Глава IX. Основы расчета лабораторных колонок и процессов ректификации

В практике лабораторной работы весьма редко приходится производить точный расчет ректификационных колонок или условий разгонки. Обычно в лабораториях одна и та же колонка служит для перегонки разнообразных веществ, и оптимальный режим лучше всего определять в каждом отдельном случае экспериментально. Однако в процессе работы часто возникают вопросы, приближенное решение которых вызывает необходимость оценить возможность имеющегося прибора или выяснить, какая колонка нужна для разгонки данной смеси. Все необходимые теоретические предпосылки к такого рода расчетам даны выше в гл. I и II.

Львов⁸¹ при наличии многокомпонентной смеси предложил рассматривать ректификацию "определяющей пары" компонентов, т. е. той пары, которую труднее всего разделить. Таким образом, расчет колонки и процесса для многокомпонентной смеси сводится к расчету разделения двойной смеси. Такое допущение, т. е. предположение, что остальные компоненты не влияют на положение "определяющей пары", является, повидимому, ошибочным. Все же для ориентировочных расчетов в лаборатории, когда свойства разделяемых смесей к тому же часто неизвестны, этим способом можно воспользоваться.

В первом приближении определяющую пару находят по минимальному значению относительной летучести α или, что еще более приближенно, по минимальному значению разности температур кипения Δt. Трудность разделения пары зависит, однако, помимо величин α и Δt, также и от концентрации компонентов в смеси.

Критерием "определяющей пары", по Львову, является наибольшее значение минимального числа теоретических тарелок N_мин. и минимального флегмового числа F_мин.

При всякого рода расчетах, связанных с ректификацией, следует учитывать, что возможность применения ректификации как одного из физических методов разделения веществ имеет свои пределы. Необходимо помнить, что многие жидкости, даже сравнительно близкие по своим химическим свойствам, как, например, ароматические, полиметиленовые и алифатические углеводороды, часто образуют азеотропные смеси, которые принципиально не могут быть разделены обычной перегонкой, или такие смеси, которые, хотя и разделимы, но требуют для этого колонок, обладающих бесконечно большой эффективностью. Такие смеси иногда с успехом могут быть разделены перегонкой в вакууме, под давлением или азеотропной и экстрактивной перегонкой (см. гл. VI и VII).

Чем сильнее различие в химических свойствах компонентов и в их функциональных группах и чем ближе их температуры кипения, тем скорее следует ожидать всевозможных отклонений от законов идеальных растворов и опасаться возможности образования азеотропных смесей. Однако при ориентировочных расчетах по ректификации можно принять азеотропную смесь за новый добавочный компонент раствора и проводить дальнейшие расчеты обычным способом.

Чтобы ответить на возникающие при ректификации вопросы, необходимо прежде всего найти "определяющую пару" смеси. Для этого желательно знать возможные компоненты смеси и хотя бы ориентировочные их количественные соотношения. Зная составные части интересующей нас смеси, прежде всего необходимо выяснить, можно ли ожидать образования азеотропных смесей; для этого следует внимательно просмотреть соответствующую таблицу (см. приложение II). При отсутствии искомых соединений в данной таблице или в аналогичных таблицах 12, 14, 20, 24, 25 надо постараться все же оценить возможность образования азеотропных смесей на примерах гомологов или других соединений с аналогичными функциональными группами. Если какие-либо компоненты образуют азеотропные смеси, желательно выяснить температуру кипения и состав азеотропных смесей и принять их при расчетах как новые добавочные компоненты в исходной смеси. Выяснив состав смеси, распределяют компоненты в порядке возрастания их температур кипения и определяют по формулам (13) или (14) и (20) или по номограммам (рис. 78 и 79, см. приложение I) величину относительной летучести и минимальное флегмовое число для всех следующих друг за другом по температурной шкале пар, как показано в табл. 14, содержащей исходные цифры для дальнейших расчетов.

При необходимости значение а может быть вычислено более точно по экспериментальным данным (см. гл. I).

Чтобы выяснить, какой эффективности требуется колонка, можно принять, что величина фактора фракционирования Е должна лежать в пределах 800 - 1000. Это справедливо для требований, предъявляемых к большей части лабораторных раз- гонок. Необходимое для перегонки число теоретических тарелок можно вычислить более точно или по уравнениям (17) и (22) или по номограммам (рис. 79 и 80, см. приложение I). При этом флегмовое число F принимают равным минимальному числу теоретических тарелок N_мин. Зная ВЭТТ соответствующего типа насадки, можно (весьма ориентировочно) определить потребную высоту колонки.

Таблица 14. Исходные цифры для расчета процесса ректификации смеси

При рассмотрении работы идеальной колонки создается впечатление, что на колонке любого размера можно перегнать какое угодно количество жидкости. Однако в действительности это далеко не так. На стр. 38 уже отмечалось влияние задержки на точность ректификации; при этом было показано, что на колонках с большой величиной задержки не имеет смысла перегонять смеси, в которых объем подлежащего выделению компонента невелик. Из этого следует, что на колонках с большой задержкой, которая свойственна большим колонкам, не имеет смысла перегонять малые объемы жидкости. С другой стороны, маленькие и, особенно, узкие колонки практически не пригодны для перегонки больших объемов жидкости, так как для этого потребовался бы слишком длительный промежуток времени. Кроме того, в этих случаях становится трудным поддерживать нужную скорость испарения; колонка часто "выходит из режима", захлебывается и т. п. Практически каждой колонке свойственны определенные пределы объемов жидкости, которые целесообразно на ней разгонять.

Таблица 15. Примерное соотношение объемов перегоняемой жидкости и насадки колонки

Для перегонки желательно брать такую колонку, у которой задержка составляет менее 10% от объема перегоняемой жидкости. Однако при работе с колонками с насыпной насадкой, у которых задержка велика, очень часто приходится отступать от этого положения: чтобы задержка колонки не превышала 10%, приходится брать малый объем насадки, а это или уменьшает эффективность колонки, если насадка расположена коротким слоем в широкой трубке, или уменьшает пропускную способность, если насадка расположена длинным слоем в узкой трубке.

В табл. 15 приведены примерные соотношения объема перегоняемой жидкости и объема насыпной насадки; эти величины могут служить отправными точками при конструировании лабораторных колонок с насыпными насадками.

Следует помнить, что производительность колонки, т. е. максимальная скорость отбора дестиллата требуемого состава, зависит не только от ее пропускной способности, но и от флегмового числа. Пропускная способность колонки растет с увеличением как ее диаметра, так и размеров элемента насадки. Однако последнее сопровождается уменьшением эффективности колонки.