колонны два продукта плюс отход, при условии, чтобы каждый из них практически не содернеал примеси двух других. Отсюда вытекает как следствие, что К. а. для непрерывной перегонки должен состоять из такого числа колонн без одной, какое число продуктов желают получить из первоначальной смеси. Схема К. а. для разделения д в у х-компонентной смеси показана на фиг. 5: А-резервуар с питающей жидкостью, подающий ее с постоянной скоростью; В-подогреватель для питающей жидкости, служащий одновременно дефлегматором для паров, покидающих колонну; С-рекуператор тепла, в котором подогретая в В нждкость доводится до кипения горячим отходом, покидающим колонну; D и Е-исчерпывающая и собственно ректификационная части колонны; между ними-питательная тарелка, на к-рую поступает из С кипящая питающ.ая смесь; G-окончательный конденсатор; Н-

Фиг. 5.

с спирт

Фиг. 6.

приемник. Схема аппарата для разделения смеси из трех кодшонентов (напр. воды, спирта и эфира) представлена на фиг. 6: А- питательный резервуар, из к-рого жидкость через дефлегматор В и рекуператор С направляется на питательную тарелку колонны D-Е. Нагревание этой колонны регулируется т. о., чтобы из смеси отгонялись легко летучие продукты (спирт И эфир) и в отходе была чистая вода, к-рая и выпускается через рекуператор С наружу. На тарелках ректификационной колонны Е вода задерживается полностью, и спиртоэфирные пары поступают в дефлегматоры В и G. Часть смеси из В и G возвращается обратно в колонну Е, а остальная часть направляется в колонну J, обогреваемую глухим паром. Колонна J функционирует так же, как было описано в предыдущем примере. В результате внизу колонны собирается чистый спирт, стекающий в приемник L, а из дефлегматора К получаются пары чистого эфира, направляемые через холодильник в приемник (последние на фиг. 6 не показаны).

К. а. по устройству главной своей части-колонны-весьма разнообразны. Различают следующие главнейщие типы колонн: колонны с насадками, колонны с перфорированными перегородками и колонны с ко.тпач-ками. Колонггыдругих типов менее распространены.

В колоннах с насадками вертикальный цилиндрич. корпус их заполняется каким-ндбудь материалом, обеспечиваюнщм большую поверхность соприкосновения. В

качестве такого материала могут служить фарфоровые шары, стеклянные бусы, стеклянные или керамич. кольца, отрезки металлич. труб и пр. Обязательным условием

Фиг. 7а.

Фиг. 76.

Фиг. 7в.

Фиг. 7г.

является химич. инертность этих материалов по отношению к перегоняемой смеси. Иногда телам, слулеащим для заполнения колонны, придают особую, наиболее выгодную форму; таковы наприм. кольца Рашига (обрезки ме-тал.тич. труб или керамиковые кольца) и аналогичные им кольца Лессинга (фиг. 7а), Гудвина (Goodwin) (фиг. 76), Прима (Pry ш) (фиг. 7в) и другие. Стандартные размеры колец Рашига (фиг. 7г) таковы:

Внешний диаметр...........1

Внутренний диаметр........../4

Высота.................. 1

Число колец на 1 фт. ........1 350

Свободный объем в %.........73

Поверхность контакта на 1 фт. . . . 58 фт. Вес 1 фт. ..............40 анг. фн.

Колонны С насадками с успехом применяются в случаях, когда разделение л-сидкостей идет сравнительно легко; преимущество их- простота и дешевизна устройства.

У колонн с перфорированными перегородками корпус разделяется на отдельные камеры горизонтальными тарелками, состоящими из сеток или перфорированных тонких листов (фиг. 8а и 86). Жидкость на тарелках поддерживается паром, мешающим ей стекать через мел1ше отверстия; для перетока жидкости с тарелки на тарелку служат особые переточные трубки; нижние концы этих трубок погружены в стаканчики, лежащие ниже тарелок, чем создается гидравлический затвор. Для нормальной работы таких колонн необходимо под-дерлгивать постоянную скорость пара; в трудности установить такой рел-сим-их главный недостаток. Преимущество данного типа колонн состоит в том, что жидкость но окончании перегонки стекает сама собою, и перед началом новой операции не приходится ее удалять.

Колонны с колпачка м и наиболее распространены, в особенности при перегонке трудно разделяемых смесей. Конструкцию такой КО.ЯОННЫ см. Вгшокпрение, фиг. 7а. Каждая тарелка снаблеена нек-рым числом трубок для пропуска паров. Поднимаясь

Фиг. 8а.

Фиг. 86.

вверх, пары проходят через эти трубки, но при выходе из них ударяются в опрокинутые колпачки, снабженные по пиленому краю зубцами или отверстиями (фиг. 9); при этом пар разбивается на весьма мелкие струйки и полнее промывается жидкостью. Глубина С.ЯОЯ жидкости на тарелках регулируется

Фиг. 9.

сливными трубка,ми; нижняя часть последних погружена в сяой жрщкости и образует гидравлич. затвор. Сливные трубки на соседних тарелках располагаются диаметрально противоположно, с целью возможно дольше удерлсать жидкость на тарелке в контакте с паром. С той же целью применяют иногда тарелки особого устройства, как наприм. тарелки Эрго (Ergot), в которых жидкость проходит длинный путь по концентрическим окружностям (фиг. 10).

Расчет ректификационной колонны с тарелками по Мерфри (Е. Murphгее). Приводимый ниже расчет относится к случаю смеси из двух компонентов, но способ этот легко обобшается и для случая более сложной смеси. Колонна (фиг. 11) предполагается изотермической; такое предположение будет законным, если число молей конденсирующегося пара незначительно по сравнению с общим числом молей пара. В этом случае можно взять сред-HPie количества жидкости и пара и среднюю t для всей колонны. Молекулярные теплоты испарения жидкостей можно считать одинаковыми; число молей пара, идущего вверх по колонне, число молей флегмы над питающей тарелкой, а также молей флегмы под нею принимаются за постоянные. Расчет ведется на 1 моль продукта.

Обозначения: О-число молей флегмы над питающей тарелкой, считая на 1 моль продукта; V= 0+1-число молей пара на 1 моль продукта; F-число молей перегоняем, жидкости на 1 моль продукта; О = 0 -\- F-чис.чо молей флегмы на 1 моль продукта под питающей тарелкой; W = 0 - V-число молей отгона на 1 моль продукта; х -молярная доля * компонента А в жидкости на п-й та-

Фиг. 10.

** Молярной долей какого-либо компонента называется молярный % этого компонента, разделенный на 100. Так. обр. в случае смеси из трех компонентов Л, в к с молярная доля компонента а равна

z \ /Z. z.

а/ \а в с, где , Zj и Zq-весовые % компонентов а, в и С в смеси, а М, М, Mq-мол. в. этих компонентов.

в С

М гу М

Продукт-

iMOJIb

Отходу

релке; -то же в паре над те-й тарелкой; Xq-то же в продукте; xw-то же в отгоне; yZ-то же в паре, находящемся в равновесии с жидкостью нап-йтарелке; М-константа, определяемая из опыта при испытании колонны.

Известно, что меладу концентрациями жидкости и пара, находящихся в равновесии, существует строго определенное соотношение. Если это соотнонтение не соблюдается, то в системе возникает про- жидкость цесс, стремящийся возвратить ее в состояние равновесия. Скорость такого процесса будет пропорциональна разности между парциа.71ь-ным давлением одного из комнонентов, соответствующим состоянию равновесия, и тем давлением, которое имеется в данный момент. Основываясь на этом, Мерфри дает следующее уравнение:

Уп = у1-М(у1-Уп-г), (1)

к-рое и пололсено им в основу расчета. Обращаясь к фиг. 11, составляем для обведенной пунктиром части колонны над питающей тарелкой ур-ие баланса:

Уп==-V (2)

Подобным же образом для обведенной пунктиром части под тарелкой находим:

у .- Г-. (3)

Аналогичные уравнения можно составить и для у. 1 и у 1; подстановкой найденных для Уп-1 и У, -1 значений в ур-ие (1) получим два новых уравнения:

Фиг. 11.

у , = (1 - М) yl + f (ж 0 -Ь х)

у = (1 - Ж) у:,+ f (хО ~XwW). (5)

Решая совместно ,ур-ия (2) и (4), находим:

(1 - М) = ? - MxJ + - хс .

Чем ближе будут значения х и cc , тем медленнее, при прочих равных условиях, идет ректификация; приж +1 = ж она прекращается. Для того чтобы ректификация имела место, необходимо, чтобы было соблюдено условие:

(1-М)<>(1-М)ж,+ Ц,Хс.

Замечая, что F = О + 1, из написанного выше неравенства получаем новое:

Уп ~ Хц

К-рое имеет место для всякой тарелки, лежащей выше питающей, если над нейтдет рек-

тификация. Количество

Xq - Уп

Уп - Хп

есть теорети-

ческий минимум числа молей флегмы, приходящегося на 1 моль продукта для некоторого значения ж .

Ур-ия (2), (3) и (4) дают значения у над любой тарелкой как ф-ии значений х на той же или соседней нилсней тарелке. Эти ур-ия могут служить основанием для графического метода расчета ректификащгонных колонн. Ур-ия (2) и (3), связывающие у их, суть линейные уравнения и потому м. б. изображены прямыми линиями. Значение х д.тя какой-либо тарелки, лежащей над питающей, соответствующее некоторому значению?/ на ниже лежащей тарелке, долншо находиться на прямой, изображающей ур-ие (2). Таким же образом линия, выражаемая ур-ием (3), прилагается к питающей тарелке или к какой-либо лежащей под нею. Ур-ия (4) и (5) изображаются в общем стучае некоторыми кривыми. Для всякой тарелки, лелсащей над питающей тарелкой, значение у, соответствующее значению х для той же тарелки, должно находиться на кривой, представляющей ур-ие(4).Подобные же заключения приложи-мы к уравнению (5) для питающей тарелки или для какой-либо тарелки, лежащей ндаке питающей.

Поясним изложенный метод расчета следующим типичньм примером. Положим, требуется сделать расчет колонны, питаемой

й7 i 06

I as

§ аз I

I 02 QI

о QI 02 03 05 0.6 07 03 09 W

Полярная доля /компонента А в жидкости

Фиг. 12.

аеидкостью, содержащей 20 молярных % компонента А (более летучего), причем получаемый продукт должен содержать 95 молярных %А,а отход-не более 1%А. Значение константы М, найденное эмпирически на основании предварительных опытов ректификации такой бинарной смеси, оказалось равным 0,4. Число молей флегмы на 1 моль продукта принимаем равным 4. Кривая равновесия для данной смеси изображена на фиг. 12 (кривая 1).

Рейхе ние. Базис расчета-1 моль продукта. Число молей питающей жидкости находим из ур-ия материального баланса:

Хр = x+xW, или 0,20F= 0,95 + 0,01(4+-5), F=4,95 молей.

Значения важнейщих следующие:

=0,95,

расчетных величин

=0,20,

0=4, V = 4 + l = 5,

F = 4,95, = 8,95 - 5 = 3,95.

= 0,01, О=4 + 4,95 = 8,95,

Подставляя эти значения в ур-ия (2), (3), (4) и (5), получаем соответственно:

у =0,80х,1+1 + 0,19, (7)

у г = 1,79x+1-0,008, (8)

Уп = 0,60!/,* + 0,32х,1 + 0,076, (9)

Ут = 0,60у*1+0,716х, - 0,003. (10)

Кривые, изображающие эти ур-ия, на фиг. 12 обозначены 2, 3, 4 п 5 (кривые 2 и 4-над питающей тарелкой, 3 и 5-под питающей таре.ткой). Необходимо заметить, что кривые 2 и 3, а также 4 и 5 пересекаются при значении X, соответствующем Хр. Линия 6 изображает ур-ие: у=х. Следует также иметь в виду, что если питающая жидкость подводится на тарелку, на к-рой состав конденсата близок к составу питающей жидкости, то для данного разделения число необходимых тарелок будет

§2

О ш аг 03 04 as ае а? а? аз w

Молярная боля компонента А в жидкости

Фиг. 13.

минимальным. Значение у надверхней тарелкой колонны равно 0,95. Значение у под нижней тарелкой такое, какое соответствует равновесию со значением ж =0,01. Это значение как видно из кривой равновесия на фиг. 12, равно 0,026. Значение X на верхней

тарелке, соответствующее значению ?/=0,95 над тарелкой, дается уравнением (9) (кривая 4). Значение у под этой тарелкой дается уравнением (7) и соответствует значению ж на верхней тарелке (кривая 2); оно лежит на вертикали, которая проведена из точки г/=0,95 (на кривой 4) вниз ккривой5. Значение х на второй тарелке, соответствующее этому значению у, лежит на горизонтали, проведенной от кривой 2 к кривой 4. Т.о. находим значение х ка второй тарелке. Такой процесс построения продолжают до тех пор, пока не дойдут до питающей тарелки, на к-рой значение х ближе всего подходит к 0,20.С этого момента оставляют кривые 2 Vi 4 и, пользуясь кривыми 5 и 5, продол-леают построения J пока не достигнут значения у, равного 0,026. Число проведенных вертикальных отрезков и будет равно числу необходимых для ректификации тарелок.

Графич. метод расчета дает весьма ясную картину процесса, но на практике в тех случаях, когда на чертеже отдельные ступени лежат весьма близко, удобнее пользоваться вычислением по ур-иям. Графич. способ удобен в применении к бинарным смесям, аналитический же молено применять и к смесям из нескольких компонентов. Минимальное количество флегмы над питающей тарелкой, выраженное в ф-ии х, дано на фиг. 13. Все излолеенное выше относится к случаю, когда колонна обогревается при помощи змеевика или голым огнем; с небольшими изменениями