![]() |
|
|
ДИСТИЛЛЯЦИЯДИСТИЛЛЯЦИЯ (от латинского distillatio - стекание каплями) (перегонка), разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Основана на различии в составах жидкости и образующегося из нее пара. Осуществляется путем частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) компонентами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) - менее летучими (высококипящими). Если из исходной смеси отгоняется не одна фракция, а несколько, ДИСТИЛЛЯЦИЯ называют фракционной (дробной).
Дистилляц. установка состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к раствору необходимого кол-ва теплоты; дефлегматора 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной ДИСТИЛЛЯЦИЯ); конденсатора 3 для сжижения отбираемого пара; холодильника 4; сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6 (рис. 1). В зависимости от условий процесса различают простую и молекулярную ДИСТИЛЛЯЦИЯ
Простая дистилляция. Проводится при таких давлениях, когда длина свободный пробега молекул во много раз меньше, чем расстояние между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. Температура процесса при заданном давлении определяется условиями фазового равновесия между жидкостью и паром. При необходимости снижения температуры применяют ДИСТИЛЛЯЦИЯ под вакуумом, а также с водяным паром или инертным газом (см. ниже). Распределение компонентов смеси между жидкостью и паром характеризуется коэффициент относит. летучести: aik = (yi/xi):(yk/xk), (1) где хi и xk, уi и yk - содержания компонентов i и k соответственно в жидкости и образующемся из нее паре. Состав последнего определяется свойствами и межмолекулярным взаимодействием компонентов. При небольших давлениях, когда пар с достаточной для практическое целей точностью подчиняется законам идеальных газов, в состоянии равновесия aik = (pi0/pk0) (gi/gk), (2)
где pi0 и pk0 - давления паров чистых компонентов i и k при температуре кипения смеси, gi и gk - коэффициент активности этих компонентов в жидкой фазе. При высоких давлениях учитывается неидеальность пара.
Д. осуществляется периодически (исходная смесь загружается в аппарат однократно или подается в него в течение определенного времени, дистиллят отбирается в ходе процесса, а кубовый остаток выгружается после его завершения) или путем непрерывных подачи исходной смеси и отбора продуктов разделения (дистиллята и кубового остатка). Взаимосвязь кол-ва W0и и расхода Wн исходной смеси, расхода отводимого в конденсатор пара G, кол-в дистиллята Wд и кубового остатка Wк, а также содержаний произвольного i-го компонента в исходной смеси xiи, дистилляте хiд и кубовом остатке хiк выражается уравениями материального баланса. При постоянном Wн/G = Y
Wи = Wк + Wд; Wиxiн = Wкxiк + Wдxiд . (5)
При расчете ДИСТИЛЛЯЦИЯ всегда бывают заданы количество (или расход) исходной смеси, ее состав, а также условия, определяющие конечный результат процесса. В соответствии с его назначением может быть заданы количество (или расход) кубового остатка (искомые величины - Wд, xiд и xiк), состав дистиллята xiд (хiк, Wд и Wк) либо кубового остатка xiк ( Wд, Wк и xiд). Неизвестные параметры рассчитывают совместным решением уравений материального баланса с учетом зависимости между составами контактируемых пара (yi) и жидкости (xi). Эта зависимость определяется свойствами смесей, условиями процесса и его аппаратурным оформлением.
Аппараты, применяемые для ДИСТИЛЛЯЦИЯ, делят на емкостные и пленочные. В емкостных аппаратах находится большой объем жидкости, интенсивно перемешиваемой в результате кипения. Состав образующегося пара близок к равновесному и определяется по уравению:
При немедленном отводе образующегося пара (тепло- и массообмен с жидкостью исключены) уравение (7) превращается в уравение простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ Поскольку Коу > 0, знак второго слагаемого в правой части этого уравения зависит от характера относит. движения фаз. Вследствие преимуществ. превращения в пар относительно более летучих компонентов содержание их в жидкости постепенно снижается, и она обогащается относительно менее летучими компонентами. Соотв. уменьшается содержание низкокипящих компонентов в равновесном паре. Поэтому при одинаковом направлении движения жидкости и пара последний поступает в произвольное по высоте сечение аппарата с содержанием низкокипящих компонентов уi, превышающим их содержание уip в паре, равновесном с жидкостью, которая проходит через то же сечение. Из-за градиента концентраций уi-уip возникают поток относительно более летучих компонентов из пара в жидкость и встречный поток относительно менее летучих компонентов из жидкости в пар. При большой скорости массообмена состав пара на выходе из аппарата приближается к равновесному с жидкостью конечного состава. При встречном движении фаз через произвольное сечение аппарата проходит пар с меньшим содержанием низкокипящих компонентов, чем отвечающее равновесию с жидкостью в этом сечении. Поэтому благодаря массообмену из жидкости в пар переходят главным образом низкокипящие, а в противоположном направлении - высококипящие компоненты. В результате на выходе из аппарата пар по составу приближается к равновесному с исходной смесью, имеющей наиболее содержание низкокипящих компонентов, т. е. достигается дополнительное по сравнению с простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ разделение смеси. Расход теплоты на простую ДИСТИЛЛЯЦИЯ определяется по уравению теплового баланса. Площадь поверхности нагрева испарителя находится из уравения теплопередачи с учетом изменения коэффициент теплопередачи и разности температур теплоносителя и кипящей жидкости с изменением ее состава во времени (при периодической ДИСТИЛЛЯЦИЯ) или по высоте (при непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ). При ДИСТИЛЛЯЦИЯ с дефлегмацией (конденсация преимущественно высококипящих компонентов при охлаждении смесей с целью их обогащения низкокипящими компонентами) связь состава пара уi, поступающего из испарителя в дефлегматор (рис. 1), с составами возвращаемой жидкости (флегмы) хiф и пара уiф, направляемого в конденсатор, определяется конструкцией и режимом работы дефлегматора. Обычно принимают, что выходящие из него жидкость и пар находятся в равновесии. Тогда взаимосвязь xiф и yiф описывается уравением (6), а кол-ва и состава жидкости в аппарате - уравением (4), в которое вместо уi подставляют уiф. Большая, чем при простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ, степень разделения смеси достигается благодаря частичной конденсации пара, образующегося в испарителе, и соответствующего увеличения расхода теплоты. Для отгонки из смесей высококипящих веществ с целью понижения температуры процесса используют ДИСТИЛЛЯЦИЯ с водяным паром или инертным газом. Она основана на законе Дальтона, согласно которому давление паров над смесью р равно сумме парциальных давлений паров компонентов. Если отгоняемое вещество А не смешивается с водой, то р = рA0 + pв (рA0 - давление пара чистого вещества А при температуре процесса, pв - давление водяного пара), т. е. общее давление является линейной функцией рв, и вещество А можно отгонять при любой температуре, варьируя относит. расход водяного пара или инертного газа Gуд . Последний определяется соотношением: Gуд = pвMв/рA0MAj, (8) где Mв и MА - молекулярная масса воды (инертного газа) и отгоняемого вещества, j < 1 - степень насыщения водяного пара или инертного газа парами отгоняемого вещества по сравнению с равновесной степенью насыщения. При ДИСТИЛЛЯЦИЯ в токе водяного пара образуется паровая смесь, которая затем конденсируется и охлаждается. Конденсат разделяется в сепараторе на отогнанный компонент и воду. Целевой продукт выделяется из конденсата тем легче и полнее, чем меньше его растворимость в воде. Если она значительна, приходится отгонять из воды целевой продукт и подвергать его осушке (применяют и др. способы, например, высаливание). Эти затруднения отпадают при использовании инертного газа. Однако усложняется выделение отгоняемого вещества из образующейся парогазовой смеси вследствие необходимости охлаждения ее до низкой температуры, а нагревание и охлаждение газа требуют применения теплообменных аппаратов с большой площадью поверхности из-за низких коэффициент теплоотдачи от стенки к газу и от газа к стенке. Поэтому данный метод применяется, когда ДИСТИЛЛЯЦИЯ под вакуумом затруднительна или невозможна и проводится в емкостных аппаратах, снабженных барботажными устройствами для равномерного распределения пара или газа в объеме жидкости.
Рис. 3. Лабораторная установка для простой дистилляции: 1 - перегонная колба; 2 - термометр; 3 - холодильник (конденсатор); 4 - сборник дистиллята.
При простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ контролируются количество жидкости в аппарате, температура ее кипения, по которой судят о составе, и скорость отгонки дистиллята. Регулируемые параметры - количество исходной смеси, расходы теплоносителя, подаваемого в дистилляц. аппарат, и хладагента, используемого для конденсации отгоняемого пара и охлаждения конденсата. При ДИСТИЛЛЯЦИЯ в токе водяного пара регулируется также его расход. При непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ регулируемыми параметрами, кроме перечисленных, являются расходы исходной смеси и продуктов разделения. При ДИСТИЛЛЯЦИЯ с дефлегмацией дополнительно регулируется расход флегмы путем изменения расхода хладагента, поступающего в дефлегматор.
В лабораторная практике применяют все способы ДИСТИЛЛЯЦИЯ Конструкции приборов, изготовляемых обычно из стекла, весьма разнообразны и выбор их определяется главным образом физических-химический свойствами, и количеством разделяемой смеси. Для ДИСТИЛЛЯЦИЯ смесей в кол-вах от несколько мг до 1 г используют капилляры, трубки с шарообразными расширениями и маленькие колбы. При большем кол-ве исходной смеси применяют, как правило, аппараты в виде колб соответствующих размеров. Типичная лабораторная установка для ДИСТИЛЛЯЦИЯ при атм. давлении показана на рис. 3.
Простую ДИСТИЛЛЯЦИЯ используют в химический, лесохимический, фармацевтич. и др. отраслях промышлености для грубого разделения смесей на фракции, когда не предъявляются высокие требования к чистоте получаемых продуктов, а также для очистки жидких смесей от нелетучих или малолетучих примесей; в металлургии - для отгонки из руд или рудных концентратов летучих металлов (например, Hg и Zn). ДИСТИЛЛЯЦИЯ с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лабораторная практике, ДИСТИЛЛЯЦИЯ с водяным паром - в химический, нефтехимический, парфюм. и др. отраслях промышлености для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значительной кол-ва твердых или малолетучих жидких веществ.
В аппарате для молекулярной ДИСТИЛЛЯЦИЯ (рис. 4) исходная смесь распределяется в виде пленки на наружной поверхности внутр. трубки, которая обогревается подаваемым в нее теплоносителем. На расстоянии 10-30 мм от этой трубки находится трубка, снабженная рубашкой, в к-рую подается хладагент. Кубовый остаток и дистиллят, полученный на охлаждаемой поверхности, отводятся снизу. Для поддержания требуемого остаточного давления рабочее пространство аппарата соединено с вакуумной системой. По способу создания пленки различают аппараты со стекающей жидкостью и центробежные (пром. - с ротором диаметром до 3 м), позволяющие перерабатывать за 1 ч от микроколичеств до 1 т смеси. Для повышения эффективности разделения дистилляц. аппараты могут снабжаться двумя или более конденсаторами, работающими при различные температурах, что дает возможность разделять смесь на несколько фракций. Применяют также многоступенчатые противоточные аппараты, степень разделения смеси в которых во много раз больше, чем в одноступенчатых.
Рабочие параметры процесса: контролируемые - расход исходной смеси, скорость отгонки дистиллята, температура испаряющейся жидкости, температура хладагента, используемого для охлаждения поверхности конденсации, и давление, регулируемые - расходы исходной смеси, теплоносителя и хладагента.
В лабораториях используют периодическую ДИСТИЛЛЯЦИЯ для разделения небольших кол-в (несколько мг) смесей термически стойких веществ и непрерывную ДИСТИЛЛЯЦИЯ для перегонки значительной кол-в (десятки и сотни г) термолабильных веществ. В первом случае аппаратом обычно служит обогреваемая колба с внутренним или выносным конденсатором, во втором - цилиндрич. испаритель (трубка) с конденсатором, снабженным охлаждающей рубашкой.
Молекулярную ДИСТИЛЛЯЦИЯ применяют для разделения и очистки смесей малолетучих и термически нестойких веществ, например, при выделении витаминов из рыбьего жира, растит. масел и в производстве вакуумных масел. См. также Дистилляция нефти, Ректификация.
Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей |
[каталог] [статьи] [доска объявлений] [обратная связь] |
|
Введение в химию окружающей среды. Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей
среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги
заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в
разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности.
Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и
атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на
химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах.
Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии
университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга
читателей.
Химия и технология редких и рассеянных элементов. Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов
химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии
лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во
второй
части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана,
лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В
третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия,
тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание
уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В
технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика
рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов
производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие
составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по
1972 год включительно.
|
|