Федеральное государственное бюджетное образовательное Составители: В.В. ФИЛИППОВ, А.А. СКОРОХОД

учреждение высшего профессионального образования

УДК 66.02

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Ректификация смеси этилового спирта и воды. Метод. указ. к лабоКафедра химической технологии и раторной по курсу «Основные процессы и аппараты химической промышленной экологии технологии». / Самар. гос. тех. ун-т; Сост. В.В. Филиппов, А.А.

Скороход. Самара, 2012. 31 с.

Ректификация смеси Методические указания предназначены для студентов химикоэтилового спирта и воды технологического, нефтетехнологического, инженернотехнологического факультетов, факультета пищевых производств и заочного факультета.

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Самара Печатается по решению кафедры ХТиПЭ Процесс перегонки, которую можно считать «бабушкой» соНемного истории временной ректификации1, имеет весьма солидный возраст. Древние греки умели отделять от вина спирт – spiritus vini – дух вина. В «...Теперь я перехожу к искусству. Я начну с перегонки, изоПоднебесной тоже были знакомы со спиртом, а значит, были знабретения последнего времени, поразительного дела, хвала котокомы с перегонкой.

рому выше сил человеческих; не той перегонки, которой пользуются невежественные и неумелые люди, — они применяют ее, но только портят и разрушают добро; но той перегонки, которую выполняют искусные мастера... Внимай, любящий учение и желающий раскрыть секреты природы, проникнуть в них! Невежде никогда не познать искусства перегонки!».

Так писал в своей книге «Начала натуральной магии» знаменитый итальянский алхимик Делла Порта, живший на рубеже XVI и XVII веков.

И действительно, в 1589 г. процесс, которым сейчас владеет любой студент-химик, можно было считать искусством. Теории не существовало. Франсуа Мари Рауль еще не установил связь между парциальным давлением компонента и его мольной долей в жидко- Так перегоняли средневековые А так выглядит современная сти. И профессор Санкт-Петербургского университета Дмитрий алхимики ректификационная установка Петрович Коновалов тоже ещё не сформулировал свои законы, названные впоследствии его именем, и не создал теорию перегонки Появление и развитие перегонки было связано с производстжидких смесей. вом спирта и крепких алкогольных напитков. На рис. 1 показана принципиальная схема процесса простой или, как её ещё называют, фракционной, перегонки. Исходная смесь (сырьё) загружается в перегонный куб и нагревается до температуры начала кипения tнк.

Образующиеся пары поступают в конденсатор-холодильник, где переходят в жидкое состояние, а затем охлаждаются. Образовавшийся дистиллят собирается порциями (фракциями) в сборники.

Для квалифицированного управления процессом в куб вмонтирован термометр, с помощью которого можно отбирать фракции с заданными температурами выкипания. После завершения процесса в кубе остаётся продукт, который называют кубовым остатком или кубовой жидкостью. Итак, продуктами процесса простой перегонки являются дистиллят и кубовый остаток.

Франсуа Мари Рауль Дмитрий Петрович Коновалов (10.05.1830-1.04.1901) (22.03.1856-06.01.1929) Ректификация - от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление.

3 которого выше, а давление пара меньше, назовём высококипящим Выход воды Контроль компонентом (ВКК) и присвоим ему номер 2.

температуры Состав бинарной смеси будем выражать в мольных долях НКК и обозначать через х его концентрацию в жидкой фазе, а через Конденсатор-холодильник у – концентрацию в паровой фазе. Понятно, что концентрация второго компонента, ВКК, в жидкой фазе будет (1-х), а в паровой – (1у).

Количество взятой на разделение смеси обозначим F, количеВход воды ство полученного дистиллята D, количество кубового остатка W.

Дистиллят Концентрацию НКК в исходной смеси обозначим хF, его концентрацию в общем количестве полученного дистиллята хD, а в кубовом остатке – хW.

Теперь нам необходимо вспомнить раздел физической химии, посвящённый равновесию между жидкостью и паром в бинарных системах (смесях).

В 1882 г. уже упоминавшийся нами французский физик и хиПерегонный куб мик Франсуа Мари Рауль установил зависимость парциального Исходная смесь давления компонента над раствором от его концентрации в жидкой Сборники фракций дистиллята (сырьё) фазе. Эта зависимость известна сегодня как закон Рауля.

Системы, которые подчиняются закону Рауля, называют идеальными. К ним можно отнести смеси, образованные изомерами или гомологами, т.е. веществами одного класса. Например, нефть и её фракции (бензиновая, керосиновая и т.д.) неплохо описываются законом Рауля. Для таких смесей можно рассчитать температуры Подвод теплоты начала и конца кипения при известных давлении и составе жидкоРис. 1. Схема установка для простой (фракционной) перегонки.

сти, состав равновесного пара над кипящей жидкостью и некоторые другие параметры.

Хуже обстоит дело с системами, образованными веществами Немного теории различных классов и особенно содержащими в своём составе воду.

Их называют неидеальными. Такие смеси могут показывать полоПрежде чем рассматривать теорию перегонки и ректифика- жительные отклонения от закона Рауля (фактическое давление пара ции, введём определения и обозначения. оказывается больше теоретического), отрицательные (давление паВ целях упрощения будем рассматривать разделение двух- ра меньше теоретического) и знакопеременные. Рассчитать паракомпонентной (бинарной) смеси. Из двух компонентов один будет иметь меньшую температуру кипения и, следовательно, большее давление пара. Его мы назовём низкокипящим компонентом (НКК) и присвоим ему номер 1. Второй компонент, температура кипения метры равновесия для таких смесей нельзя, приходится обращаться Итак, взятая исходная смесь в количестве F и с концентрацик справочникам с экспериментальными данными2. ей НКК хF нагревается до температуры кипения tнк. При кипении Из всего многообразия неидеальных систем следует выделить образуется пар состава уD, который после конденсации превращанаиболее сложные смеси, которые называют азеотропными (от ется в жидкий дистиллят с концентрацией НКК хD. По мере провегреч. а – приставка, означающая отрицание или отсутствие чего- дения процесса перегонки исходный раствор будет обедняться либо, zeo – киплю и trope – поворот, изменение) или нераздельно- НКК, так как тот переходит в дистиллят. Поэтому точка М на ликипящие. В современном понимании термин «азеотропная смесь» нии кипения начнёт перемещаться (мигрировать) вверх и влево, означает такую жидкую смесь, при кипении которой образуется температура кипения будет расти. Вслед за точкой состава кипящей пар того же состава, что и кипящая жидкость. А разделение жидких жидкости М будет перемещаться точка состава пара. Концентрация смесей перегонкой основано как раз на отличии состава образую- НКК в нём будет уменьшаться.

щегося пара от состава исходной кипящей смеси. Следовательно, разделение азеотропных смесей перегонкой невозможно.

На рис. 2 показана классификация жидких смесей с точки зрения равновесия между жидкостью и паром.

Рис. 2. Классификация жидких смесей по их подчинению закону Рауля этилового спирта и воды, которая относится к классу азеотропных.

Теперь посмотрим на график зависимости температур кипе- Для простой перегонки можно записать два уравнения матения и конденсации (график изобар), рис. 3. риального баланса, которые будут справедливы и для процесса Наиболее часто проектировщики пользуются справочником В.Б. Коган, В.М.

Фридман, В.В. Кафаров. Равновесие между жидкостью и паром. М-Л, изд. «Наука», 1966 г., в двух томах.

Согласно первому уравнению всё взятое в процесс сырьё раз- ней появился новый аппарат – дефлегматор и новый поток – поток Согласно второму уравнению весь низкокипящий компонент Принцип работы такой модернизированной установки запосле проведения процесса разделился на две неравные части: ос- ключается в следующем. Как и при простой перегонке, исходная новное его количество перешло в дистиллят и немного осталось в смесь доводится до кипения. Образующийся пар поступает теперь Простая перегонка не позволяет получить в дистилляте кон- В дефлегматоре происходит частичная конденсация пара. Процесс, центрацию НКК больше, чем это предписывается равновесием ме- происходящий при этом, показан на рис. 5.

жду жидкостью и паром (рис. 3). История умалчивает о том, кто Поступивший в дефлегматор пар начинает переходить в впервые попытался «обмануть» закон и получить более крепкий жидкую фазу, но воды для его полной конденсации подаётся недистиллят3. Зато мы совершенно точно знаем, что для этих целей достаточно. Происходит частичная (парциальная) конденсация. В потребуется установка, показанная на рис. 4. результате из дефлегматора выходит парожидкостная смесь, которая поступает в аппарат, предназначенный для отделения образовавшейся жидкой фазы от пара. Эта жидкая фаза называется флегмой. Она возвращается в перегонный куб. Самое главное, что в составе нового пара концентрация низкокипящего компонента стала Рис. 4. Схема установки перегонки с дефлегмацией Флегмовое число показывает отношение количества отбираемого дистиллята непрерывном обмене теплом и отдельными компонентами между и в значительной степени определяет совершенство самой ректижидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высо- фикационной колонны.

кокипящим компонентом, а паровая фаза — более низкокипящим, Средний КПД контактного устройства определяется как отт.е из пара в жидкость уходит ВКК, а из жидкости испаряется НКК ношение числа теоретических ступеней к фактическому числу стуи переходит в пар. В результате пар, дойдя до верха, превращается пеней в колонне.

в практически чистый НКК, а жидкость, дойдя до низа, в почти Коэффициент полезного действия ступени контакта зависит чистый ВКК. Движущей силой этого обмена на границе двух фаз от большого числа факторов – скоростей потоков контактирующих является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному фаз, физических свойств системы и т. д., однако, при прочих равсостоянию5. ных условиях, определяющую роль играют скорости потоков отноСхема взаимодействия потоков до достижения «одноразово- сительно границы их раздела фаз и площадь этой границы. Чем го» равновесного состояния известна как «теоретическая тарел- ближе эти скорости к турбулентному течению и чем больше пока» (историческое название, связанное с конструкцией контактного верхность контакта, тем интенсивнее проходит процесс тепломасустройства в виде тарелки), однако точнее суть процесса определя- сообмена и жидкость и пар приближаются к равновесному состояется терминами «теоретическая ступень контакта» или «единица нию.

Процесс ректификации представляет собой многократно по- колонна, для разделения многокомпонентных и непрерывных смевторяющиеся по высоте колонны циклы испарения жидкости и сей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система коконденсации ее паров (достижение равновесных состояний) в соот- лонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на ветствующих «единицах переноса». соответствующие компоненты (фракции). Число контактных устДля проведения заданного процесса ректификации исходной ройств в каждой из таких колонн может достигать нескольких десмеси можно рассчитать теоретическое значение числа ступеней сятков.

контакта, в каждой из которых реализуется равновесное состояние Основными рабочими параметрами процесса ректификации фаз. В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зо- являются давление и температура в системе, соотношение потоков ны потоков пара и жидкости не достигается, потоки имеют разные жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

температуры, а их составы не соответствуют условиям равновесия. На рис. 6 показана принципиальная схема промышленной Поэтому для проведения заданного процесса ректификации потре- ректификационной установки. Основными элементами установки буется большее число ступеней контакта, чем теоретическое.

Мерой совершенства контактного устройства с точки зрения Продуктами процесса ректификации являются дистиллят организации тепломассообменного процесса является степень от- (верхний продукт) и кубовый остаток (нижний продукт). Если различия состояний пара и жидкости после их взаимодействия в кон- деляется двухкомпонентная (бинарная) смесь, то дистиллят предтактном устройстве от их возможного, теоретически достижимого, ставляет собой практически чистый НКК, а кубовый остаток равновесного состояния при данной температуре. Эта степень от- практически чистый ВКК. В лабораторной работе разделяется Равновесным состоянием фаз называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных измене- На производстве конденсатор часто называют дефлегматором, что не совсем смесь этилового спирта и воды. В качестве дистиллята при этом создаёт в ней поток жидкого орошения тильнике. На это затрачивается тепловая энергия. Затем пар надо сконденсировать и превратить во флегму. Для этого подведённую теплоту надо отвести в конденсаторе (дефлегматоре). Таким образом, циркулирующая по установке флегма является энергетической платой за разделение жидкостей на чистые компоненты. Поэтому вполне понятно желание уменьшить эту плату, уменьшить расход Сырьё F, xF личественной оценки соотношения потоков возвращаемой флегмы и получаемого дистиллята вводится понятие флегмового числа R, которое равно отношению расходов флегмы и дистиллята (см.

В теории ректификации доказывается, что при минимальном Рабочая линия является геометрическим местом точек софлегмовом числе высота ректификационной колонны получается ставов фаз, встречающихся в любом сечении колонны.

бесконечно большой. Т.е. минимальное флегмовое число – это в Точка ввода сырья (рис. 6) делит колонну на две части – верхнекотором смысле абстрактная величина. Поэтому на практике нюю и нижнюю. Эти части отличаются материальными потоками:

принимают рабочее флегмовое число несколько больше минималь- к потоку флегмы, стекающей из верхней части в нижнюю, присоеного. Выбор этой величины определяется технико-экономическими диняется поток питания. Поэтому уравнений рабочих линий будет расчётами. Для характеристики превышения рабочего флегмового два: для верхней и нижней частей колонны. В дальнейших расчётах числа над минимальным вводится коэффициент избытка флегмы j будет использоваться уравнение рабочей линии верхней части, которое имеет вид Если на работающей колонне уменьшить подачу флегмы, то в дистилляте xD (ухудшение состава дистиллята). И наоборот, увечисло; хD – состав дистиллята.

личение флегмового числа приведёт к получению более чистого верхнего продукта. Контроль состава дистиллята можно вести по изменению температуры верха колонны: если температура увелилинии к оси абсцисс чивается, то в дистилляте содержание низкокипящего компонента чивается. Именно такой способ контроля используется в данной значительно ниже температуры верха (холодное орошение). Во вто- Если проанализировать выражение (6), то нетрудно прийти к ром случае на верхней тарелке происходит образование дополни- выводу, что:

И поднимающийся по колонне пар, и стекающая флегма израбочая линия верхней части колонны пересекает диагоменяют свой состав: пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим. Но при этом между составами поднимающегося пара y и стекающей жидкости x существует функ- дистиллята хD.

циональная связь, которая описывается уравнениями рабочих ли- · отрезок В, отсекаемый на рабочей линией верхней части