книги из ГПНТБ / Стабников В.Н. Перегонка и ректификация спирта

ницы данного компонента из раствора, концентрация которого остается постоянной за все время испарения.

2.Интегральная теплота испарения — количество тепла, ко­ торое требуется для испарения весовой единицы раствора дан­ ной концентрации.

3.Общая дифференциальная теплота испарения раствора —

количество тепла, которое необходимо затратить для получе­ ния весовой единицы пара требуемого состава 'из раствора, рав­ новесного с этим паром. При этом количество раствора должно быть столь велико, что изменение его состава может не при­ ниматься во внимание.

В непрерывно действующих аппаратах мы всегда имеем де­ ло с парами, образующимися из жидкой фазы постоянного со­ става. Поэтому для непрерывных процессов следует опреде­ лять общую дифференциальную теплоту испарения раствора.

Сложнее обстоит дело при проведении периодических про­ цессов. Например, при испарении водно-спиртового раствора в кубе ректификационного аппарата периодического действия про­ исходит непрерывное изменение крепости паров и кипящей жид­ кости. Однако первоначальный раствор никогда не испаряется полностью: всегда остается остаток той или иной крепости. Та­ ким образом, и в этом случае нужно определять дифференци­ альную теплоту испарения, величина которой непрерывно из­ меняется в соответствии с изменением состава паров.

Теплоту испарения водно-спиртовых смесей находят расчет­ ным путем, исходя из теплот испарения чистых компонентов.

Хаусбрандт [23], пользуясь данными Тирера, показал, что для веществ, не взаимодействующих друг с другом, рассчитан­ ные и экспериментальные значения теплот испарения совпа­ дают.

Однако спирт и вода не являются веществами индифферент­ ными друг другу. Поэтому, вероятно, что полученные без учета их взаимодействия данные не вполне точны.

Подсчет теплот испарения ведется по формуле:

где: гс — теплота испарения смеси; а — весовая доля спирта; га — теплота испарения спирта; b — весовая доля воды;

гь — теплота испарения воды.

Хаусбрандт [23] для нормального давления принимал га рав­ ной 205 ккал/кг, гь = 544 ккал/кг. Те же значения принимал Ки­ ров [1 2 ].

,В расчетах, произведенных Гипроспиртом (1946 г.), принято

г0= 210, гъ= 540.

При подсчетах по формуле (15) допускают, что теплота ис­ парения как спирта, так и воды не изменяется с изменением температуры,' что неверно.

Мы полагаем, что при расчетах теплоты испарения смеси сле­ дует учитывать влияние температуры, так как пренебрежение этим влиянием искажает результаты.

Остановимся также на вопросе о влиянии теплоты разбавле­ ния. .Вревский [24] показал, что теплота испарения бинарной смеси двух летучих компонентов должна определяться по урав­ нению:

с о с т о я н и е н е о б х о д и м о за т р а т и т ь эн е р г и ю н а в ы д ел е н и е и з р а с -

Объяснением тому, что теплота разбавления обычно не учи­ тывается, является незначительность этой величины. По-видимо­ му, она не превосходит в самом неблагоприятном случае 1 — 2% от величины теплоты испарения. Кроме того, данные о теплотах разведения имеются только для сравнительно низких температур.

Поэтому мы пока воздерживаемся от введения поправки на теплоту разведения и будем подсчитывать теплоту испарения водно-спиртовой смеси по уравнению (15) с учетом влияния температуры. Для определения теплоты испарения по этой фор­ муле необходимо иметь значения теплот испарения воды и без­ водного спирта.

В табл. 18 (стр. 73—74) приведены значения температур ки­ пения, теплоты испарения и полного теплосодержания пара водно-спиртовых смесей при различных давлениях.

Температуры кипения для давлений больших, чем 1 ата, взя­ ты по данным Грумбта [8 ], для давлений, меньших, чем 1 ата — по данным Биби и Коультера [26], для нормального давления — по данным Сореля [23]. Они несколько отличаются от приведен­ ных в табл. 17, взятых по данным Бергштрема [23].

Все данные для воды взяты по Вукаловичу [27].

Теплоты испарения водно-спиртовых смесей найдены по урав­

Как сказано ранее, при определении гс по уравнению (15) значения га и гь взяты при температуре конденсации пара дан­ ного состава, т. е. при t (см. табл. 18).

Рекомендуемые значения не могут претендовать на большую точность, поэтому величины теплот испарения и теплосодержа­ ния пара округлены до целых чисел. Значения теплосодержа­ ния жидкости i' взяты с первым десятичным знаком.

Число Прандтля для водно-спиртовых растворов

Число Прандтля является одной из основных величин, не­ обходимых при тепловых расчетах. Как известно,

где: v — кинематическая вязкость в м2/ч\

а— температуропроводность в м2/ч\

р— вязкость в кг • ч]м2\

g — ускорение силы тяжести в м/ч2, равное 9,81 • 36002; с — теплоемкость в ккал/кг • град\ %— теплопроводность в ккал/м • ч • град.

Число Прандтля определяется величиной констант, завися­ щих только от физико-химических характеристик вещества, и может быть определено, если они известны. Поэтому может быть

творов, Ученые записки Императорского Московского университета, ^выпуск

Г Л А В А III

ТЕОРИЯ ПЕРЕГОНКИ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ

В “спиртовом производстве перегонке и ректификации под­ вергается сложная смесь многих летучих компонентов: этилово- ю спирта, воды, высших спиртов, органических кислот, эфиров, альдегидов и других органических соединений.

Основные компоненты этой сложной смеси — этиловый спирт и вода. Рассмотрение процесса перегонки этой бинарной сме­ си лежит в основе современной теории перегонки и ректифика­ ции спирта.

Теория перегонки бинарных смесей разработана весьма осно­ вательно трудами многочисленных авторов и позволяет провести глубокий анализ процесса. Поэтому мы в. настоящей главе из­ лагаем теорию перегонки бинарных смесей.

§1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

Рассмотрим сначала вопрос о механизме процесса массопередачи' на поверхности межфазного контакта ректификацион­ ного аппарата. Основной задачей при этом поставим опреде­ ление движущей силы процесса. По этому поводу на отдель­ ных этапах развития учения о ректификации высказывались различные взгляды, которые, однако, можно разбить на 3 груп­ пы: 1 ) конденсационная теория ректификации; 2 ) диффузион­ ная теория ректификации; 3) конденсационно-диффузионная теория ректификации.

Согласно первой теории [1], процесс укрепления паров про­ исходит следующим образом. Пар, приходящий в контакт с флегмой, конденсируется, так как между температурой пара и жидкости существует некоторая разница, которая и является движущей силой процесса. При конденсации происходит обо­ гащение жидкой фазы нижекипящим компонентом. За счет вы­ деляющегося тепла конденсации происходит испарение жидко­ сти на тарелке. Выделяющийся пар будет содержать уже боль­ ший процент, нижекипящего компонента, чем тот пар, который первоначально сконденсировался. Так как молевые теплоты ис­ парения для многих перегоняемых бинарных смесей близки( в том числе и для этилового спирта и воды), то количество мо­ лей выделяющегося пара равно количеству молей сконденсиро­ вавшегося пара. Таким образом, количество молей пара и жид-

78 Теория перегонки бинарных смесей

кости в колонне по всему сечению ее остается постоянным или, что более верно, почти постоянным.

Таким образом, с этой точки зрения движущей силой про­

массопередачи. Чтобы наглядно представить процессы тепло- и массообмена между фазами с точки зрения пленочной теории, рассмотрим рис. 39. На этом рисунке изображена граница раз­ дела между паровой и жидкой фазами. По обе стороны этой границы соприкасающиеся фазы покрыты пленками, в которых происходит ламинарное течение. Компоненты, которыми обме­ ниваются фазы, диффундируют через эти пленки к границе. На

ровую. На границе двух фаз тепловые процессы — конденсация к кипение — происходят за счет разности между температурами пара и жидкости.

Таким образом, с изложенной точки зрения движущая сила процесса массообмена при ректификации может быть выражена как через разность между температурами пара и жидкости,'так

пленках,на границе соприкасающихся фаз. Гипотеза погранич­ ных пленок в настоящее время считается маловероятной в слу­ чае свободной турбулентности, которая имеет место в ректи­ фикационных аппаратах. Однако представление о пограничных пленках является удобной моделью для рассмотрения процес­ са на границе раздела фаз.

Теперь рассмотрим положение о постоянстве молекулярных потоков пара и флегмы в колонне, которое, как будет показано далее, лежит в основе расчета колонн. Выше было изложено объяснение, которое дается этому положению с точки зрения конденсационной теории. Оно объясняется равенством молеку­

зрения диффузионно-конденсационной теории.

Может быть показано, что это, основное для многих совре­ менных методов расчета, положение сохраняется и при приня­ тии диффузионной теории.

Ход рассуждений при этом может быть следующим: пред­ положим, что мы имеем в парах, пришедших на тарелку (если речь «дет о тарелочных аппаратах), /П] молей первого компо­ нента с парциальным давлением р\ и т2 молей второго компо­ нента с парциальным давлением р2.

Предположим теперь, что часть первого компонента продиффундировала в жидкость. Пусть эта часть составляет половину

от молевого количества первого компонента, т. е. ^ - . Решим

вопрос, какое количество второго компонента перейдет из жид­ кой фазы в паровую.

В качестве исходного пункта возьмем то положение, что об­ щее давление P = P i+ p 2 на тарелке остается неизменным.