Destillering

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 1 januari 2020; kontroller kräver 17 redigeringar .

Destillation ( lat.  stillare  - "dropp" av lat.  stilla  - "drop" och prefixet "de-", som betyder "borttagning" [1] ) - destillation, förångning av en vätska , följt av kylning och kondensation av ångor . Destillation betraktas främst som en teknisk process för separation och raffinering av flerkomponentämnen - i ett antal andra processer med fasomvandling och massöverföring: sublimering , kristallisation, vätskeextraktion och några andra. Man skiljer mellan destillation med kondensation av ånga till en vätska (i vilken det resulterande destillatet har en genomsnittlig sammansättning på grund av blandning) och destillation med kondensation av ånga till en fast fas (där en fördelning av koncentrationen av komponenter sker i kondensatet). Produkten från destillationen är ett destillat eller en rest (eller båda), beroende på destillatet och syftet med processen. Huvuddelarna av destillationsanordningen är en uppvärmd behållare (kub) för den destillerade vätskan, en kyld kondensor (kylskåp) och en uppvärmd ångledning som förbinder dem.

Historik

Den första informationen om destillation går tillbaka till 1:a århundradet och nämns i grekiska alkemisters verk i Alexandria (Egypten) [2] . På 1000-talet, i Avicenna , nämns destillation som en metod för att erhålla eteriska oljor . Sedan mitten av 1800-talet har rättelse utvecklats .

Applikation

Destillation används inom industrin och i laboratoriepraxis för separering och raffinering av komplexa ämnen: för att separera blandningar av organiska ämnen (till exempel separering av olja i bensin , fotogen , diesel , etc.; erhålla doftämnen i parfymer; rening av etyl alkohol ) och för att erhålla oorganiska ämnen med hög renhet (till exempel metaller : beryllium , bly , zink , magnesium , kadmium , kvicksilver ; och icke-metaller : svavel , selen , etc.).

Destillationsteori

I teorin om destillation övervägs i första hand separationen av blandningar av två ämnen [1] . Principen för destillation bygger på det faktum att koncentrationen av en viss komponent i en vätska skiljer sig från dess koncentration i ångan av denna vätska. Förhållandet = är ett kännetecken för processen och kallas separationsfaktorn (eller fördelningen) under destillation. (Separationsfaktorn under destillation kallas också för värdet ). Separationsfaktorn beror på beskaffenheten av komponenterna som ska separeras och destillationsbetingelserna. Beroende på destillationsförhållandena finns det idealiska (bestäms endast av partiella ångtryck av rena komponenter), jämvikt (när antalet partiklar som lämnar vätskan per tidsenhet är lika med antalet partiklar som återgår till vätskan samtidigt) och effektiva separationskoefficienter. I praktiken beror destillationen av ämnen starkt på intensiteten av blandningen av vätskan, såväl som på interaktionen av föroreningar med huvudkomponenten och med andra föroreningskomponenter för att bilda föreningar (i samband med vilken destillation anses vara en fysikalisk-kemisk process) . Den effektiva separationskoefficienten för blandningen "bassubstans - orenhet" kan skilja sig med flera storleksordningar från den ideala separationskoefficienten.

Destillationssätt kännetecknas av förångningstemperaturen och graden av avvikelse från vätske-ångfasjämvikten. Vanligtvis i destillationsprocessen , där  är antalet partiklar av ett ämne som passerar per tidsenhet från vätska till ånga,  antalet partiklar som återvänder samtidigt från ånga till vätska,  är antalet partiklar som passerar in i kondensat vid denna tidpunkt . Förhållandet är en indikator på processens avvikelse från jämvikt. Begränsande är de lägen i vilka (jämviktstillstånd för vätske-ånga-systemet) och (sätt för molekylär destillation).

Den ideala separationsfaktorn för ett tvåkomponentämne kan uttryckas i termer av tryck och rena komponenter vid processtemperaturen: . Med hänsyn till komponenternas aktivitetskoefficienter och , som återspeglar växelverkan mellan komponenterna i vätskan, separationsfaktorn . Aktivitetskoefficienter har temperatur- och koncentrationsberoende (se aktivitet (kemi) ). När temperaturen sjunker flyttas värdet på separationsfaktorn vanligtvis bort från enhet, det vill säga separationseffektiviteten ökar.

Vid passerar alla förångande partiklar in i kondensat (molekylär destillationsläge). I detta läge är separationsfaktorn , där och  är molekylvikterna för de första respektive andra komponenterna. Bestämningen av det molekylära destillationssättet är möjligt genom värdet , där  är avståndet från förångaren till kondensorn,  är den genomsnittliga fria vägen för molekylerna i det destillerade ämnet,  är en konstant beroende på apparatens utformning. Vid observeras molekylär avdunstning, vid etableras dynamisk jämvikt mellan vätska och ånga, och vid andra värden har avdunstning en mellankaraktär. Molekylär destillationssätt kan användas i olika destillationsprocesser, inklusive rektifiering . Typiskt utförs molekylär destillation i vakuum vid lågt ångtryck och med kondensationsytan nära förångningsytan (vilket förhindrar ångpartiklarna från att kollidera med varandra och med partiklar i atmosfären). Metaller destilleras i ett läge nära molekylär destillation. På grund av det faktum att separationsfaktorn vid molekylär destillation inte bara beror på komponenternas partialtryck utan också på deras molekylära (eller atomära) massor, kan molekylär destillation användas för att separera blandningar för vilka , är azeotropa blandningar , inklusive blandningar av isotoper .

I det allmänna fallet representeras den matematiska beskrivningen av destillation (och sublimering) som ett ekvationssystem som innehåller två parametrar: den effektiva separationsfaktorn β och Peclet-diffusionstalet Pe=w(T)X / ρD(T) , där w är avdunstningshastigheten för ett ämne från ytor; D är föroreningsdiffusionskoefficienten; X är storleksfaktorn för det förångade materialet (till exempel tjockleken på lagret av det förångade materialet); ρ är materiens densitet. På grund av ekvationernas komplexitet kan deras lösning endast hittas med numeriska metoder. I ett enkelt fall, när destillation utförs under förhållanden med intensiv blandning av den förångade vätskan (och kondensat), när Pe = 0 eller liten, hänför ekvationerna till innehållet av den andra komponenten i kondensatet och i återstoden med fraktionen av destillation eller med fraktionen av återstoden under givna processförhållanden och kända initiala vätskekoncentrationer ( , och  är massorna av kondensatet respektive återstoden, samt den initiala massan av det destillerade ämnet), har en enkel form med en parameter β.

Vid destillering av ett ämne med en hög koncentration av komponenter (med kondensering av ånga till en vätska), med ett litet beroende av komponenternas aktivitetskoefficienter på deras koncentrationer, förhållandet mellan värdena och , när procentuella koncentrationer används , har formen:

För destillation med kondensation av ånga till vätska vid låg föroreningshalt

=

var  är separationsfaktorn.

Ekvationer härleds också för fördelningen av komponenter i ett fast kondensat erhållet genom destillation med riktad stelning av kondensatet eller genom zondestillation.

Det noteras att destillationsekvationer inte bara beskriver processerna för distribution av komponenter i "vätske-ånga"-system, utan också i andra kontaktfaser (till exempel "flytande kristall-kristall", "flytande kristall-vätska", "gas- plasma"-övergångar, och även övergångar associerade med kvantmekaniska tillstånd - superfluid vätska , Bose-Einstein-kondensat ) - när lämpliga separationsfaktorer ersätts i dem.

Destillation med kondensation av ånga till vätska

Enkel destillation  är den partiella förångningen av en flytande blandning genom kontinuerlig borttagning och kondensation av de resulterande ångorna i ett kylskåp. Det resulterande kondensatet kallas destillat, och den oförångade vätskan kallas bottnar.

Fraktionerad destillation (eller fraktionerad destillation) är separationen av flerkomponents vätskeblandningar i delar, fraktioner, som skiljer sig i sammansättning, genom att samla kondensat i delar med olika flyktighet, med början från den första, berikad med en lågkokande komponent. Resten av vätskan berikas med en högkokande komponent. För att förbättra separationen av fraktioner används en återloppskylare .

Rektifikation  är en destillationsmetod där en del av det flytande kondensatet (slem) ständigt återvänder till kuben och rör sig mot ångan i kolonnen . Som ett resultat av detta passerar föroreningarna som finns i ångan delvis till slem och återgår till kuben, medan renheten hos ångan (och kondensatet) ökar.

Destillation med kondensation av ånga till den fasta fasen

Destillation med ångkondensation i en temperaturgradient  är en destillationsprocess där kondensation till en fast fas utförs på en yta med en temperaturgradient, med upprepad återförångning av ångpartiklar. Mindre flyktiga komponenter fälls ut vid högre temperaturer. Som ett resultat fördelas föroreningar längs temperaturgradienten i kondensatet och den renaste delen av kondensatet kan isoleras som en produkt. Separationen av ångkomponenter under återindunstning följer sina egna lagar. Så vid molekylär destillation uttrycks förhållandet mellan mängden av och avsatt i kondensorn av de första respektive andra komponenterna av likheten:

där och  är avdunstningshastigheterna för den första komponenten från smältan respektive från återförångningsytan, och  är desamma för den andra komponenten, och  är kondensationskoefficienterna för den första respektive andra komponenten,  är en koefficient beroende på förångningsytan och vinklarna för förångning och återförångning. Återindunstning ökar effektiviteten av reningen från svåra att ta bort lågflyktiga föroreningar med en faktor på 2–5, och från mycket flyktiga föroreningar med en storleksordning eller mer (jämfört med enkel destillation). Denna typ av destillation har funnits i industriell produktion av högrent beryllium.

Destillation med riktad stelning av kondensat (destillation med destillatdragning)  är en destillationsprocess i en långsträckt behållare med fullständig smältning av det destillerade ämnet och kondensation av ånga till en fast fas när kondensatet dras in i det kalla området. Processen är utformad teoretiskt.

I det resulterande kondensatet uppstår en ojämn fördelning av föroreningar och den renaste delen av kondensatet kan isoleras som en produkt. Processen är en destillationsanalog av normal riktad kristallisation. Föroreningsfördelningen i kondensatet beskrivs med ekvationen:

där  är föroreningskoncentrationen i destillatet på avstånd från början,  är kondensatets höjd när det destillerade materialet har avdunstat helt.

Zondestillation  är en destillationsprocess i en långsträckt behållare där smältningen av endast den övre delen av det raffinerade ämnet i vätskezonen rör sig nedåt, där ångan kondenseras till en fast fas när kondensatet kommer ut i det kalla området. Processen är utformad teoretiskt.

När zonvärmaren rör sig längs behållaren uppifrån och ned, bildas fast kondensat i behållaren med en ojämn fördelning av föroreningar, och den renaste delen av kondensatet kan isoleras som en produkt. Processen kan upprepas många gånger, för vilken kondensatet som erhölls i den föregående processen måste flyttas (utan att välta) till botten av behållaren i stället för att ämnet raffineras. Den ojämna fördelningen av föroreningar i kondensatet (det vill säga rengöringseffektiviteten) ökar med en ökning av antalet repetitioner av processen.

Zondestillation är en destillationsanalog av zonomkristallisation. Fördelningen av föroreningar i kondensatet beskrivs av de välkända ekvationerna för zonomkristallisation med ett givet antal zonpassager - när fördelningskoefficienten för kristallisation ersätts med separationskoefficienten för destillation. Så, efter en passage av zonen

där  är föroreningskoncentrationen i kondensatet på ett avstånd från början av kondensatet och  är längden på vätskezonen.

Extraktiv destillation (destillation med en tillsats) och andra speciella destillationstekniker

Effektiviteten av destillationsrening kan ökas genom att införa ytterligare en komponent i basföroreningssystemet (vanligtvis vid en koncentration av 0,5 ... 10%), vilket ändrar föroreningens relativa flyktighet. En variant av metoden är destillation i en atmosfär av den aktiva substansen, främst vattenånga.

Andra speciella tekniker för att öka effektiviteten av enkel destillation används också - såsom en varm kondensor, en kondensor med en temperaturgradient och skapandet av ett oxidskikt på ytan av den förångade vätskan.

Det noteras att effektiviteten av att använda speciella destillationstekniker beror på värdet av den ideala separationsfaktorn i det destillerade binära systemet: det är mindre i system för vilka den ideala separationsfaktorn är närmare enhet.

Se även

Anteckningar

  1. 1 2 Destillation / V. L. Pebalk // Stora sovjetiska encyklopedin  : [i 30 volymer]  / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.
  2. Forbes, Robert James. En kort historia om konsten att destillera: från början fram till Cellier Blumenthals död  . - BRILL, 1970. - ISBN 978-90-04-00617-1 .

Litteratur