кипения которых обычно велика, в процессе дистил­ ляции будут концентрироваться в жидкости, остающейся в перегонной колбе. В дистилляте же содержание солей будет ничтожно малым.- Вследствие простоты аппаратур­ ного оформления перегонка применяется для очистки ве­ ществ с 'высокой температурой кипения: металлов, солей и т. д., когда изготовление и эксплуатация более сложной аппаратуры для осуществления других методов очисти сталкиваются со значительными трудностями. Простая перегонка иногда используется и для очистки термоне­ стойких или нестойких по отношению к воздуху веществ. В этих случаях процесс перегонки обычно проводят при пониженном давлении (перегонка под вакуумом) с целью

дистилляцией, содержание примеси в остатке в перегон­ ной колбе можно оценить по формулам (П-9) или (П-12),

36

Для определения концентрации хл примеси в отогнанной фракции можно принять, что в любой момент времени процесса перегонки образующийся пар непрерывно отво­ дится из системы в виде дистиллята. Принимая во вни­ мание это допущение, из формул (П-9) и (II-12) имеем

для определения содержания примеси в остающейся или отогнанной фракциях необходимо, разумеется, предвари­ тельно знать величину а.

Применительно к глубокой очистке веществ простая перегонка может быть использована и в качестве пред­ варительной стадии перед применением многоступенча­ тых процессов разделения. Для разделения смесей ве­ ществ с близкими температурами кипения простая пере­ гонка малоэффективна.

§ 4. Ректификация

Процесс ректификации осуществляется в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами.

Схема колонны изображена на рис. 10. Пар, образующий­ ся при кипении жидкости в кубе колонны А, поднимается вверх по колонне в конденсатор С. Конденсат стекает вниз по колонне в куб А. Таким образом в ректифициру­ ющей части колонны В осуществляется противоток жид­ кости и пара; между Жидкостью и паром протекает про­ цесс массообмена, т. е. происходит межфазовое перерас­ пределение компонентов. На концах колонны происходит обращение фаз: пар превращается в жидкость в конден­ саторе, а жидкость — в пар в кубе колонны. Все это приводит к умножению элементарного акта разделения, наблюдаемого при обычном испарении жидкости. Чем теснее.контакт между жидкостью и паром в ректифици­ рующей части, тем выше скорость процесса межфазово- '0 марррдбмеиа и выше эффект разделения в колонне,

87

Таким образом, ректификационная колонна эквивалент­ на, по даваемому ей результату, аппарату, состоящему из нескольких ступеней, в каждой из которых происходит разделение обычной перегонкой; причем ступени соеди­ нены таким образом, что дистиллят из первой ступени служит кубовой жидкостью для второй ступени и т. д. Следовательно, ректификация является многоступенча­ тым процессом разделения. В результате процесса ректи­ фикации нижекипя.щий компонент концентрируется в

верху колонны и в виде дистиллята (конденсата) можетоттуда отби­ раться в качестве продукта. В этом случае в конденсаторе жидкость, образующаяся из поступающего па­ ра, делится на две части. Одна,

Вменьшая, часть отбирается как .про­ дукт, а другая, большая, часть воз­

смесей, может быть разделена путем непрерывного отбо­ ра части дистиллята на несколько фракций с различны­

38

От интересующего компонента нужным продуктом будет являться та или 'иная фракция.

В промышленных условиях ректификация осущест­ вляется обычно в виде непрерывного процесса (рис. 11). Разделяемую омесь — питание — подают в среднюю часть колонны. Нижекипящие компоненты смеси концентриру­

делится на две секции. Секция, в которой концентрирует­

действия, т. е. колонны с закрытым циклом работы. Тео­ рия же ректификации развивалась в основном примени­ тельно к колоннам с открытым циклом. Эта теория спра­ ведлива.и для колонн с закрытым циклом, обладающих «'бесконечно» 'большим кубом (при этом соблюдается условие постоянства состава разделяемой смеси) и до­ статочно хорошо описывает работу колонн с кубом ко­ нечных размеров.

В литературе описано большое количество конструк­ ций ректификационных колонн. В основном, помимо не­ прерывного или периодического характера работы, они отличаются друг от друга лишь контактным устройством

39