Материальный баланс постепенной дистилляции.

В данный момент количество жидкости L, а ее состав х (по НК) и 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 (3.12)

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

(3.13)

Здесь - количество исходной смеси; - количество кубового остатка; и - концентрация НК в исходной смеси и в остатке соответственно.

Вид функции y*=f(x) определяется формой кривой равновесия, которая является специфической для каждой системы жидкость – пар. Поэтому уравнение (3.13) решается графически, построением зависимости от х (рис.3.12).

Рис.3.12. К расчету материального баланса постепенной дистилляции.

Зная по уравнению (3.13), по площади под кривой на графике находим W. Количество дистиллята определяется D= . Составим материальный баланс по НК:

(3.14)

Здесь - - средний состав получаемого дистиллята.

Находим :

(3.15)

Итак, нашли количество и средний состав дистиллята.

3.4.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.3.13).

Рис. 3.13. Схема установки непрерывной ректификации: 1 - ректификационная колонна; 2 - дефлегматор; 3 - холодильник дистиллята; 4 - холодильник кубового остатка; 5 - кипятильник кубового остатка; 6 - подогреватель исходной смеси; 7 - делитель флегмы; 8 - делитель кубового остатка; 9 - сборник кубового остатка; 10 - сборник дистиллята.

Рассмотрим работу ректификационной установки на примере тарельчатой колонны (принципиальных отличий в работе колонн других конструкций нет). Исходная смесь состава с расходом поступает в подогреватель 6, где нагревается до температуры, как правило, близкой к температуре кипения и подается в колонну 1. Обычно исходная смесь подается в колонну в жидком состоянии, но иногда может подаваться в виде пара или смеси пара и жидкости. Тарелка, на которую поступает исходная смесь, называется питательной или тарелкой питания. Она делит колонну на две части: верхнюю, называемую укрепляющей, и нижнюю - исчерпывающую. Жидкость стекает с каждой тарелки на более нижнюю, контактируя с восходящим неравновесным потоком пара. При этом из пара в жидкость переходит ВК, а из жидкости в пар - НК. Таким образом, жидкость, стекая вниз, обогащается ВК и из нижней части колонны отводится кубовый остаток, в котором преобладает ВК по сравнению с исходной смесью . Часть кубового остатка, разделяясь в делителе 8, отводится в виде конечного продукта в сборник 9, а другая - поступает в кипятильник 5, испаряется и подается в виде пара в колонну под нижнюю тарелку.

Пар проходит через тарелки, контактируя с жидкостью, обогащается НК и отводится из верхней части колонны в дефлегматор 2, где, как правило, полностью конденсируется. Конденсат разделяется в делителе 7 на две части, одна из которых отводится в виде дистиллята в сборник готового продукта 10. Содержание НК в нем выше, чем в исходной смеси . Другая часть конденсата, называемая флегмой, подается на верхнюю тарелку и стекает вниз для обеспечения контакта с паром в верхней части колонны. Если в дефлегматоре весь пар конденсируется то составы пара , дистиллята и флегмы одинаковы и в делителе 7 происходит лишь разделение жидкого потока на части без изменения его состава.

При взаимодействии поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости (флегмы) за счет теплоты конденсации. При этом из пара конденсируется в основном ВК, а из флегмы, в основном, НК. Таким образом отекающая флегма непрерывно обогащаются ВК, а поднимающиеся пары – НК.

Если вся жидкость, поступающая в кипятильник 5, испаряется, то состав пара, поступающего в колонну равен составу кубового остатка .

Исходная смесь состава x₁ нагрета до Т₁ кипения (рис.3.14). 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 .Таким образом можно получить жидкость, практически из НК. Поскольку жидкость бинарная, кубовый остаток получил в виде почти чистого ВК.

Рис.3.14. Фазовая диаграмма Т – x,y при Р=const.

Процесс ректификации осуществляется периодически или непрерывно, при 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. Положение питающей тарелки рассчитывают с учетом этого обстоятельства.

Для удобства анализа и расчета процесса ректификации вводят понятие о флегмовом числе R. Отношение киломолей флегмы Ф, приходящейся на 1 кмоль отбираемого дистиллята D, называют флегмовым числом:

R=Ф/D (3.16)