Молекулярная дистилляция
Выше была рассмотрена пленочная ректификация под вакуумом, с помощью которой разделяют неустойчивые органические соединения. Однако температура кипения многих высокомолекулярных веществ (с молекулярным весом ³ 300) даже при значительном вакууме остается слишком высокой для того, чтобы их можно было разделить, не опасаясь разложения. Кроме того, для ряда смесей необходимо свести к минимуму продолжительность разделения.
Такие смеси разделяют, создавая весьма высокий вакуум над поверхностью жидкости, соответствующий остаточному давлению 10-3- 10-4 мм рт. ст. В условиях высокого вакуума с уменьшением плотности газа возрастает длина свободного пробега молекул и при достаточно малом остаточном давлении она может стать больше расстояния между поверхностями испарения и конденсации. При этом большая часть молекул, отрывающихся с поверхности испарения, попадает на поверхность конденсации и не возвращается с этой поверхности. Процесс осуществляется при наличии близкорасположенных поверхностей испарения и конденсации.
Процесс молекулярной дистилляции протекает путем испарения жидкости с ее поверхности при отсутствии кипения. Поэтому, в отличие от ректификации, молекулярная дистилляция не характеризуется некоторыми постоянными температурой и давлением.
При молекулярной дистилляции молекулы пара удаляются с поверхности испарения сразу же после их образования, и равновесие между паром и жидкостью не успевает установиться. Поэтому разделяющий эффект молекулярной дистилляции определяется не отношением давлений насыщенного пара компонентов, смеси, или относительной летучестью, а отношением скоростей испарения компонентов смеси, или коэффициентом разделения aм.
Скорость испарения q1 любого компонента идеального раствора пропорциональна его мольной доле х, в жидкости. Согласно молекулярно-кинетической теории газов,
(XV.4)
где Рi — давление насыщенного пара чистого компонента при температуре кипения смеси; Mi — молекулярный вес компонента; Т — абсолютная температура.
Следовательно, для бинарной смеси компонентов 1 и 2 можно записать:
(XV,5)
Из этого выражения следует, что степень разделения при молекулярной дистилляции больше, чем при равновесной в раз.
Процесс молекулярной дистилляции складывается из диффузии молекул преимущественно НК из глубины слоя (пленки) жидкости к поверхности испарения, перемещения молекул пара на поверхность конденсации и их конденсации на этой поверхности. В условиях обычной дистилляции жидкость интенсивно перемешивается при кипении с поднимающимися пузырями, и концентрации компонентов выравниваются в объеме жидкости. При молекулярной дистилляции скорость испарения компонента пропорциональна его концентрации в жидкости (при прочих равных условиях). Поэтому уменьшение концентрации компонента в жидкости приводит к уменьшению скорости его испарения и ухудшению разделения. Таким образом, эффективность процесса зависит от соотношения скоростей диффузии (в жидкой фазе) испарения компонента. Обычно диффузия компонента в жидкости является более медленным процессом, и молекулярную дистилляцию надо проводить в условиях, способствующих ускорению этой лимитирующей стадии.
|
|
Как известно, скорость диффузии в жидкости может быть увеличена при возрастании скорости движения и турбулизации слоя жидкости, а также при уменьшении его толщины. Эти условия создают в аппаратах для молекулярной дистилляции.
Для оценки степени разделения при молекулярной дистилляции пользуются понятием о теоретической молекулярной тарелке (ТМТ), соответствующей степени разделения, при которой соотношение мольных концентраций компонентов в дистилляте равно отношению скоростей испарения компонентов при полном перемешивании слоя дистиллируемой жидкости. В производственных условиях при однократном испарении степень разделения колеблется от 0.3 до 0.95 ТМТ. В установке для молекулярной дистилляции (рис. ХV-15) в начале процесса требуется удалить из исходной смеси растворенные в ней газы и быстро откачать их из аппарата. Исходная смесь из хранилища 1 поступает в многоступенчатый дегазатор 2, где при нагреве до 70-100 °С происходит выделение из нее газов. Газы откачиваются форвакуум-насосами 5 (из первых ступеней) и спаренными с ними диффузионно-конденсационными насосами 4 (из последних ступеней). После этого смесь поступает либо непосредственно, либо через подогреватель в дистилляционный аппарат 5, из которого газы и пары откачиваются спаренными насосами 3 и 4. Дистиллят и остаток направляются в отдельные сборники 6. Между аппаратом и насосами иногда устанавливают ловушки 7, охлаждаемые хладоагентом, чтобы предотвратить попадание в насосы паров воды и органических жидкостей.
Для молекулярной дистилляции применяются пленочные аппараты различных конструкций.
На рис. ХV-16 показан промышленный одноступенчатый центробежный аппарат (с поднимающейся пленкой) для молекулярной дистилляции. В корпусе 1 вращается алюминиевый ротор-испаритель 2 конической формы, обогреваемый снаружи электрическим нагревателем 3. Скорость вращения ротора около 400 мин-1. Внутри ротора находится охлаждаемый изнутри горячей водой конденсатор 5, изготовленный в виде расположенных веерообразно плоских полых элементов. Расстояние между внутренней поверхностью ротора 2 и поверхностью конденсатора 5 составляет 20-30 мм.
Жидкость, обычно представляющая собой многокомпонентную смесь, по трубе 4 поступает на дно ротора. Под действием центробежной силы эта жидкость в виде тонкой пленки турбулентно поднимается вверх по нагретой поверхности ротора и испаряется по мере подъема. Пары менее летучих компонентов конденсируются на поверхности конденсатора 5, а пары более летучих — на поверхности конденсатора-змеевика б, охлаждаемого холодной водой. Жидкость стекает в поддоны 7, установленные под конденсаторами, а из них — в кольцевые желоба 8, откуда по трубкам удаляются раздельно две фракции дистиллята. Остаток переливается через верхний край ротора в желоб 9 и отводится из аппарата.
Молекулярная дистилляция является относительно дорогим способом разделения. Ее применяют в производствах некоторых пластмасс, витаминов, масел и смазок, жирных кислот, эфиров и др.
Дата добавления: 2016-10-18; просмотров: 4563;