Destillation

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 1. januar 2020; checks kræver 17 redigeringer .

Destillation ( lat.  stillare  - "dryp" fra lat.  stilla  - "drop" og præfikset "de-", hvilket betyder "fjernelse" [1] ) - destillation, fordampning af en væske , efterfulgt af afkøling og kondensering af dampe . Destillation betragtes primært som en teknologisk proces til adskillelse og raffinering af multikomponentstoffer - i en række andre processer med fasetransformation og masseoverførsel: sublimering , krystallisation, væskeekstraktion og nogle andre. Der skelnes mellem destillation med kondensation af damp til en væske (hvori det resulterende destillat har en gennemsnitlig sammensætning på grund af blanding) og destillation med kondensation af damp til en fast fase (hvor der sker en fordeling af koncentrationen af ​​komponenter). i kondensatet). Produktet af destillation er et destillat eller en rest (eller begge dele), afhængigt af destillatet og formålet med processen. Hoveddelene af destillationsanordningen er en opvarmet beholder (terning) til den destillerede væske, en afkølet kondensator (køleskab) og en opvarmet damprørledning, der forbinder dem.

Historie

De første oplysninger om destillation går tilbage til det 1. århundrede og er nævnt i græske alkymisters værker i Alexandria (Ægypten) [2] . I det 11. århundrede, i Avicenna , nævnes destillation som en metode til at opnå æteriske olier . Siden midten af ​​1800-tallet er der udviklet rektifikation .

Ansøgning

Destillation anvendes i industrien og i laboratoriepraksis til adskillelse og raffinering af komplekse stoffer: til adskillelse af blandinger af organiske stoffer (f.eks. adskillelse af olie til benzin , petroleum , dieselbrændstof osv.; opnåelse af duftstoffer i parfumeri; rensning af ethyl alkohol ) og til at opnå uorganiske stoffer med høj renhed (f.eks. metaller : beryllium , bly , zink , magnesium , cadmium , kviksølv ; og ikke-metaller : svovl , selen osv.).

Destillationsteori

I teorien om destillation betragtes primært adskillelsen af ​​blandinger af to stoffer [1] . Princippet om destillation er baseret på det faktum, at koncentrationen af ​​en bestemt komponent i en væske adskiller sig fra dens koncentration i dampen af ​​denne væske. Forholdet = er et kendetegn ved processen og kaldes separationsfaktoren (eller fordelingen) under destillation. (Separationsfaktoren under destillation kaldes også værdien ). Separationsfaktoren afhænger af arten af ​​de komponenter, der skal adskilles, og destillationsbetingelserne. Afhængigt af destillationsbetingelserne er der ideelle (bestemt kun af partielle damptryk af rene komponenter), ligevægt (når antallet af partikler, der forlader væsken pr. tidsenhed, er lig med antallet af partikler, der vender tilbage til væsken på samme tid) og effektive adskillelseskoefficienter. I praksis afhænger destillationen af ​​stoffer stærkt af intensiteten af ​​blandingen af ​​væsken, såvel som af interaktionen af ​​urenheder med hovedkomponenten og med andre urenhedskomponenter for at danne forbindelser (i forbindelse med hvilken destillation betragtes som en fysisk-kemisk proces) . Den effektive adskillelseskoefficient for blandingen "grundstof - urenhed" kan afvige med flere størrelsesordener fra den ideelle adskillelseskoefficient.

Destillationstilstande er karakteriseret ved fordampningstemperaturen og graden af ​​afvigelse fra væske-dampfaseligevægten. Normalt i destillationsprocessen , hvor  er antallet af partikler af et stof, der passerer per tidsenhed fra væske til damp,  er antallet af partikler, der vender tilbage på samme tid fra damp til væske,  er antallet af partikler, der passerer ind i kondensat på dette tidspunkt . Forholdet er en indikator for processens afvigelse fra ligevægt. Begrænsende er de tilstande, hvori (væskedampsystemets ligevægtstilstand) og (molekylær destillationsmåde).

Den ideelle separationsfaktor for et to-komponent stof kan udtrykkes i form af tryk og rene komponenter ved procestemperaturen: . Under hensyntagen til komponenternes aktivitetskoefficienter og , som afspejler komponenternes interaktion i væsken, separationsfaktoren . Aktivitetskoefficienter har temperatur- og koncentrationsafhængighed (se aktivitet (kemi) ). Når temperaturen falder, bevæger værdien af ​​separationsfaktoren sig normalt væk fra enhed, det vil sige, at separationseffektiviteten øges.

Ved passerer alle fordampende partikler ind i kondensat (molekylær destillationstilstand). I denne tilstand er separationsfaktoren , hvor og  er molekylvægtene af henholdsvis den første og anden komponent. Bestemmelsen af ​​den molekylære destillationsmåde er mulig ved værdien , hvor  er afstanden fra fordamperen til kondensatoren,  er den gennemsnitlige frie vej for molekylerne af det destillerede stof,  er en konstant afhængig af apparatets design. Ved observeres molekylær fordampning, ved etableres dynamisk ligevægt mellem væske og damp, og ved andre værdier har fordampning en mellemkarakter. Den molekylære destillationstilstand kan bruges i forskellige destillationsprocesser, herunder rektifikation . Typisk udføres molekylær destillation i vakuum ved lavt damptryk og med kondensationsoverfladen tæt på fordampningsoverfladen (hvilket forhindrer damppartiklerne i at kollidere med hinanden og med partikler fra atmosfæren). Metaller destilleres på en måde tæt på molekylær destillation. På grund af det faktum, at separationsfaktoren ved molekylær destillation ikke kun afhænger af komponenternes partialtryk, men også af deres molekylære (eller atomare) masser, kan molekylær destillation bruges til at adskille blandinger, for hvilke , er azeotrope blandinger , herunder blandinger af isotoper .

I det generelle tilfælde er den matematiske beskrivelse af destillation (og sublimation) repræsenteret som et ligningssystem indeholdende to parametre: den effektive separationsfaktor β og Peclet-diffusionstallet Pe=w(T)X / ρD(T) , hvor w er et stofs fordampningshastighed fra overflader; D er urenhedsdiffusionskoefficienten; X er størrelsesfaktoren af ​​det fordampede materiale (f.eks. tykkelsen af ​​laget af det fordampede materiale); ρ er stoffets tæthed. På grund af ligningernes kompleksitet kan deres løsning kun findes ved numeriske metoder. I et simpelt tilfælde, når destillation udføres under betingelser med intensiv blanding af den fordampede væske (og kondensat), når Pe = 0 eller lille, er ligningerne vedrørende indholdet af den anden komponent i kondensatet og i resten med fraktionen af destillation eller med fraktionen af ​​rest under givne procesbetingelser og kendte begyndelsesvæskekoncentrationer ( , og  er henholdsvis kondensatets og restmassen samt startmassen af ​​det destillerede stof) har en simpel form med en parameter β.

Ved destillation af et stof med en høj koncentration af komponenter (med kondensering af damp til en væske), med en lille afhængighed af komponenternes aktivitetskoefficienter af deres koncentrationer, forholdet mellem værdierne og , når procentkoncentrationer anvendes , har formen:

Til destillation med damp-til-væske kondensation ved lavt indhold af urenheder

=

hvor  er separationsfaktoren.

Ligninger er også udledt for fordelingen af ​​komponenter i et fast kondensat opnået ved destillation med retningsbestemt størkning af kondensatet eller ved zonedestillation.

Det bemærkes, at destillationsligninger ikke kun beskriver processerne for fordeling af komponenter i "væske-damp"-systemer, men også i andre kontaktfaser (f.eks. "flydende krystal-krystal", "flydende krystal-væske", "gas- plasma"-overgange, og også overgange forbundet med kvantemekaniske tilstande - superfluid væske , Bose-Einstein-kondensat ) - når de passende separationsfaktorer er substitueret i dem.

Destillation med kondensation af damp til væske

Simpel destillation  er den delvise fordampning af en flydende blanding ved kontinuerlig fjernelse og kondensering af de resulterende dampe i et køleskab. Det resulterende kondensat kaldes destillatet, og den ufordampede væske kaldes bundene.

Fraktioneret destillation (eller fraktioneret destillation) er adskillelsen af ​​multikomponent flydende blandinger i dele, fraktioner, der er forskellige i sammensætning, ved at opsamle kondensat i dele med forskellig flygtighed, begyndende fra den første, beriget med en lavtkogende komponent. Resten af ​​væsken er beriget med en højtkogende komponent. For at forbedre adskillelsen af ​​fraktioner anvendes en tilbagesvaler .

Rektifikation  er en destillationsmetode, hvor en del af det flydende kondensat (slim) konstant vender tilbage til kuben og bevæger sig mod dampen i kolonnen . Som et resultat af dette passerer urenhederne indeholdt i dampen delvist ind i slim og vender tilbage til kuben, mens renheden af ​​dampen (og kondensatet) øges.

Destillation med kondensation af damp til den faste fase

Destillation med dampkondensation i en temperaturgradient  er en destillationsproces, hvor kondensation til en fast fase udføres på en overflade med en temperaturgradient, med gentagen fordampning af damppartikler. Mindre flygtige komponenter udfældes ved højere temperaturer. Som følge heraf fordeles urenheder langs temperaturgradienten i kondensatet, og den reneste del af kondensatet kan isoleres som et produkt. Adskillelsen af ​​dampkomponenter under geninddampning følger dens egne love. Så ved molekylær destillation udtrykkes forholdet mellem mængderne af og aflejret i kondensatoren af ​​henholdsvis den første og anden komponent ved ligheden:

hvor og  er fordampningshastighederne for den første komponent fra henholdsvis smelten og fra geninddampningsoverfladen, og  er de samme for den anden komponent, og  er kondensationskoefficienterne for henholdsvis den første og anden komponent  er en koefficient afhængig af fordampningsoverfladen og vinklerne for fordampning og genfordampning. Geninddampning øger effektiviteten af ​​oprensning fra svært at fjerne lav-flygtige urenheder med en faktor på 2-5, og fra meget flygtige urenheder med en størrelsesorden eller mere (sammenlignet med simpel destillation). Denne type destillation har fundet anvendelse i industriel produktion af højrent beryllium.

Destillation med retningsbestemt størkning af kondensat (destillation med destillattræk)  er en destillationsproces i en aflang beholder med fuldstændig smeltning af det destillerede stof og kondensering af damp til en fast fase, når kondensatet trækkes ind i det kolde område. Processen er udformet teoretisk.

I det resulterende kondensat opstår en ujævn fordeling af urenheder, og den reneste del af kondensatet kan isoleres som et produkt. Processen er en destillationsanalog af normal retningsbestemt krystallisation. Urenhedsfordelingen i kondensatet er beskrevet ved ligningen:

hvor  er urenhedskoncentrationen i destillatet på afstand fra begyndelsen,  er højden af ​​kondensatet, når det destillerede materiale er fuldstændigt fordampet.

Zonedestillation  er en destillationsproces i en aflang beholder, hvor smeltningen af ​​kun den øverste del af det raffinerede stof i væskezonen bevæger sig nedad, hvor dampen kondenserer til en fast fase, når kondensatet kommer ud i det kolde område. Processen er udformet teoretisk.

Når zonevarmeren bevæger sig langs beholderen fra top til bund, dannes der fast kondensat i beholderen med en ujævn fordeling af urenheder, og den reneste del af kondensatet kan isoleres som et produkt. Processen kan gentages mange gange, hvortil kondensatet opnået i den foregående proces skal flyttes (uden at vælte) til bunden af ​​beholderen i stedet for at stoffet raffineres. Den ujævne fordeling af urenheder i kondensatet (det vil sige renseeffektiviteten) øges med en stigning i antallet af gentagelser af processen.

Zonedestillation er en destillationsanalog af zoneomkrystallisation. Fordelingen af ​​urenheder i kondensatet er beskrevet af de velkendte ligninger for zoneomkrystallisation med et givet antal zonepassager - når fordelingskoefficienten for krystallisation erstattes af separationskoefficienten for destillation. Så efter en passage af zonen

hvor  er urenhedskoncentrationen i kondensatet i en afstand fra begyndelsen af ​​kondensatet, og  er længden af ​​væskezonen.

Ekstraktiv destillation (destillation med et tilsætningsstof) og andre specielle destillationsteknikker

Effektiviteten af ​​destillationsrensning kan øges ved at indføre en yderligere komponent i base-urenhedssystemet (normalt i en koncentration på 0,5 ... 10%), hvilket ændrer den relative flygtighed af urenheden. En variation af metoden er destillation i en atmosfære af det aktive stof, primært vanddamp.

Andre specielle teknikker til at øge effektiviteten af ​​enkeltdestillation bruges også - såsom en varm kondensator, en kondensator med en temperaturgradient og dannelsen af ​​et oxidlag på overfladen af ​​den fordampede væske.

Det bemærkes, at effektiviteten af ​​at bruge specielle destillationsteknikker afhænger af værdien af ​​den ideelle separationsfaktor i det destillerede binære system: det er mindre i systemer, hvor den ideelle separationsfaktor er tættere på enhed.

Se også

Noter

  1. 1 2 Destillation / V. L. Pebalk // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  2. Forbes, Robert James. En kort historie om destillationskunsten: fra begyndelsen til Cellier Blumenthals død  . - BRILL, 1970. - ISBN 978-90-04-00617-1 .

Litteratur