Дистиляція - хімічна енциклопедія

Відео: Дистиляція - отримуємо запах яблук

дистиляції

Відео: Суха перегонка

дистиляції (Від лат. Distillatio - стікання краплями) (перегонка), розділення рідких сумішей на різні за складом фракції. Заснована на відмінності в складах рідини і утворюється з неї пара. Здійснюється шляхом часткового випаровування рідини і послід. конденсації пари. Відігнати фракція (дистилят) збагачена щодо більш летючими (низькокиплячими) компонентами, а неотогнанная рідина (кубовий залишок) - менш летючими (високою температурою). Якщо з вихідної суміші відганяється не одна фракція, а кілька, дистиляція зв. фракційної (дробової). Дистиляції. установка складається з випарника 1, забезпеченого теплообмінних пристроєм для підведення до р-ру запланованого теплоти- дефлегматора 2 для часткової конденсації пари. що виходить з випарника (при фракційної дистиляції) - конденсатора 3 для скраплення відібраного пара - холодильника 4 збірників дистиляту 5 і кубового залишку 6 (рис. 1). Залежно від умов процесу розрізняють просту і молекулярну дистиляції.

Мал. 1. Дистиляційна установка: 1 - випарник - 2 - дефлегматор- 3 - конденсатор- 4 - холодильник-5, 6 - збірники соотв. дистиляту і кубового залишку.

Проста дистиляція. Проводиться при таких тисках. коли довжина своб. пробігу молекул у багато разів менше, ніж відстань між пов-ня випаровування рідини і конденсації пари. Т-ра процесу при заданому тиску визначається умовами фазового рівноваги між рідиною і парою. При необхідності зниження т-ри застосовують дистиляцію під вакуумом. а також з водяною парою або інертним газом (див. нижче). Розподіл компонентів суміші між рідиною і парою характеризується коеф. відносить. летючості.

Відео: LUXSTAHL. Аналіз самогону + 2га перегонка

де х_i і x_k. у_i і y_k - змісту компонентів i і k соотв. в рідини і утворюється з неї парі. Склад останнього визначається св-вами і міжмолекулярним взаємодій. компонентів. При невеликому тиску. коли пар з достатньою для практич. цілей точністю підпорядковується законам ідеальних газів. в стані рівноваги

де p_i 0 і p_k 0 - тиску парів чистих компонентів i і k при т-ре кипіння суміші, g _i і g _k - коеф. активності цих компонентів в рідкій фазі. При високому тиску враховується неідеальність пара. Д істілляція здійснюється періодично (вихідна суміш завантажується в апарат одноразово або подається в нього протягом певного часу, дистилят відбирається в ході процесу, а кубовий залишок вивантажується після його завершення) або шляхом безперервних подачі вихідної суміші і відбору продуктів поділу (дистиляту і кубового залишку) . Взаємозв`язок кількості W 0 _і і витрати W_н вихідної суміші, витрати відводиться в конденсатор пари G, кол-в дистиляту W_д і кубового залишку W_до. а також змістів довільного i-го компонента у вихідній суміші x_{I та}. дистилляте х_iд і кубовому залишку х_Ік виражається ур-нями матеріального балансу. При постійному W_н / G = Y

При одноразової завантаженні суміші (Y = 0) кількість рідини в апараті змінюється від W 0 _н до W_до. і ур-ня (3) наводиться до ур-нію Релея:

При безперервної дистиляції витрати і склади вихідної суміші і продуктів поділу пов`язані слід. ур-нями:

При розрахунку дистиляції завжди бувають задані кол-во (або витрата) вихідної суміші, її склад, а також умови, що визначають кінцевий результат процесу. Відповідно до його призначенням м. Б. задані кол-во (або витрата) кубового залишку (шукані величини - W_д , x_iд і x_Ік ), Склад дистиляту x_iд (х_Ік. W_д і W_до ) Або кубового залишку x_Ік (W_д. W_до і x_iд ). Невідомі параметри розраховують спільним рішенням ур-ний матеріального балансу з урахуванням залежності між складами контактируемих пара (y_i ) І рідини (x_i ). Ця залежність визначається св-вами сумішей, умовами процесу і його апаратурним оформленням. Апарати, які застосовуються для дистиляції, ділять на ємнісні і плівкові. У ємнісних апаратах знаходиться великий обсяг рідини. інтенсивно перемішується в результаті кипіння. Склад утворюється пара близький до рівноважного і визначається по ур-нію:

де n - число компонентів. Ці апарати використовують як для периодич. так і для безперервної дистиляції. У першому випадку зміст низькокиплячих компонентів в парі поступово зменшується, і середній склад дистиляту є проміжним між складами парів. знаходяться в рівновазі з вихідної сумішшю, і кубовим залишком. У другому випадку склад рідини в апараті практично ідентичний складу кубового залишку, а склад дистиляту - складу рівноважного з цією рідиною пара. Оскільки дистилят виходить в результаті пароутворення з суміші кінцевого складу з найменшим вмістом низкокипящих компонентів, в ємнісних апаратах при безперервної дистиляції досягається менший ступінь поділу суміші, ніж при периодич. дистиляції. При розрахунку дистиляції п-компонентної суміші зазвичай задано розподіл одного або дек. цільових компонентів між дистилятом і кубовим залишком або відносить. кол-во відганяти дистиляту. У загальному випадку є 2п - 1 невідомих: п - 1 значень х_iд. п - 1 значень x_ik і W_до або W_д. Для їх визначення при розрахунку периодич. дистиляції є п ур-ний матеріального балансу (для всього процесу в цілому і для п - 1 окремих компонентів) і п - 1 ур-ний (3), к-які повинні бути вирішені спільно з п - 1 ур-нями фазового рівноваги ( 6). Отже, необхідно вирішити систему 2п - 1 ур-ний, з яких брало п ур-ний - алгебраїчні, а п - 1 -інтегральна. Аналит. рішення такого завдання надзвичайно складно, тому розрахунки виконуються чисельними методами. При цьому доводиться задаватися відносить. вмістом всіх компонентів в одному з продуктів поділу (дистилляте або кубовому залишку). Наїб. простий метод - поінтервального, к-рий полягає в спільному рішенні ур-ний, що описують умови фазового рівноваги. і ур-ний матеріального балансу (3) і (4), записаних в кінцевих різницях. Для одного інтервалу D W / W приймається певне значення відносить. зміни кількості дістілліруемой рідини і послідовно обчислюється зміна її складу, т. е. для кожного інтервалу знаходиться зміна змісту всіх компонентів D x_i. У першому наближенні склад пара у_i розраховується по ур-вам (6) як рівноважний з рідиною. склад к-рій відповідає початку інтервалу. Розрахунок закінчується при досягненні заданого розподілу цільових компонентів між дистилятом і кубовим залишком. Склад дистиляту знаходиться усередненням складів пара. получающегося у всіх послідовних інтервалах. Критерій правильності розрахунку - збіг цього середнього складу дистиляту з знайденим по ур-вам матеріального балансу. При безперервної дистиляції n-компонентної суміші складу дистиляту, що співпадає зі складом пара. утворюється при кипінні кубової рідини (х_iд = у_i ), Обчислюється за ур-вам (6), в яких брало х_i і x_k - змісту компонентів i і k в кубовому залишку. Т. обр. виходить система 2n - 1 алгебраїч. ур-ний, що зв`язують 2n величин: W_д. W_до. п - 1 значень х_iд і п - 1 значень х_Ік. Щоб зробити цю систему ур-ний певної, досить задати будь-яку з перечисл. величин. З огляду на нелінійності ур-ний (6) аналіт. рішення практично неможливо і доводиться використовувати чисельні методи. Дистиляція багатокомпонентних сумішей розраховують із застосуванням ЕОМ. У плівкових апаратах рідина розподіляється по пов-сті нагрівання у вигляді плівки. За способом її утворення розрізняють: апарати з рідиною. вільно стікала по обігрівається пов-сті (напр. по пов-сті труб) за допомогою спец. розподілить. пристроїв (рис. 2, а, б), а також з висхідним рухом рідини за рахунок сили тертя на кордоні між рідиною і парою. рухомим знизу вгору з досить великою скоростью- роторні - з рідиною. "Розмазувати" по внутр. пов-сті обігрівається корпусу при обертанні ротора з нерухомими або рухомими лопатями (рис. 2, в). За характером відносить. руху фаз плівкові апарати поділяють на прямо-і протиточні. Обсяг і час перебування рідини в плівкових апаратах дуже малі, тому вони використовуються тільки для безперервної дистиляції і особливо ефективні при перегонці термолабільних в-в і в`язких розчинів. Склад рідини в плівкових апаратах змінюється по висоті, що зумовлює зміну т-ри і складу пара. Рідина і пар. що проходять через довільне перетин апарату, не перебувають у рівновазі і між ними відбувається тепло- і масообмін. Швидкість і вплив останніх на результати процесу визначаються швидкостями і характером відносить. руху фаз. Ур-ня матеріального балансу для елемента висоти апарату dh має вигляд:

де G і W - витрати пара і рідини. y_i p - вміст компонента i в парі. що знаходиться в рівновазі з рідиною складу x_i. у_i - склад пара. що проходить через розглянутий переріз апарату, К_оу - коеф. массопередачи, а - площа пов-сті масообміну на одиницю висоти апарату.

Мал. 2. Апарати для простої дистиляції: a, б - соотв. прямо-і протиточні зі стікає рідкої пленкой- в - роторний- 1 - випарник - 2 - сепараційний посудину - 3 - обігрівається корпус-4 - вал- 5 - лопаті.

При негайному відведенні утворюється пара (тепло- і масообмін з рідиною виключені) ур-ня (7) перетворюється в ур-ня простий дистиляції. оскільки До_оу gt; 0, знак другого доданка в правій частині цього ур-ня залежить від характеру відносить. руху фаз. Внаслідок переваг. перетворення в пар щодо більш летких компонентів зміст їх в рідині поступово знижується, і вона збагачується щодо менш летючими компонентами. Соотв. зменшується вміст низькокиплячих компонентів в рівноважному парі. Тому при однаковому напрямку руху рідини і пара останній надходить в довільне по висоті перетин апарату з вмістом низкокипящих компонентів у_i. перевищує їх зміст у_i p в парі. рівноважному з рідиною. к-раю проходить через той же перетин. Через градієнтаконцентрацій у_i - у_i p виникають потік щодо більш летких компонентів з пари в рідину і зустрічний потік відносно менш летючих компонентів з рідини в пар. При великій швидкості масообміну склад пара на виході з апарату наближається до рівноважного з рідиною кінцевого складу. При зустрічному русі фаз через довільне перетин апарату проходить пар з меншим вмістом низкокипящих компонентів, ніж відповідає рівноваги з рідиною в цьому перерізі. Тому завдяки масообміну з рідини в пар переходять гл. обр. низкокипящие, а в протилежному напрямку - висококиплячі компоненти. В результаті на виході з апарату пар за складом наближається до рівноважного з вихідної сумішшю, що має наиб. зміст низькокиплячих компонентів, т. е. досягається додаткове в порівнянні з простою дистиляцією поділ суміші. Витрата теплоти на просту дистиляцію визначається по ур-нію теплового балансу. Площа пов-сті нагрівання випарника знаходиться з ур-ня теплопередачі з урахуванням зміни коеф. теплопередачі і різниці т-р теплоносія і киплячої рідини зі зміною її складу в часі (при периодич. дистиляції) або по висоті (при безперервної дистиляції). При дистиляції з дефлегмацією (конденсація переважно. Висококиплячих компонентів при охолодженні сумішей з метою їх збагачення низькокиплячими компонентами) зв`язок складу пара у_i. що поступає з випарника в дефлегматор (рис. 1), з складами повертається рідини (флегми) х_iф і пара у_iф. направляється в конденсатор, визначається конструкцією і режимом роботи дефлегматора. Зазвичай приймають, що виходять з нього рідину і пар знаходяться в рівновазі. Тоді взаємозв`язок x_iф і y_iф описується рівнянням (6), а кількості і складу рідини в апараті - рівнянням (4), в до-рої замість у_i підставляють у_iф. Велика, ніж при простій дистиляції, ступінь поділу суміші досягається завдяки частковій конденсації пари. утворюється у випарнику. і відповідного збільшення витрат теплоти. Для відгону з сумішей із високою температурою в-в з метою зниження т-ри процесу використовують дистиляцію з водяною парою або інертним газом. Вона заснована на законі Дальтона. згідно к-рому тиск парів над сумішшю р дорівнює сумі парціальних тисків парів компонентів. Якщо відганяють в-во А не змішується з водою. то р = р_A 0 + p_в (р_A 0 - тиск пари чистого в-ва А при т-ре процесу, p_в - тиск водяної пари), т. е. загальний тиск є лінійної ф-цією р_в. і в-во А можна відганяти при будь-т-ре, варіюючи відносить. витрата водяної пари або інертного газу G_уд. Останній визначається співвідношенням:

Відео: Юний хімік. Що таке дистилят?

де M_в і M_А - мовляв. маса води (інертного газу) і відганяють в-ва, j lt; 1 - ступінь насичення водяної пари або інертного газу парами відганяють в-ва в порівнянні з рівноважною ступенем насичення. При дистиляції в струмі водяної пари утворюється парова суміш, к-раю потім конденсується і охолоджується. Конденсат розділяється в сепараторі на відігнаний компонент і воду. Цільовий продукт виділяється з конденсату тим легше і повніше, ніж менше його р-рімость в воді. Якщо вона значна, доводиться відганяти з води цільової продукт і піддавати його осушення (застосовують і ін. Способи, напр. Висолювання). Ці труднощі відпадають при використанні інертного газу. Однак ускладнюється виділення відганяють в-ва з утворюється парогазової суміші внаслідок необхідності охолодження її до низької т-ри, а нагрівання і охолоджування газу вимагають застосування теплообмінних апаратів з великою площею пов-сті через низькі коеф. тепловіддачі від стінки до газу і від газу до стінки. Тому даний метод застосовується, коли дистиляція під вакуумом скрутна або неможлива і проводиться в ємнісних апаратах, забезпечених барботажний пристроями для рівномірного розподілу пари або газу в об`ємі рідини.

Мал. 3. Лабораторна установка для простої дистиляції: 1 - перегінна колба - 2 - термометр - 3 - холодильник (конденсатор) - 4 - збірник дистиляту.

При простий дистиляції контролюються кількість рідини в апараті, т-ра її кипіння. по к-рій судять про склад, і швидкість відгону дистиляту. Регульовані параметри - кількість вихідної суміші, витрати теплоносія. подається в дистиляції. апарат, і холодоагенту. використовуваного для конденсації відганяти пара і охолодження конденсату. При дистиляції в струмі водяної пари регулюється також його витрата. При безперервної дистиляції регульованими параметрами, крім перерахованих, є витрати вихідної суміші і продуктів поділу. При дистиляції з дефлегмацією додатково регулюється витрата флегми шляхом зміни витрати холодоагенту. що надходить в дефлегматор. У лаб. практиці застосовують всі способи дистиляції. Конструкції приладів, виготовлених зазвичай зі скла, дуже різноманітні і вибір їх визначається гл. обр. фіз.-хім. св-вами, і кол-вом розділяється суміші. Для дистиляції сумішей в кол-вах від дек. мг до 1 г використовують капіляри, трубки з кулястими розширеннями і маленькі колби. При більшому кол-ве вихідної суміші застосовують, як правило, апарати у вигляді колб відповідних розмірів. Типова лаб. установка для дистиляції при атм. тиску показана на рис. 3. Просту дистиляцію використовують в хім. ліс. фармацевтичних. і ін. галузях пром-сті для грубого розділення сумішей на фракції, коли не пред`являються високі вимоги до чистоти одержуваних продуктів, а також для очищення рідких сумішей від нелетких або малолетучих прімесей- в металургії - для відгону з руд або рудних концентратів летючих металів (напр . Hg і Zn). Дистиляцію з дефлегмацією застосовують в нафтопереробці і лаб. практиці, дистиляцію з водяною парою - в хім. нефтехим. парфум. і ін. галузях пром-сті для відгону висококиплячих компонентів з вузьких сумішей, що містять значить. кол-ва твердих або малолетучих рідких в-в.
Молекулярна дистиляція. Заснована на залежності швидкості випаровування в-ва від його мовляв. маси при т-рах нижче т-ри кипіння рідини і низьких тисках (lt; 0,13 Па). При таких тисках довжина своб. пробігу молекул порівнянна з відстанню між пов-ня випаровування рідини і конденсації пари. При цьому молекули соударяются відносно рідко і рухаються практично незалежно один від одного, а витрата і склад парової суміші визначається швидкостями випаровування окремих компонентів. Швидкість випаровування чистого в-ва з мовляв. масою М при т-ре T розраховується за ур-нію Кнудсена-Ленгмюра:

де р - тиск пара в-ва при т-ре рідини. Швидкість випаровування компонента суміші менше, ніж чистого в-ва, і пропорційна його мовляв. частці в суміші. При цьому:

т. е. на відміну від умов поділу сумішей за допомогою звичайної дистиляції, a _ik залежить не тільки від тиску парів чистих компонентів при т-ре процесу, а й від їх мовляв. маси. Це дозволяє розділяти суміші, використовуючи розходження мовляв. мас компонентів при відносно низьких т-рах. Процес включає перенесення молекул яка випаровується компонента з об`єму рідини до пов-сті випаровування. випаровування молекул. перенесення їх в обсязі парової фази від пов-сті випаровування до пов-сті конденсації і конденсацію. Оскільки при молекулярної дистиляції рідина не кипить, перемішування паровими бульбашками, характерне для звичайної дистиляції, відсутня, і перенесення в-ва в об`ємі рідини здійснюється переважно. шляхом мовляв. дифузії. Т. к. Цей процес більш повільний, ніж випаровування з пов-сті, рідина з боку пов-сті збіднюється щодо більш летючими компонентами і в ній виникає градієнт концентрацій. що погіршує умови поділу суміші. Для запобігання цьому зменшують товщину шару рідини і забезпечують її перемішування. Швидкість випаровування молекул з пов-сті рідини визначається її т-рій: чим вона вища, тим більше тиск пара і швидкість випаровування. Однак при збільшенні тиску пара зменшується довжина своб. пробігу молекул і зростає частота їх зіткнень, що призводить до зниження ефективності поділу суміші. З метою її підвищення дистиляцію проводять при тисках вищих, ніж ті, при яких молекули досягають пов-сті конденсації без зіткнень. Кожній суміші відповідає певна оптим. т-ра, при якій досягається наиб. ступінь поділу. Для оцінки останньої використовують уявлення про теоретич. мовляв. тарілці. під к-рій розуміється пристрій, що забезпечує отримання дистиляту з відносить. вмістом компонентів, відповідним співвідношенням швидкостей їх випаровування при даній т-ре, а склад рідини у всьому її обсязі однаковий, т. е. рідина ідеально перемішана. В виробництв. умовах при одноразовому випаровуванні ступінь поділу коливається від 0,3 до 0,95 теоретич. тарілки. Конденсація на охолоджувальної пов-сті не є лімітуючої стадією процесу, т. К. Т-ра цій пов-сті підтримується як мінімум на 30-40 ° С нижче т-ри рідини.

Мал. 4. Апарат для молекулярної дистиляції. 1,2 - внутрішня обігрівається і зовнішня охлаждаемая трубки- 3 - сорочка.

В апараті для молекулярної дистиляції (рис. 4) вихідна суміш розподіляється у вигляді плівки на зовнішньої пов-сті внутр. трубки, к-раю обігрівається подається в неї теплоносієм. На відстані 10-30 мм від цієї трубки знаходиться трубка, забезпечена сорочкою, в к-рую подається холодоагент. Кубовий залишок і дистилят, отриманий на охолоджувальної пов-сті, відводяться знизу. Для підтримки необхідного залишкового тиску робочий простір апарату пов`язане з вакуумною системою. За способом створення плівки розрізняють апарати зі стікає рідиною і відцентрові (пром. - з ротором діаметром до 3 м), що дозволяють переробляти за 1 год від мікрокількостей до 1 т суміші. Для підвищення ефективності поділу дистиляції. апарати можуть забезпечуватися двома або більше конденсаторами, що працюють при разл. т-рах, що дає можливість розділяти суміш на дек. фракцій. Застосовують також багатоступінчасті протиточні апарати, ступінь поділу суміші в яких брало у багато разів більше, ніж в одноступінчатих. Робочі параметри процесу: контрольовані - витрата вихідної суміші, швидкість відгону дистиляту, т-ра випаровується рідини. т-ра холодоагенту. використовуваного для охолодження пов-сті конденсації. і тиск. регульовані - витрати вихідної суміші, теплоносія і холодоагенту. У лабораторіях використовують періодичну дистиляцію для поділу невеликих кол-в (кілька мг) сумішей термічно стійких в-в і безперервну дистиляцію для перегонки значить. кол-в (десятки і сотні г) термолабільних в-в. У першому випадку апаратом зазвичай служить обігрівається колба з внутрішнім або без конденсатора, у другому - циліндричні. випарник (трубка) з конденсатором, забезпеченим охолоджуючої сорочкою. Молекулярну дистиляцію застосовують для розділення і очищення сумішей малолетучих і термічно нестійких в-в, напр. при виділенні вітамінів з риб`ячого жиру. ростить. масел і в произове вакуумних масел. Див. Також Дистиляція нафти. Ректифікація.
===
Ісп. література для статті «Дистиляції». Коган В. Б. Теоретичні основи типових процесів хімічної технології. Л. 1977- Гельперин Н. І. Основні процеси і апарати хімічної технології. кн. 1-2, М. 1981. В. Б. Коган.