Смеси взаимно нерастворимых жидкостей.

 

Примеры:

вода – бензол, вода – органические жидкости.

Такие системы образуют два слоя и могут быть разделены путем отстаивания.

Система, состоящая из двух 9нерастворимых компонентов и 3-х фаз (2-х жидких и одной паровой) имеет согласно правилу фаз, одну степень свободы. Отсюда следует, что каждой T смеси отвечает строго определенное давление, и каждый компонент смеси ведет себя независимо от друга Соответственно, парциальное давление каждого компонента не зав-т от его содержания в смеси и равно давлению паров чистого компонента при той же температуре.

p, P T y

 

P=P_A+P_B P=const

T_B пар

p_A=P_A T_A

 

пар+ пар+

p_B=P_B жидкость B жидк.А

a b

^T_см

100% B 100%A

x x,y x

 

Рис.5.33 Фазовые диаграммы смесей взаимно нерастворимых жидкостей.

 

 

Диаграмма p-x:

(3.7)

Диаграмма T-x,y: - температура кипения чистого компонента А.

- температура кипения чистого компонента В.

Незначительная растворимость все-таки имеется: Tсм - температура кипения смеси.

- температура кипения смеси (А+В), как видно не зависти от состава смеси (ab-горизонтальная линия).

Для взаимно нерастворимых жидкостей состав пара над кипящей смесью постоянен и не зависит от соотношения компонентов в растворе.

По закону Рауля имеем:

,

(3.8)

 

Соотношение между количествами и компонентов в парах следующее:

(3.9)

где М_А, M_В - молекулярные веса компонентов A и В.

 

Простая перегонка.

Обычно процесс простой перегонки проводят периодически. При период. перегонке жидкость постепенно испаряется, образующиеся пары удаляются и конденсируются, получают дистиллят. При этом содержание НК в исходной жидкости уменьшается, что приводит к снижению содержания НК в дистилляте В начале процесса перегонки содержание НК в дистилляте максимально, в конце минимально.

 

Рис.5.34 Схемы установок для простой перегонки (слева), перегонки с дефлегмацией (справа).

 

 

Для повышения степени разделения смеси применяют дефлегматор. Пары из перегонного куба поступают в дефлегматор, где они частично конденсируются, в основном ВК и получаемая жидкость (флегма) сливается в куб. Пары обогащенные НК, направляются в конденсатор-холодильник, где полностью конденсируются. Окончание операции контролируют по Ткип смеси в кубе, которая должна соответствовать заданному состава остатка.

 

Материальный баланс простой перегонки.

В данный момент количество жидкости L, а ее состав х (по НК) и у* в паре над жидкостью. Количество НК в жидкости Lx. За время dt испарится dL смеси, концентрация НК уменьшится на dx.

 

Lx=(L-dL)(x-dx)+y*dL (3.10)

 

Раскрывая скобки и пренебрегая членом dLdx, как величину второго порядка, после разделения переменных получим:

(3.11)

Вид функции y*=f(x) определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически.9

Здесь F - количество исходной смеси.

W - количество остатка.

xF - концентрация НК в исходной смеси.

xw - концентрация НК в остатке.

Обычно уравнение (5.112) решается графически.

 

Знаем По уравнению 3.11, находим W. Количество дистиллята . Составим материальный баланс по НК:

(3.12)

Здесь - -средний состав получаемого дистиллята.

Находим :

(3.13)

 

Итак, находим количество и средний состав дистиллята.

 

 

Ректификация

 

Ректификация - процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающей и многократно повторяемых процессов частичного испарения и конденсации разделяемый смеси на поверхности контакта фаз.

Рассмотрим непрерывную бинарную ректификацию.

Рис. 5.35 Фазовая диаграмма T – x,y.

 

Исходная смесь состава x₁ нагрета до Т₁ кипения. При этом получим пар, находящийся в равновесии с жидкостью. При конденсации этого пара образуется жидкость (конденсат) состава х₂ =y₁*, которая обогащена НК. Нагрев эту жидкость до Т₂, и сконденсировав образующие пары, получим конденсат состава х₃=y₂*. Как видно x₃>x₂>x

Т.о. можно получить жидкость, практически из НК. Описанный процесс можно осуществлять в многоступенчатой установке, каждая ступень которой является аппаратом простой перегонки.

Ректификацией в виде остатка можно получить, чистый ВК.

Процесс ректификации осуществляют путем многократного контакта между неравновесными жидкой и газовой фазами, движущихся относительно друг друга.

Процесс ректификации осуществляется периодически и непрерывно при р = р_атм, р_вак и р_изб.

Для непрерывного процесса ректификации необходимо, чтобы исходная смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси.

 

Рис.5.36 Схема ректификационной установки непрерывного действия.

 

 

Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе, называют тарелкой питания. Положение питающей тарелки специально рассчитывают. Тарелка питания делит колонну на две части:

верхнюю - укрепляющую, нижнюю - исчерпывающую.

 

В укрепляющей части происходит обогащение поднимающихся паров НК, а в исчерпывающей - удаление НК. Поток пара, поднимающегося по колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике, а поток жидкости, идущей по колонне сверху вниз - возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре. Отношение киломолей флегмы Ф, приходящейся на 1 кмоль отбираемого дистиллята P, называют флегмовым числом:

 

R=Ф/Р (3.14)

 

Жидкость, выходящая из низа колонны также делится на 2 части. Одна часть идет в кипятильник, другая в сборник.