Дистилляция

Лабораторный индикатор дистилляции: 1: источник тепла 2: колба с круглым дном 3: успокоительная головка 4: термометр / температура точки кипения 5: конденсатор 6: охлаждающая вода на входе 7: охлаждающая вода на выходе 8: дистиллят / приемная колба 9: вакуум / газ вход 10: Приемник дистиллятора 11: Контроль нагрева 12: Регулировка скорости мешалки 13: Мешалка / нагревательная пластина 14: Нагревательная (масляная / песочная) баня 15: Механизм перемешивания (не показан), например, кипячение стружки или механическая мешалка16: Охлаждающая ванна. ^[1]

Дистилляция , или классическая перегонка, - это процесс отделения компонентов или веществ от жидкой смеси с использованием избирательного кипячения и конденсации . Сухая перегонка - это нагрев твердых материалов с образованием газообразных продуктов (которые могут конденсироваться в жидкости или твердые вещества). Сухая перегонка может включать химические изменения, такие как деструктивная перегонка или крекинг.и не обсуждается в этой статье. Дистилляция может привести к практически полному разделению (почти чистые компоненты), или это может быть частичное разделение, которое увеличивает концентрацию выбранных компонентов в смеси. В любом случае в процессе используются различия в относительной летучести компонентов смеси. В промышленных применениях дистилляция - это единичная операция, имеющая практически универсальное значение, но это процесс физического разделения, а не химическая реакция .

Дистилляция имеет множество применений. Например:

• При перегонке ферментированных продуктов производятся дистиллированные напитки с высоким содержанием алкоголя или отделяются другие продукты ферментации, имеющие коммерческую ценность.
• Дистилляция - это эффективный и традиционный метод опреснения .
• В нефтяной промышленности стабилизация нефти - это форма частичной дистилляции, которая снижает давление паров сырой нефти, тем самым делая ее безопасной для хранения и транспортировки, а также сокращая выбросы летучих углеводородов в атмосферу. В Мидстрят операции на нефтеперерабатывающих заводах , фракционная перегонка является основным классом операции для преобразования сырой нефти в топливо и химические кормовых запасы . ^{[2] [3] [4]}
• Криогенная дистилляция приводит к разделению воздуха на его компоненты - особенно кислород , азот и аргон - для промышленного использования .
• В химической промышленности большие количества неочищенных жидких продуктов химического синтеза перегоняют, чтобы отделить их либо от других продуктов, либо от примесей, либо от непрореагировавших исходных материалов.

Установка, используемая для дистилляции, особенно дистиллированных напитков, - это винокурня. Сама перегонка оборудование является еще .

История [ править ]

Ранние свидетельства дистилляции были найдены на аккадских табличках, датированных ок. 1200 г. до н.э. с описанием парфюмерных операций. Таблички содержали текстовые свидетельства того, что ранняя примитивная форма дистилляции была известна вавилонянам древней Месопотамии . ^[8] Ранние свидетельства дистилляции были также связаны с алхимиками, работавшими в Александрии в Римском Египте в I веке нашей эры. ^[9]

Дистиллированная вода использовалась по крайней мере с. 200 г. н.э., когда Александр Афродисиас описал этот процесс. ^{[10] [11]} Работа по перегонке других жидкостей продолжалась в ранневизантийском Египте при Зосиме Панополисском в 3 веке. Перегонка практиковались в древнем индийском субконтиненте , что видно из обожженной глины реторт и приемников найдено в Таксил , Shaikhan Dheri и Charsadda в современном Пакистане , начиная с первыми веками нашей эры . ^{[12] [13] [14]}Эти « перегонные кубы Гандхары » были способны производить только очень слабый щелок , поскольку не было эффективных средств сбора паров при слабом нагревании. ^[15]

Согласно археологическим свидетельствам, дистилляция в Китае, возможно, началась во время династии Восточная Хань (1-2 века н.э.), но дистилляция напитков началась в династиях Цзинь (12-13 века) и Южная Сун (10-13 века). ^[16]

Средневековые мусульманские химики, такие как Джабир ибн Хайян (латинское: Гебер, девятый век) и Абу Бакр ар-Рази (латинское: Разес, 854–925), активно экспериментировали с дистилляцией различных веществ. Перегонка вина засвидетельствована в арабских трудах, приписываемых аль-Кинди (около 801–873 гг. Н. Э.) И аль-Фараби (около 872–950 гг.), А также в 28-й книге аль-Захрави (лат. Abulcasis). , 936–1013) Китаб ат-Тахриф (позже переведенный на латынь как Liber servatoris ). ^[17] В двенадцатом веке рецепты производства аква-садов(«горящая вода», т. е. этанол) путем перегонки вина с солью начали появляться в ряде латинских трудов, а к концу тринадцатого века оно стало широко известным веществом среди западноевропейских химиков. ^[18] Фракционная дистилляция была разработана Тадео Альдеротти в 13 веке. ^[19]

Еще в XII веке на месте археологических раскопок в Цинлуне, провинция Хэбэй , в Китае, был найден камень . Дистиллированные напитки были распространены во времена династии Юань (13–14 вв.). ^[16]

В 1500 году немецкий алхимик Иероним Брауншвейг опубликовал « Liber de arte destillandi» ( «Книгу искусства дистилляции» ) ^[20], первую книгу, посвященную исключительно теме дистилляции, за которой в 1512 году последовала значительно расширенная версия. В 1651 году Джон Френч опубликовал Искусство Перегонка , ^[21] первый крупный английский компендиум на практике, но он утверждал , ^[22] , что большая часть этого происходит от работы в Брауншвейге. Сюда входят диаграммы с людьми, показывающими промышленный, а не лабораторный масштаб операции.

Когда алхимия превратилась в химическую науку , сосуды, называемые ретортами, стали использоваться для дистилляции. И перегонные кубы, и реторты представляют собой формы стеклянной посуды с длинными горлышками, направленными в сторону под углом вниз, чтобы действовать как конденсаторы с воздушным охлаждением, конденсируя дистиллят и позволяя ему стекать вниз для сбора. Позже были изобретены медные перегонные кубы. Заклепочные швы часто затягивали с помощью различных смесей, например теста из ржаной муки. ^[23] Эти перегонные кубы часто имели систему охлаждения вокруг клюва с использованием, например, холодной воды, что делало конденсацию спирта более эффективной. Они называлиськадры для посуды . Сегодня реторты и перегонные кубы в большинстве промышленных процессов вытеснены более эффективными методами дистилляции. Тем не менее, горшок все еще широко используется для производства некоторых прекрасных спиртов, таких как коньяк , шотландский виски , ирландский виски , текила , ром и некоторые водки . Перегонные кубы из различных материалов (дерево, глина, нержавеющая сталь) также используются бутлегерами в разных странах. Небольшие перегонные кубы также продаются для использования в домашнем производстве ^[24] цветочной воды или эфирных масел .

Ранние формы дистилляции включали периодические процессы с использованием одного испарения и одной конденсации. Чистота была улучшена за счет дальнейшей отгонки конденсата. Большие объемы обрабатывались простым повторением дистилляции. Сообщается, что химики выполнили от 500 до 600 перегонок, чтобы получить чистое соединение. ^[25]

В начале 19 века были разработаны основы современных технологий, включая предварительный нагрев и нагревание с обратным холодильником . ^[25] В 1822 году Энтони Перье разработал один из первых непрерывных перегонных кубов, а затем, в 1826 году, Роберт Штайн усовершенствовал эту конструкцию, чтобы сохранить свой патент . В 1830 году Эней Коффи получил патент на дальнейшее усовершенствование конструкции. ^[26] Непрерывный перегонный куб Коффи можно рассматривать как архетип современных нефтехимических агрегатов. Французский инженер Арман Саваль разработал свой регулятор пара примерно в 1846 году. ^[27] В 1877 году Эрнест Солвей получил патент США на тарельчатую колонну для дистилляции аммиака.^[28], и в этот же и последующие годы произошли изменения в этой теме для масел и спиртов.

С появлением химической инженерии как дисциплины в конце 19 века стали применяться научные, а не эмпирические методы. Разработки нефтяной промышленности в начале 20 - го века , послужил толчком для разработки точных методов проектирования, таких как метод МакКейб-Тиле по Ernest Тиле и уравнения Fenske . Первый промышленный завод в Соединенных Штатах, использующий дистилляцию в качестве средства опреснения океана, открылся во Фрипорте, штат Техас, в 1961 году с надеждой обеспечить водную безопасность в регионе. ^[29] Наличие мощных компьютеров позволило напрямуюкомпьютерное моделирование ректификационных колонн.

Применение дистилляции [ править ]

Применение дистилляции можно условно разделить на четыре группы: лабораторные масштабы , промышленная дистилляция , дистилляция трав для парфюмерии и медицины ( травяной дистиллят ) и пищевая промышленность . Последние два существенно отличаются от первых двух тем, что дистилляция используется не как истинный метод очистки, а больше для переноса всех летучих из исходных материалов в дистиллят при переработке напитков и трав.

Основное различие между дистилляцией в лабораторном масштабе и промышленной дистилляцией состоит в том, что дистилляция в лабораторном масштабе часто выполняется периодически, тогда как промышленная дистилляция часто происходит непрерывно. При периодической перегонке состав исходного материала, паров перегоняемых соединений и дистиллята изменяются во время перегонки. При периодической перегонке в дистиллятор загружается (поставляется) партия исходной смеси, которая затем разделяется на составляющие фракции, которые собираются последовательно от наиболее летучих к менее летучим, а нижний остаток - оставшаяся наименее летучая или нелетучая фракция - удален в конце. После этого можно перезарядить аппарат и повторить процесс.

При непрерывной перегонке исходные материалы, пары и дистиллят поддерживаются в постоянном составе за счет тщательного пополнения исходного материала и удаления фракций как из пара, так и из жидкости в системе. Это приводит к более детальному контролю процесса разделения.

Идеализированная модель дистилляции [ править ]

Точка кипения жидкости - это температура, при которой давление пара жидкости равно давлению вокруг жидкости, что позволяет пузырькам образовываться без раздавливания. Особым случаем является нормальная точка кипения , когда давление пара жидкости равно атмосферному давлению окружающей среды .

Это заблуждение, что в жидкой смеси при заданном давлении каждый компонент кипит при температуре кипения, соответствующей данному давлению, позволяя парам каждого компонента собираться отдельно и в чистом виде. Однако этого не происходит даже в идеализированной системе. Идеализированные модели дистилляции в основном подчиняются законам Рауля и Дальтона и предполагают, что достигается равновесие пар-жидкость .

Закон Рауля гласит, что давление пара раствора зависит от 1) давления пара каждого химического компонента в растворе и 2) доли раствора, которую составляет каждый компонент, также известной как мольная доля . Этот закон применяется к идеальным растворам или растворам, которые имеют разные компоненты, но чьи молекулярные взаимодействия такие же или очень похожи на чистые растворы.

Закон Дальтона гласит, что полное давление - это сумма парциальных давлений каждого отдельного компонента в смеси. Когда многокомпонентная жидкость нагревается, давление пара каждого компонента повышается, что приводит к увеличению общего давления пара. Когда полное давление пара достигает давления, окружающего жидкость, происходит кипение, и жидкость превращается в газ во всем объеме жидкости. Смесь с заданным составом имеет одну точку кипения при заданном давлении, когда компоненты взаимно растворимы. Смесь постоянного состава не имеет нескольких точек кипения.

Следствием одной точки кипения является то, что более легкие компоненты никогда не «вскипят» чисто. При температуре кипения все летучие компоненты кипят, но для компонента его процентное содержание в паре такое же, как его процент от общего давления пара. Более легкие компоненты имеют более высокое парциальное давление и, таким образом, концентрируются в паре, но более тяжелые летучие компоненты также имеют (меньшее) парциальное давление и обязательно также испаряются, хотя и при более низкой концентрации в паре. Действительно, периодическая дистилляция и фракционирование достигаются за счет изменения состава смеси. При периодической перегонке партия испаряется, что меняет ее состав; при фракционировании жидкость выше в колонне фракционирования содержит больше легкого и кипит при более низких температурах. Следовательно, исходя из заданной смеси,похоже, что она имеет интервал кипения вместо точки кипения, хотя это происходит потому, что ее состав изменяется: каждая промежуточная смесь имеет свою собственную особую точку кипения.

Идеализированная модель точна в случае химически подобных жидкостей, таких как бензол и толуол . В других случаях наблюдаются серьезные отклонения от закона Рауля и закона Дальтона, наиболее известные из них в смеси этанола и воды. Эти соединения при совместном нагревании образуют азеотроп , когда паровая фаза и жидкая фаза содержат один и тот же состав. Хотя существуют вычислительные методы, которые можно использовать для оценки поведения смеси произвольных компонентов, единственный способ получить точные данные о равновесии пар-жидкость - это измерения.

Невозможно полностью очистить смесь компонентов дистилляцией, поскольку для этого потребуется, чтобы каждый компонент в смеси имел нулевое парциальное давление . Если целью являются сверхчистые продукты, необходимо применять дополнительное химическое разделение . Когда бинарная смесь испаряется, а другой компонент, например соль, имеет нулевое парциальное давление для практических целей, процесс упрощается.

Периодическая или дифференциальная дистилляция [ править ]

Нагревание идеальной смеси двух летучих веществ, A и B, с A, имеющим более высокую летучесть или более низкую температуру кипения, в установке периодической дистилляции (например, в устройстве, изображенном на начальном рисунке) до кипения смеси приводит к пар над жидкостью, который содержит смесь A и B. Соотношение между A и B в паре будет отличаться от соотношения в жидкости. Соотношение в жидкости будет определяться тем, как была приготовлена ​​исходная смесь, в то время как соотношение в паре будет обогащено более летучим соединением А (согласно закону Рауля, см. Выше). Пар проходит через конденсатор и удаляется из системы. Это, в свою очередь, означает, что соотношение соединений в оставшейся жидкости теперь отличается от начального соотношения (то есть более обогащено B, чем в исходной жидкости).

В результате соотношение в жидкой смеси изменяется, становясь богаче компонентом B. Это вызывает повышение температуры кипения смеси, что приводит к повышению температуры пара, что приводит к изменению отношения A : B в газовой фазе (по мере продолжения дистилляции доля B в газовой фазе увеличивается). Это приводит к медленному изменению соотношения A: B в дистилляте.

Если разница в давлении пара между двумя компонентами A и B велика - обычно выражается как разница в точках кипения - смесь в начале перегонки сильно обогащена компонентом A, а когда компонент A отгоняется, кипящая жидкость обогащена компонентом Б.

Непрерывная дистилляция [ править ]

Непрерывная перегонка - это непрерывная перегонка, при которой жидкая смесь непрерывно (без перерыва) подается в процесс, а разделенные фракции непрерывно удаляются, поскольку потоки на выходе возникают с течением времени во время операции. Непрерывная дистилляция дает минимум две выходные фракции, включая по меньшей мере одну летучую фракцию дистиллята, которая кипела и отдельно улавливалась в виде пара, а затем конденсировалась в жидкость. Всегда существует нижняя (или остаточная) фракция, которая представляет собой наименее летучий остаток, который не улавливался отдельно в виде конденсированного пара.

Непрерывная дистилляция отличается от периодической дистилляции тем, что концентрации не должны изменяться с течением времени. Непрерывная дистилляция может работать в установившемся режимена произвольный промежуток времени. Для любого исходного материала определенного состава основными переменными, влияющими на чистоту продуктов при непрерывной перегонке, являются коэффициент дефлегмации и количество теоретических ступеней равновесия, которые на практике определяются количеством тарелок или высотой насадки. Обратный поток - это поток из конденсатора обратно в колонку, который создает рециркуляцию, которая позволяет лучше разделить с заданным количеством тарелок. Стадии равновесия являются идеальными стадиями, на которых композиции достигают равновесия пар-жидкость, повторяя процесс разделения и обеспечивая лучшее разделение с учетом коэффициента орошения. Колонна с высоким коэффициентом орошения может иметь меньше ступеней, но она пропускает большое количество жидкости, образуя широкую колонну с большой задержкой. И наоборот, колонна с низким коэффициентом флегмы должна иметь большое количество ступеней,таким образом, требуется более высокий столбец.

Общие улучшения [ править ]

Как периодическую, так и непрерывную дистилляцию можно улучшить, используя ректификационную колонну в верхней части перегонной колбы. Колонна улучшает разделение, обеспечивая большую площадь поверхности для соприкосновения пара и конденсата. Это помогает ему оставаться в равновесии как можно дольше. Колонна может даже состоять из небольших подсистем («тарелок» или «тарелок»), каждая из которых содержит обогащенную кипящую жидкую смесь, каждая из которых имеет собственное парожидкостное равновесие.

Между фракционирующими колоннами лабораторного и промышленного масштаба есть различия, но принципы те же. Примеры фракционирующих колонн лабораторного масштаба (для повышения эффективности) включают:

• Конденсатор воздуха
• Колонка Вигре (обычно только лабораторные весы)
• Насадочная колонка (наполненная стеклянными шариками, металлическими деталями или другим химически инертным материалом)
• Система ректификации с прядильной лентой .

Дистилляция в лабораторном масштабе [ править ]

Дистилляции в лабораторном масштабе почти всегда проводятся как периодические. Устройство , используемое в перегонки, иногда упоминается как до сих пор , состоит, как минимум , в ребойлер или горшок , в котором нагревают исходный материал, конденсатора , в котором нагретый пар охлаждается обратно в жидком состоянии , и приемник , в котором концентрированная или очищенная жидкость, называемая дистиллятом , собирается. Существует несколько лабораторных методов дистилляции (см. Также типы дистилляции ).

Полностью герметичный дистилляционный аппарат может испытывать чрезмерное и быстро меняющееся внутреннее давление, что может привести к его разрыву в стыках. Поэтому какой-то путь обычно оставляют открытым (например, у приемной колбы), чтобы позволить внутреннему давлению уравняться с атмосферным давлением. В качестве альтернативы можно использовать вакуумный насос , чтобы поддерживать в устройстве давление ниже атмосферного. Если используемые вещества чувствительны к воздуху или влаге, связь с атмосферой может осуществляться через одну или несколько сушильных трубок, заполненных материалами, улавливающими нежелательные компоненты воздуха, или через барботеры.которые обеспечивают подвижный барьер для жидкости. Наконец, попадание нежелательных компонентов воздуха можно предотвратить, закачивая в устройство слабый, но постоянный поток подходящего инертного газа, такого как азот .

Простая дистилляция [ править ]

При простой перегонке пар сразу направляется в конденсатор. Следовательно, дистиллят не является чистым, а его состав идентичен составу паров при данной температуре и давлении. Эта концентрация следует закону Рауля .

В результате простая перегонка эффективна только тогда, когда точки кипения жидкости сильно различаются (практическое правило - 25 ° C) ^[30] или при отделении жидкостей от нелетучих твердых веществ или масел. В этих случаях давления паров компонентов обычно достаточно разные, чтобы дистиллят мог быть достаточно чистым для его предполагаемого назначения.

Краткое схематическое изображение простой операции дистилляции показано справа. Исходная жидкость 15 в колбе для кипячения 2 нагревается комбинированной плиткой и магнитной мешалкой 13 через баню с силиконовым маслом (оранжевый, 14 ). Пар проходит через короткую колонну Вигре 3 , затем через конденсатор Либиха 5 и охлаждается водой (синий цвет), которая циркулирует через порты 6 и 7 . Конденсированная жидкость капает в приемную колбу 8 , находящуюся в охлаждающей бане (синий, 16 ). Адаптер 10имеет соединение 9, которое может быть установлено на вакуумный насос. Компоненты соединены стыками матового стекла (серого цвета).

Фракционная перегонка [ править ]

Во многих случаях температуры кипения компонентов в смеси будут достаточно близкими, поэтому необходимо учитывать закон Рауля . Следовательно, фракционная перегонка должна использоваться для разделения компонентов с помощью повторяющихся циклов испарения-конденсации внутри насадочной фракционной колонны. Это разделение путем последовательной перегонки также называется ректификацией . ^[31]

Когда очищаемый раствор нагревается, его пары поднимаются в колонну фракционирования . Поднимаясь, он охлаждается, конденсируясь на стенках конденсатора и поверхностях упаковочного материала. Здесь конденсат продолжает нагреваться поднимающимися горячими парами; он снова испаряется. Однако состав свежих паров снова определяется законом Рауля. Каждый цикл испарения-конденсации (называемый теоретической тарелкой ) будет давать более чистый раствор более летучих компонентов. ^[32] В действительности, каждый цикл при данной температуре не происходит точно в одном и том же месте фракционирующей колонны; Таким образом, теоретическая тарелка - это скорее концепция, чем точное описание.

Чем больше теоретических тарелок, тем лучше разделение. Система дистилляции с вращающейся ленточной перегонкой использует вращающуюся ленту из тефлона или металла, чтобы заставить поднимающиеся пары тесно контактировать с нисходящим конденсатом, увеличивая количество теоретических тарелок. ^[33]

Паровая дистилляция [ править ]

Как и вакуумная дистилляция , паровая дистилляция - это метод перегонки термочувствительных соединений. ^[34] Температуру пара легче контролировать, чем температуру поверхности нагревательного элемента , и она обеспечивает высокую скорость передачи тепла без нагрева при очень высокой температуре. Этот процесс включает в себя пропускание пара через нагретую смесь сырья. По закону Рауля часть целевого соединения будет испаряться (в соответствии с его парциальным давлением). Смесь паров охлаждается и конденсируется, обычно образуя слой масла и слой воды.

Паровая дистилляция различных ароматных трав и цветов может дать два продукта; эфирное масло , а также водянистый ГИДРОЛАТ . В эфирные масла часто используются в парфюмерии и ароматерапии в то время как водянистые дистилляты имеют множество применений в ароматерапии , пищевой промышленности и ухода за кожей .

Вакуумная дистилляция [ править ]

Некоторые соединения имеют очень высокую температуру кипения. Для кипячения таких соединений часто лучше снизить давление, при котором они кипятятся, а не повышать температуру. Как только давление понижается до давления пара соединения (при данной температуре), можно начинать кипение и остальную часть процесса дистилляции. Этот метод называется вакуумной перегонкой, и он обычно используется в лаборатории в виде роторного испарителя .

Этот метод также очень полезен для соединений, температура кипения которых превышает их температуру разложения при атмосферном давлении и которые, следовательно, могут разложиться при любой попытке кипячения при атмосферном давлении.

Короткий путь и молекулярная дистилляция [ править ]

Молекулярная дистилляция - это вакуумная перегонка ниже давления 0,01 торр . 0,01 торр - это на порядок выше высокого вакуума , когда жидкости находятся в режиме свободномолекулярного потока , то есть длина свободного пробегамолекул сопоставимо с размером оборудования. Газовая фаза больше не оказывает значительного давления на испаряемое вещество, и, следовательно, скорость испарения больше не зависит от давления. То есть, поскольку континуальные предположения гидродинамики больше не применимы, перенос массы регулируется молекулярной динамикой, а не гидродинамикой. Таким образом, необходим короткий путь между горячей поверхностью и холодной поверхностью, обычно путем подвешивания горячей пластины, покрытой пленкой корма, рядом с холодной пластиной с прямой видимостью между ними. Молекулярная дистилляция используется в промышленности для очистки масел.

Дистилляция по короткому пути - это метод перегонки, при котором дистиллят перемещается на небольшое расстояние, часто всего несколько сантиметров, и обычно выполняется при пониженном давлении. ^[35] Классическим примером может служить перегонка, при которой дистиллят перемещается из одной стеклянной колбы в другую без необходимости в конденсаторе, разделяющем две камеры. Этот метод часто используется для соединений, которые нестабильны при высоких температурах, или для очистки небольших количеств соединения. Преимущество состоит в том, что температура нагрева может быть значительно ниже (при пониженном давлении), чем точка кипения жидкости при стандартном давлении, и дистиллят должен пройти лишь небольшое расстояние до конденсации. Короткий путь гарантирует, что небольшое количество компаунда теряется по бокам устройства. ВKugelrohr - это своего рода аппарат для короткой дистилляции, который часто содержит несколько камер для сбора фракций дистиллята.

Воздухочувствительная вакуумная дистилляция [ править ]

Некоторые соединения имеют высокую температуру кипения, а также чувствительны к воздуху . Можно использовать простую систему вакуумной перегонки, как проиллюстрировано выше, в которой вакуум заменяется инертным газом после завершения перегонки. Однако это менее удовлетворительная система, если кто-то хочет собирать фракции при пониженном давлении. Для этого к концу конденсатора можно добавить адаптер «корова» или «свинья», или для получения лучших результатов или для очень чувствительных к воздуху соединений можно использовать устройство с треугольником Перкина .

Треугольник Перкина через серию стеклянных или тефлоновых кранов имеет средства, позволяющие отделять фракции от остальной части куба , без удаления основной части дистилляции из вакуума или источника тепла, и, таким образом, может оставаться в состояние рефлюкса . Для этого образец сначала изолируется от вакуума с помощью кранов, затем вакуум над образцом заменяется инертным газом (например, азотом или аргоном ), а затем его можно закрыть пробкой и удалить. Затем в систему можно добавить свежий сборный сосуд, откачать его и снова подключить к дистилляционной системе через краны для сбора второй фракции и так далее, пока не будут собраны все фракции.

Зонная дистилляция [ править ]

Зонная перегонка - это процесс перегонки в длинном контейнере с частичным плавлением очищенного вещества в зоне движущейся жидкости и конденсацией пара в твердой фазе при отводе конденсата в холодной зоне. Процесс проработан теоретически. При перемещении зонного нагревателя от верха к низу емкости образуется твердый конденсат с неравномерным распределением примесей. Тогда наиболее чистая часть конденсата может быть извлечена как продукт. Процесс можно многократно повторять, перемещая (без оборота) полученный конденсат в нижнюю часть емкости на место очищенного вещества. Неравномерное распределение примесей в конденсате (то есть эффективность очистки) увеличивается с количеством итераций. Зонная перегонка является дистилляционным аналогом зонной перекристаллизации.Распределение примесей в конденсате описывается известными уравнениями зонной перекристаллизации - с заменой коэффициента распределения k кристаллизации на коэффициент разделения дистилляции α.^{[36] [37] [38]}

Другие типы [ править ]

• Процесс реактивной дистилляции предполагает использование реакционной емкости в качестве перегонного куба. В этом процессе продукт обычно имеет значительно более низкую температуру кипения, чем его реагенты. Поскольку продукт образуется из реагентов, он испаряется и удаляется из реакционной смеси. Этот метод является примером непрерывного против периодического процесса; Преимущества включают меньшее время простоя для загрузки реакционного сосуда исходным материалом и меньшую переработку. Дистилляцию «над реагентом» можно классифицировать как реактивную дистилляцию. Обычно он используется для удаления летучих примесей из дистилляционного сырья. Например, можно добавить немного извести для удаления диоксида углерода из воды с последующей второй дистилляцией с небольшим количеством серной кислоты. добавлен для удаления следов аммиака.
• Каталитическая дистилляция - это процесс, при котором реагенты катализируются во время дистилляции для непрерывного отделения продуктов от реагентов. Этот метод используется, чтобы способствовать завершению равновесных реакций.
• Первапорация - это метод разделения смесей жидкостей путем частичного испарения через непористую мембрану .
• Экстрактивная дистилляция определяется как дистилляция в присутствии смешивающегося, высококипящего, относительно нелетучего компонента, растворителя, который не образует азеотропа с другими компонентами смеси.
• Мгновенное испарение (или частичное испарение) - это частичное испарение, которое происходит, когда поток насыщенной жидкости подвергается снижению давления за счет прохождения через дроссельный клапан или другое дроссельное устройство. Этот процесс - одна из простейших единичных операций, эквивалентная дистилляции с одной стадией равновесия.
• Кодистилляция - это дистилляция, которая выполняется для смесей, в которых два соединения не смешиваются. В лаборатории для этого используется аппарат Дина-Старка для удаления воды из продуктов синтеза. Bleidner - еще один пример с двумя кипящими растворителями.
• Мембранная перегонка - это тип перегонки, при котором пары разделяемой смеси проходят через мембрану, которая избирательно проникает в один компонент смеси. Движущей силой является перепад давления пара. Он имеет потенциальное применение при опреснении морской воды и удалении органических и неорганических компонентов.

Единичный процесс выпаривания можно также назвать «дистилляцией»:

• При роторном испарении используется вакуумный перегонный аппарат для удаления объемных растворителей из образца. Обычно вакуум создается водоструйным насосом или мембранным насосом .
• В kugelrohr обычно используется перегонный аппарат с коротким ходом (обычно в сочетании с (высоким) вакуумом) для перегонки высококипящих (> 300 ° C) соединений. Устройство состоит из печи, в которую помещают перегоняемое соединение, приемной части, которая находится вне печи, и средства вращения образца. Вакуум обычно создается с помощью высоковакуумного насоса.

Другое использование:

• Сухая дистилляция или деструктивная перегонка , несмотря на название, на самом деле не дистилляция, а скорее химическая реакция, известная как пиролиз, при которой твердые вещества нагреваются в инертной или восстановительной атмосфере и любых летучих фракциях, содержащих высококипящие жидкости и продукты пиролиза. собраны. Разрушающая перегонка древесины с получением метанола является источником его общего названия - древесный спирт .
• Выдержка перегонки - аналогичный метод очистки с использованием замораживания вместо выпаривания. Это не настоящая перегонка, а перекристаллизация, при которой продукт представляет собой маточный раствор и не дает продуктов, эквивалентных перегонке. Этот процесс используется при производстве ледяного пива и ледяного вина для увеличения содержания этанола и сахара соответственно. Он также используется для производства яблочного джека.. В отличие от дистилляции, дистилляция с замораживанием концентрирует ядовитые родственные соединения, а не удаляет их; В результате многие страны запрещают такую ​​яблочную джек в качестве меры здоровья. Кроме того, их можно разделить перегонкой путем выпаривания, поскольку они имеют разные точки кипения.

Азеотропная дистилляция [ править ]

Взаимодействия между компонентами раствора создают свойства, уникальные для раствора, поскольку большинство процессов влечет за собой неидеальные смеси, для которых не выполняется закон Рауля . Такие взаимодействия могут привести к образованию азеотропа с постоянным кипением, который ведет себя так, как если бы это было чистое соединение (то есть кипит при одной температуре, а не в диапазоне). При азеотропе раствор содержит данный компонент в той же пропорции, что и пар, так что испарение не влияет на чистоту, а дистилляция не влияет на разделение. Например, этиловый спирт и вода образуют 95,6% азеотропа при 78,1 ° C.

Если азеотроп не считается достаточно чистым для использования, существуют некоторые методы разрушения азеотропа с получением чистого дистиллята. Этот набор методов известен как азеотропная дистилляция . Некоторые методы достигают этого путем «перепрыгивания» над азеотропной композицией (путем добавления другого компонента для создания нового азеотропа или путем изменения давления). Другие работают путем химического или физического удаления или изоляции примесей. Например, для очистки этанола свыше 95% можно добавить осушающий агент (или осушитель , такой как карбонат калия ), чтобы преобразовать растворимую воду в нерастворимую кристаллизационную воду . Для этой цели также часто используются молекулярные сита .

Несмешивающиеся жидкости, такие как вода и толуол , легко образуют азеотропы. Обычно эти азеотропы называют низкокипящими азеотропами, потому что температура кипения азеотропа ниже, чем точка кипения любого из чистых компонентов. Температуру и состав азеотропа легко предсказать по давлению паров чистых компонентов без использования закона Рауля. Азеотроп легко разрушается в дистилляционной установке с использованием сепаратора жидкость-жидкость (декантер) для разделения двух жидких слоев, которые конденсируются наверху. Только один из двух жидких слоев нагнетается в дистилляционную установку.

Также существуют азеотропы с высокой температурой кипения, такие как смесь соляной кислоты с водой на 20% по весу. Как следует из названия, точка кипения азеотропа выше, чем точка кипения любого из чистых компонентов.

Чтобы нарушить азеотропные дистилляции и пересечь границы дистилляции, как, например, в задаче ДеРозье, необходимо увеличить состав легкого ключа в дистилляте.

Нарушение азеотропа с помощью однонаправленного манипулирования давлением [ править ]

Точки кипения компонентов азеотропа перекрываются, образуя полосу. Воздействуя на азеотроп вакуумом или положительным давлением, можно смещать точку кипения одного компонента в сторону от другого, используя разные кривые давления пара каждого; кривые могут перекрываться в азеотропной точке, но маловероятно, что они останутся идентичными дальше вдоль оси давления по обе стороны от азеотропной точки. Когда смещение достаточно велико, две точки кипения больше не перекрываются, и поэтому азеотропная полоса исчезает.

Этот метод может устранить необходимость добавления других химикатов при перегонке, но у него есть два потенциальных недостатка.

При отрицательном давлении требуется питание для источника вакуума, а пониженные точки кипения дистиллятов требуют, чтобы конденсатор работал в более холодном режиме, чтобы предотвратить потерю паров дистиллята в источнике вакуума. Повышенные требования к охлаждению часто требуют дополнительной энергии и, возможно, нового оборудования или замены охлаждающей жидкости.

В качестве альтернативы, если требуется положительное давление, нельзя использовать стандартную стеклянную посуду, необходимо использовать энергию для повышения давления, и существует более высокая вероятность побочных реакций, происходящих при перегонке, таких как разложение, из-за более высоких температур, необходимых для кипения.

Однонаправленная дистилляция будет зависеть от изменения давления в одном направлении, положительном или отрицательном.

Перегонка под давлением [ править ]

Перегонка с переменным давлением по существу такая же, как и однонаправленная перегонка, используемая для разрушения азеотропных смесей, но здесь может использоваться как положительное, так и отрицательное давление .

Это улучшает селективность перегонки и позволяет химикам оптимизировать перегонку, избегая экстремальных значений давления и температуры, которые тратят энергию. Это особенно важно в коммерческих приложениях.

Одним из примеров применения перегонки при переменном давлении является промышленная очистка этилацетата после его каталитического синтеза из этанола .

Промышленная дистилляция [ править ]

Применения крупномасштабной промышленной дистилляции включают как периодическую, так и непрерывную фракционную, вакуумную, азеотропную, экстрактивную и паровую дистилляцию. Наиболее широко используемые промышленные применения непрерывной стационарной фракционной перегонки - это нефтеперерабатывающие , нефтехимические и химические заводы, а также заводы по переработке природного газа .

Для управления и оптимизации такой промышленной дистилляции разработан стандартизированный лабораторный метод ASTM D86. Этот метод испытаний распространяется на атмосферную перегонку нефтепродуктов с использованием лабораторной перегонной установки для количественного определения характеристик интервала кипения нефтепродуктов.

Промышленная дистилляция ^{[31] [39]} обычно выполняется в больших вертикальных цилиндрических колоннах, известных как дистилляционные башни или дистилляционные колонны, диаметром от 65 до 16 метров и высотой от 6 до 90 метров и более. Когда технологическое сырье имеет разнообразный состав, как при перегонке сырой нефти , выпускные отверстия для жидкости с интервалами вверх по колонне позволяют отводить различные фракции или продукты с разными температурами кипения.или диапазоны кипения. В «легкие» продукты (те , с самой низкой точкой кипения) выход из верхней части колонны и «тяжелых» продуктов (те , с самой высокой точкой кипения) выхода из нижней части колонны , и часто называют днища .

В промышленных башнях используется орошение для более полного разделения продуктов. Обратный поток относится к части сконденсированного жидкого продукта верхнего погона из дистилляционной или ректификационной колонны, которая возвращается в верхнюю часть колонны, как показано на схематической диаграмме типичной крупномасштабной промышленной дистилляционной колонны. Внутри колонны нисходящая флегма обеспечивает охлаждение и конденсацию восходящих паров, тем самым повышая эффективность дистилляционной колонны. Чем больше рефлюкса обеспечивается для данного количества теоретических тарелок, тем лучше башня отделяет низкокипящие материалы от высококипящих. В качестве альтернативы, чем больше флегмы обеспечивается для заданного желаемого разделения, тем меньше требуется теоретических тарелок. Инженеры-химики должны выбрать, какое сочетание скорости флегмы и количества тарелок является экономически и физически целесообразным для продуктов, очищаемых в дистилляционной колонне.

Такие промышленные колонны фракционирования также используются при криогенном разделении воздуха , производя жидкий кислород , жидкий азот и аргон высокой чистоты . Дистилляция хлорсиланов также позволяет производить кремний высокой чистоты для использования в качестве полупроводника .

Конструкция и работа дистилляционной башни зависят от сырья и желаемых продуктов. Имея простой бинарный компонентный поток, можно использовать такие аналитические методы, как метод МакКейба – Тиле ^{[31] [40]} или уравнение Фенске ^[31] . Для многокомпонентного корма имитационные модели используются как для проектирования, так и для эксплуатации. Более того, КПД устройств для контакта пар-жидкость (называемых «тарелками» или «тарелками»), используемых в ректификационных колоннах, обычно ниже, чем у теоретической ступени равновесия с эффективностью 100% . Следовательно, для дистилляционной башни требуется больше тарелок, чем количество теоретических ступеней равновесия пар-жидкость. Было предложено множество моделей для оценки эффективности лотков.

В современных промышленных применениях в колонне вместо тарелок используется насадочный материал, когда требуются низкие перепады давления в колонне. Другими факторами, благоприятствующими набивке, являются: вакуумные системы, колонны меньшего диаметра, коррозионные системы, системы, склонные к пенообразованию, системы, требующие низкого содержания жидкости, и периодическая дистилляция. И наоборот, факторы, благоприятствующие тарельчатым колоннам : наличие твердых частиц в сырье, высокие скорости жидкости, большие диаметры колонн, сложные колонны, колонны с широким разбросом состава сырья, колонны с химической реакцией, абсорбционные колонны, колонны, ограниченные допуском по массе фундамента, низкий расход жидкости, большой коэффициент регулирования и процессы, подверженные скачкам.

Этот набивочный материал может представлять собой набивку с беспорядочной разгрузкой (шириной 1–3 дюйма), такую ​​как кольца Рашига, или структурированный листовой металл . Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность набивки, и пары проходят через эту смачиваемую поверхность, где происходит массообмен . при обычной тарельчатой ​​перегонке, в которой каждая тарелка представляет собой отдельную точку равновесия пар-жидкость, кривая равновесия пар-жидкость в насадочной колонне является непрерывной. Однако при моделировании насадочных колонн полезно рассчитать количество «теоретических стадий», чтобы обозначают эффективность разделения насадочной колонны по сравнению с более традиционными тарелками. Насадки разной формы имеют разные площади поверхности и пустоты между насадками. Оба эти фактора влияют на характеристики насадки.

Другим фактором в дополнение к форме насадки и площади поверхности, который влияет на характеристики случайной или структурированной насадки, является распределение жидкости и пара, поступающего в насадочный слой. Количество теоретических стадий, необходимых для данного разделения, рассчитывается с использованием определенного отношения пара к жидкости. Если жидкость и пар распределяются неравномерно по поверхностной площади башни, когда они входят в уплотненный слой, соотношение жидкости и пара в уплотненном слое не будет правильным, и необходимое разделение не будет достигнуто. Кажется, что упаковка работает неправильно. Высота , эквивалентная теоретической тарелке(HETP) будет больше, чем ожидалось. Проблема не в самой насадке, а в неправильном распределении жидкостей, поступающих в насадочный слой. Неправильное распределение жидкости является более частой проблемой, чем пар. Конструкция распределителей жидкости, используемых для подачи сырья и флегмы в уплотненный слой, имеет решающее значение для обеспечения максимальной эффективности набивки. Методы оценки эффективности распределителя жидкости для равномерного распределения жидкости, поступающей в уплотненный слой, можно найти в справочных материалах. ^{[42] [43]} Значительная работа была проделана по этой теме компанией Fractionation Research, Inc. (широко известной как FRI). ^[44]

Многоступенчатая дистилляция [ править ]

Целью мультиэффектной дистилляции является повышение энергоэффективности процесса для использования при опреснении воды или, в некоторых случаях, на одной стадии производства сверхчистой воды . Количество эффектов обратно пропорционально количеству рекуперированной воды в кВт · ч / м ³ и относится к объему рекуперированной воды на единицу энергии по сравнению с однократной дистилляцией. Один эффект составляет примерно 636 кВт · ч / м ³ .

• Как упоминалось в статье, многоступенчатая мгновенная дистилляция позволяет достичь более 20 эффектов с вложением тепловой энергии.
• Компрессионное испарение пара. По словам производителей, промышленные крупномасштабные установки могут обеспечить около 72 эффектов при потреблении электроэнергии.

Существует множество других типов процессов мультиэффектной дистилляции, в том числе один, называемый просто мультиэффектной дистилляцией (MED), в котором используются несколько камер с промежуточными теплообменниками.

Дистилляция в пищевой промышленности [ править ]

Дистиллированные напитки [ править ]

Содержащие углеводы растительные материалы подвергаются брожению с образованием разбавленного раствора этанола. Такие спиртные напитки, как виски и ром , получают путем перегонки этих разбавленных растворов этанола. Компоненты, отличные от этанола, включая воду, сложные эфиры и другие спирты, собираются в конденсате, который определяет аромат напитка. Некоторые из этих напитков затем хранятся в бочках или других емкостях, чтобы получить больше ароматических соединений и характерных ароматов.

Галерея [ править ]

См. Также [ править ]

• Атмосферная перегонка сырой нефти
• Клисс
• Извлечение аромата
• Микродистиллерий
• Сублимация
• Кольца Диксона
• Случайная упаковка колонок

Ссылки [ править ]

Цитированные источники [ править ]

• Форбс, Р.Дж. (1970). Краткая история искусства дистилляции от истоков до смерти Селье Блюменталя . БРИЛЛ. ISBN 978-90-04-00617-1.
• Харвуд, Лоуренс М .; Муди, Кристофер Дж. (1989). Экспериментальная органическая химия: принципы и практика (иллюстрированный ред.). Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. ISBN 978-0-632-02017-1.

Дальнейшее чтение [ править ]

• Allchin, FR (1979). «Индия: древний дом дистилляции?». Человек . 14 (1): 55–63. DOI : 10.2307 / 2801640 . JSTOR  2801640 .
• Нидхэм, Джозеф (1980). Наука и цивилизация в Китае . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-08573-X . 
• Геанкоплис, Кристи Джон (2003). Транспортные процессы и принципы процесса разделения (4-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-101367-4.

Внешние ссылки [ править ]

Поищите дистилляцию в Викисловаре, бесплатном словаре.

Викискладе есть медиафайлы по теме дистилляции .

• Дистилляция спирта
• Пример: перегонка нефти
• «Двоичные данные о равновесии пара и жидкости» (база данных с возможностью поиска) . Информационный центр исследований химического машиностроения . Проверено 5 мая 2007 года .