АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Перегонка с водяным паром

Как было показано выше, взаимно нерастворимые жидкости при нагревании в герметически закрытом сосуде (при отсутствии воздуха и инертных газов) выделяют насыщенные пары, парциальные давления ко­торых не зависят от состава, а только от температуры смеси, и теорети­чески равны упругости паров чистых компонентов при данной темпе­ратуре.

Таким образом, в 1 м3 содержится одновременно то же количество каждого компонента в парах, какое заключалось бы в нем, если бы каждый из компонентов находился порознь. Общее давление над смесью в этом случае равно сумме упругостей паров всех ее компонентов при той же температуре.

Эти свойства взаимно нерастворимых жидкостей используют при так называемой перегонке с водяным паром или в [токе инерт­ного газа.

Если в жидкость, не смешивающуюся с водой и кипящую при высо­ких температурах, добавить воду, то температура кипения такой смеси при атмосферном давлении будет ниже 100°.

Общее давление паров над смесью равно сумме упругостей компо­нентов в чистом виде при той же температуре

Р = Ра+РВ

Следовательно, при атмосферном давлении (Р=760 мм рт. ст.) Парциальное давление водяного пара над смесью:

Рв=Р-РА<Р

Т. е.

Я в < 760 мм

А насыщенному водяному пару давлением меньше 760 мм рт. ст. соответ­ствуют температуры ниже 100°.

Эти же соотношения сохраняются и при любом другом давлении. Для определения температуры, при которой данная жидкость будет перегоняться с водой, надо знать только кривые упругости паров данной жидкости и воды при разных температурах. Определим температуру перегонки бензола с водяным паром при атмосферном давлении. Для этой цели найдем по справочным таблицам давление паров над смесью бензол—вода (в мм рт. ст.):

68°C 7СРС

Упругость паров бензола РА .... 505 544

Упругость паров воды Рв.................... 214 234

Общее давление Р................................ 719 778

При атмосферном давлении находим температуру кипения смеси: 70 - т^Е^о (778 - 760) « 69,4°

При перегонке с водяным паром температуру кипения смеси можно определить проще, по кривым упругости паров (рис. 384).

Давление водяного пара отложено на диаграмме не от 0, а от 760 мм вниз, в результате чего точки пересечения кривой упругости водя­ного пара с кривыми упругости различных жидкостей непосредственно указывают искомую температуру кипения.

Кривая упругости водяного пара для любого другого давления мо­жет быть построена аналогичным способом путем нанесения всех точек в соответствующем масштабе (пунктирные кривые на рис. 384). Пере­сечения полученных кривых упругости водяного пара с кривыми упру­гости паров данных жидкостей указывают температуры кипения смеси при заданном давлении.

Так, по диаграмме температура перегонки бензола с водяным па­ром при давлении 760 мм рт. ст. будет —69,5°, а при 300 мм рт. ст.— —46е.

Перегонку с водяным паром ведут обычно в перегонных кубах, снабженных паровой рубашкой и барботером, через который подается острый пар.

Подогрев исходной смеси до температуры перегонки ведут при по­мощи дымовых газов или водяного пара (через рубашку или змеевик). Если исходная смесь содержит воду, то острый пар начинают пускать лишь после отгонки воды из смеси. Отгоняемые продукты после конденса­ции отделяются от воды, с которой они не смешиваются, отстаиванием или центрифугированием.

Расход водяного пара на перегонку теоретически определяется из отношения (3—166)

Од Ра мА

РВ мн

Откуда количество водяного пара, удаляющегося с 1 кгс перегоняемого компонента смеси (т. е. при GA—1), равно

Gb= * 8 кгс (3-169)

RAJvlA

Практически уходящие из перегонного аппарата водяные пары не насыщаются полностью парами отгоняемого компонента. Поэтому расход водяного пара всегда больше теоретического, определяемого из уравнения (3—169). Учитывая это, в уравнение расхода пара вводят коэффициент насыщения ф:

^ в в кгс (3—170)

С <TPAMj

Числовое значение коэффициента насыщения ср зависит от гидродина­мического режима процесса перегонки. При перегонке с водяным паром пар вводится в слой жидкости, при этом он может проходить через слой жидкости либо в виде отдельных пузырей, либо образовывать с жидкостью пену, либо проходить через слой жидкости в виде сплошной струи. Эти различия в барботаже при перегонке с водяным паром обусловливаются прежде всего скоростью пара и объемом пара, образующегося из испаряю­щейся жидкости.

Таким образом, при перегонке с водяным паром могут быть три различных гидродинамических режима: 1) пузырьковый, 2) пен­ный и 3) струйчатый.

По данным Э. К. Сийрде, можно принимать: при пузырьковом режиме перегонки

? = 1

При пенном режиме

, MhPA \—0,125 / t \0,28 / J \—0,48

При струйчатом режиме

? = (3-172)

Здесь Fr = ------------ критерий Фруда;

/а—площадь свободного сечения перегонного аппарата в м2\ F0—площадь свободного сечения отверстий истечения пара

В жидкость в ж2; da—диаметр перегонного аппарата в

Нж—высота слоя жидкости, через которую барботирует пар, в м\ при Лж >0,6 м принимают /г>к=0,6 м. Если обозначить

/ МА Рл \—0,125 I f \0.28 / и \—0,48

Щ (Ь) <3-173»

Можно определить гидродинамический режим следующими неравен­ствами:

Пузырьковый режим •

А >84 (3—174)

Пенный режим

0,84 >А>0,735 (3—175)

Струйчатый режим

А < 0,735 (3—176)

36 А. Г. Касаткин.

СА = К^жЛРср.* кгс (3-181)

Где

Лрср. = мм Pm. ст. (3—182)

In "j-----

1 — у

Уж—объем жидкости в м3; т—длительность перегонки в час.; Kvж—коэффициент массопередачи в кгс! м3-час. мм рт. ст.

При пузырьковом режиме перегонки и указанных выше условиях

П / МЛ Р, \—0,45 /я \0,81 / г \0,37

К. ж = 4,85. 10-^^.12 АА Ма. М (3 183)

^о I мвРв I \Лж I V /о

При пенном режиме перегонки

П / Мд Р. \—0,125 j л \1.62 /г \_1,о

= (А) (А) (3-184)

При струйчатом режиме

П / МдРд \-0,47 ( d \0.23

^ = (А) (3-185)

Формула (3—170) не учитывает расхода пара на нагревание и испарение перегоняемой смеси. Тепло, потребное для нагревания жидко­сти до температуры кипения и на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду, целесообразно подводить не с острым паром, а с дымовыми газами или глухим паром. Кроме того, для предохране­ния жидкости от разложения и уменьшения расхода тепла часто произво­дят перегонку с водяным паром под вакуумом.

Общий расход тепла при перегонке с водяным паром больше, чем при іпростой перегонке, на количество тепла, которое уходит с паром.