Lepárlás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. január 1-jén felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 17 szerkesztést igényelnek .

Desztilláció ( lat.  stillare  - "csepp" a lat.  stilla  - "csepp" és a "de-" előtag, jelentése "eltávolítás" [1] ) - desztilláció, folyadék elpárologtatása , majd lehűlés és gőzök kondenzációja . A desztillációt elsősorban többkomponensű anyagok elválasztásának és finomításának technológiai eljárásának tekintik - számos más, fázisátalakító és tömegtranszfer folyamatban: szublimáció , kristályosítás, folyadék extrakció és néhány más. Megkülönböztetik a gőz folyadékká kondenzálásával végzett desztillációt (amelyben a kapott desztillátum a keveredés miatt átlagos összetételű) és a gőz szilárd fázisba történő kondenzálásával (amelyben a komponensek koncentrációja eloszlik) a kondenzvízben). A desztilláció terméke a desztillátumtól és az eljárás céljától függően desztillátum vagy maradék (vagy mindkettő). A desztilláló berendezés fő részei a desztillált folyadék számára fűtött tartály (kocka), a hűtött kondenzátor (hűtőszekrény) és az ezeket összekötő fűtött gőzvezeték.

Történelem

A lepárlással kapcsolatos első információk az 1. századból származnak , és az alexandriai (Egyiptom) görög alkimisták munkáiban [2] említik . A 11. században Avicennában a desztillációt emlegetik az illóolajok előállításának egyik módszereként . A 19. század közepe óta a rektifikációt fejlesztették ki .

Alkalmazás

A desztillációt az iparban és a laboratóriumi gyakorlatban alkalmazzák összetett anyagok elválasztására és finomítására: szerves anyagok keverékeinek szétválasztására (például olaj szétválasztására benzinre , kerozinra , dízel üzemanyagra stb.; illatanyagok kinyerése az illatszerekben; etil -oxid tisztítása). alkohol ) és nagy tisztaságú szervetlen anyagok (például fémek : berillium , ólom , cink , magnézium , kadmium , higany ; és nemfémek : kén , szelén stb.) előállítására.

Desztillációs elmélet

A desztilláció elméletében elsősorban két anyag keverékének szétválasztását veszik figyelembe [1] . A desztilláció elve azon a tényen alapul, hogy egy folyadékban egy bizonyos komponens koncentrációja eltér a folyadék gőzében lévő koncentrációjától. Az = arány az eljárás jellemzője, és a desztilláció során elválasztási tényezőnek (vagy eloszlásnak) nevezik. (A desztilláció során alkalmazott elválasztási tényezőt értéknek is nevezzük ). Az elválasztási tényező az elválasztandó komponensek jellegétől és a desztilláció körülményeitől függ. A desztilláció körülményeitől függően létezik ideális (csak a tiszta komponensek parciális gőznyomása határozza meg), egyensúlyi (amikor az egységnyi idő alatt a folyadékot elhagyó részecskék száma megegyezik az egyidejűleg a folyadékba visszatérő részecskék számával) és effektív elválasztási együtthatók. A gyakorlatban az anyagok desztillációja erősen függ a folyadék keveredésének intenzitásától, valamint a szennyeződések kölcsönhatásától a fő komponenssel és más szennyező komponensekkel, hogy vegyületeket képezzenek (amivel összefüggésben a desztillációt fizikai-kémiai folyamatnak tekintik). . Az "alapanyag - szennyeződés" keverék effektív elválasztási együtthatója több nagyságrenddel eltérhet az ideális elválasztási együtthatótól.

A desztillációs módokat a párolgási hőmérséklet és a folyadék-gőz fázis egyensúlytól való eltérés mértéke jellemzi. Általában a desztillációs folyamatban , ahol  egy anyag részecskéinek száma egységnyi idő alatt folyadékból gőzbe jut,  a gőzből folyadékba egyidejűleg visszatérő részecskék  száma, a kondenzátumba átmenő részecskék száma ebben az időben . Az arány a folyamat egyensúlyi állapottól való eltérésének mutatója. A határértékek azok a módok, amelyekben (a folyadék-gőz rendszer egyensúlyi állapota) és (a molekuláris desztilláció módja).

Egy kétkomponensű anyag ideális elválasztási tényezője nyomással és tiszta komponensekkel fejezhető ki a folyamat hőmérsékletén: . Figyelembe véve a komponensek aktivitási együtthatóit és , amelyek a folyadékban lévő komponensek kölcsönhatását tükrözik, az elválasztási tényező . Az aktivitási együtthatók hőmérséklet- és koncentrációfüggők (lásd aktivitás (kémia) ). A hőmérséklet csökkenésével az elválasztási tényező értéke általában eltávolodik az egységtől, vagyis nő az elválasztási hatásfok.

-on minden elpárolgó részecske kondenzátumba megy át (molekuláris desztillációs mód). Ebben a módban az elválasztási tényező , ahol és  az első és második komponens molekulatömege. A desztilláció molekuláris módjának meghatározása az értékkel lehetséges , ahol  az elpárologtató és a kondenzátor közötti távolság,  a desztillált anyag molekuláinak átlagos szabad útja,  a berendezés kialakításától függő állandó. -kor molekuláris párolgás figyelhető meg , -kor dinamikus egyensúly jön létre a folyadék és a gőz között, más értékeknél pedig a párolgás köztes jellegű. A molekuláris desztillációs mód különféle desztillációs eljárásokban használható, beleértve a rektifikációt is . A molekuláris desztillációt jellemzően vákuumban, alacsony gőznyomáson és a párolgási felülethez közeli kondenzációs felülettel végzik (ez megakadályozza, hogy a gőzrészecskék egymással és a légkör részecskéivel ütközzenek). A fémeket a molekuláris desztillációhoz közeli módon desztillálják. Tekintettel arra, hogy a molekuláris desztilláció elválasztási tényezője nemcsak a komponensek parciális nyomásától, hanem molekula- (vagy atom-) tömegétől is függ, a molekuláris desztilláció olyan keverékek elválasztására használható, amelyekhez azeotróp keverékek tartoznak, beleértve a keverékeket is. az izotópok .

Általános esetben a desztilláció (és a szublimáció) matematikai leírását egyenletrendszerként ábrázoljuk, amely két paramétert tartalmaz: a β effektív elválasztási tényezőt és a Peclet diffúziós számot Pe=w(T)X / ρD(T) , ahol w az anyag felületekről történő párolgási sebessége; D a szennyeződés diffúziós együtthatója; X az elpárolgott anyag mérettényezője (például az elpárolgott anyag rétegének vastagsága); ρ az anyag sűrűsége. Az egyenletek bonyolultsága miatt megoldásukat csak numerikus módszerekkel lehet megtalálni. Egy egyszerű esetben, amikor a desztillációt az elpárolgott folyadék (és a kondenzátum) intenzív keverésének körülményei között végezzük, amikor Pe = 0 vagy kicsi, az egyenletek a kondenzátumban és a maradékban lévő második komponens tartalmát a frakcióval viszonyítják. a desztilláció vagy a maradék frakciója adott folyamatkörülmények és ismert kezdeti folyadékkoncentráció ( és  a kondenzátum és a maradék tömege, valamint a desztillált anyag kezdeti tömege) egyszerű formájú, egy paraméter β.

Nagy komponenskoncentrációjú anyag desztillálásakor (a gőz folyadékká kondenzálásával), a komponensek aktivitási együtthatóinak enyhe függésével a koncentrációktól, az értékek közötti összefüggéstől , és százalékos koncentrációk alkalmazásakor , a következő formában van:

Gőz-folyadék kondenzációs desztillációhoz alacsony szennyeződés tartalom mellett

=

hol  van az elválasztási tényező.

Egyenletek származnak a komponensek eloszlására is egy szilárd kondenzátumban, amelyet a kondenzátum irányított megszilárdulásával vagy zónadesztillációval nyert desztillációval nyernek.

Meg kell jegyezni, hogy a desztillációs egyenletek nemcsak a komponensek „folyadék-gőz” rendszerekben való eloszlásának folyamatait írják le, hanem más érintkezési fázisokat is (például „folyadékkristály-kristály”, „folyadékkristály-folyadék”, „gáz- plazma" átmenetek, valamint a kvantummechanikai állapotokhoz kapcsolódó átmenetek - szuperfolyékony folyadék , Bose-Einstein kondenzátum ) -, amikor a megfelelő elválasztási tényezőket helyettesítik bennük.

Desztilláció gőz kondenzációjával folyadékká

Az egyszerű desztilláció  egy folyékony keverék részleges elpárologtatása a keletkező gőzök folyamatos eltávolításával és hűtőben történő kondenzálásával. A keletkező kondenzátumot desztillátumnak, a nem elpárolgott folyadékot fenéknek nevezzük.

A frakcionált desztilláció (vagy frakcionált desztilláció) a többkomponensű folyékony keverékek szétválasztása különböző összetételű részekre, frakciókra úgy, hogy a kondenzátumot különböző illékonyságú részekre gyűjtik, az elsőtől kezdve, alacsony forráspontú komponenssel dúsítva. A folyadék többi részét magas forráspontú komponenssel dúsítják. A frakciók szétválasztásának javítására visszafolyató hűtőt használnak .

A rektifikálás egy olyan desztillációs módszer, amelyben a folyékony kondenzátum egy része (váladék) folyamatosan visszatér a kockába, az oszlopban  lévő gőz felé haladva. Ennek eredményeként a gőzben lévő szennyeződések részben a váladékba kerülnek és visszakerülnek a kockába, miközben a gőz (és a kondenzátum) tisztasága megnő.

Desztilláció gőz kondenzációjával szilárd fázisba

A gőzkondenzációval történő desztilláció hőmérséklet-gradiensben  olyan desztillációs eljárás, amelyben a szilárd fázissá történő kondenzációt hőmérséklet-gradienssel rendelkező felületen hajtják végre, a gőzrészecskék ismételt ismételt bepárlásával. Magasabb hőmérsékleten kevésbé illékony komponensek válnak ki. Ennek eredményeként a szennyeződések a kondenzátumban a hőmérsékleti gradiens mentén eloszlanak, és a kondenzátum legtisztább része termékként izolálható. A gőzkomponensek szétválasztása az újrapárologtatás során a saját törvényei szerint történik. Tehát a molekuláris desztillációban az első és a második komponens kondenzátorban lerakódott mennyisége közötti arányt a következő egyenlőséggel fejezzük ki:

ahol és  az első komponens párolgási sebessége az olvadékból, illetve az újrapárolgási felületről, és  azonos a második komponensnél, és  az első és a második komponens kondenzációs együtthatója,  egy tényező attól függően, hogy a párolgási felület és a párolgási és újrapárolgási szögek. Az újrapárologtatás 2-5-szörösére növeli a tisztítás hatékonyságát a nehezen eltávolítható, alacsony illékonyságú szennyeződésektől, az erősen illékony szennyeződésektől pedig egy nagyságrenddel vagy annál nagyobb mértékben (az egyszerű desztillációhoz képest). Ez a fajta desztilláció alkalmazásra talált a nagy tisztaságú berillium ipari előállításában.

A desztilláció a kondenzátum irányított megszilárdításával (desztilláció desztillátum húzással)  egy hosszúkás edényben végzett desztillációs folyamat, amelyben a desztillált anyag teljes megolvadása és a gőz kondenzációja szilárd fázisba történik, miközben a kondenzátumot a hideg területre szívják. Az eljárást elméletileg tervezték.

A keletkező kondenzátumban a szennyeződések egyenetlen eloszlása ​​lép fel, és a kondenzátum legtisztább része termékként izolálható. Az eljárás a normál irányított kristályosítás desztillációs analógja. A kondenzátum szennyezőanyag-eloszlását a következő egyenlet írja le:

ahol  a szennyeződés koncentrációja a desztillátumban a kezdettől távol,  a kondenzátum magassága, amikor a desztillált anyag teljesen elpárolgott.

A zóna desztilláció  egy hosszúkás tartályban végzett desztillációs eljárás, amelynek során a folyékony zónában lévő finomított anyagnak csak a felső része olvad meg lefelé, és a gőz szilárd fázisba kondenzálódik, amikor a kondenzátum kilép a hideg zónába. Az eljárást elméletileg tervezték.

Amikor a zónafűtő a tartály mentén fentről lefelé halad, szilárd kondenzátum képződik a tartályban, a szennyeződések egyenetlen eloszlásával, és a kondenzátum legtisztább része termékként izolálható. A folyamat többször is megismételhető, amihez az előző eljárásban nyert kondenzátumot (felborulás nélkül) a finomított anyag helyett a tartály aljára kell mozgatni. A szennyeződések egyenetlen eloszlása ​​a kondenzátumban (vagyis a tisztítási hatékonyság) a folyamat ismétlődési számának növekedésével nő.

A zóna desztilláció a zóna átkristályosítás desztillációs analógja. A kondenzátumban lévő szennyeződések eloszlását a jól ismert zóna átkristályosítás egyenlete írja le, adott számú zóna áthaladással - amikor a kristályosodás eloszlási együtthatóját a desztilláció elválasztási együtthatója helyettesíti . Tehát a zóna egy áthaladása után

ahol  a szennyeződés koncentrációja a kondenzátumban a kondenzátum kezdetétől távol, és  a folyadékzóna hossza.

Extraktív desztilláció (adalékanyaggal végzett lepárlás) és egyéb speciális desztillációs technikák

A desztillációs tisztítás hatékonysága növelhető, ha a bázis-szennyező rendszerbe (általában 0,5 ... 10%-os koncentrációban) további komponenst viszünk be, amely megváltoztatja a szennyeződés relatív illékonyságát. A módszer egyik változata a hatóanyag, elsősorban vízgőz atmoszférában történő desztillációja.

Az egyszeres desztilláció hatékonyságának növelésére más speciális technikákat is alkalmaznak - például forró kondenzátort, hőmérséklet-gradienses kondenzátort, vagy oxidréteget hoznak létre az elpárolgott folyadék felületén.

Megjegyzendő, hogy a speciális desztillációs technikák alkalmazásának hatékonysága a desztillált bináris rendszerben az ideális elválasztási tényező értékétől függ: ez kisebb azokban a rendszerekben, amelyeknél az ideális elválasztási tényező közelebb áll az egységhez.

Lásd még

Jegyzetek

  1. 1 2 Lepárlás / V. L. Pebalk // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  2. Forbes, Robert James. A lepárlás művészetének rövid története: a kezdetektől Cellier Blumenthal haláláig  . - BRILL, 1970. - ISBN 978-90-04-00617-1 .

Irodalom