химический каталог




ДИСТИЛЛЯЦИЯ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ДИСТИЛЛЯЦИЯ (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

Рис. 1. Дистилляционная установка: 1 - испаритель; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4 - холодильник; 5, 6 - сборники соответственно дистиллята и кубового остатка.

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 x, дистилляте х и кубовом остатке х выражается уравениями материального баланса. При постоянном Wн/G = Y

При однократной загрузке смеси (Y = 0) количество жидкости в аппарате изменяется от W0н до Wк, и уравение (3) приводится к уравению Рэлея:

При непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ расходы и составы исходной смеси и продуктов разделения связаны следующей уравениями:

Wи = Wк + Wд; Wиx = Wкx + Wдx . (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, x и x), состав дистиллята x, Wд и Wк) либо кубового остатка x ( Wд, Wк и x). 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:

где n - число компонентов. Эти аппараты используют как для периодической, так и для непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ В первом случае содержание низкокипящих компонентов в паре постепенно убывает, и средний состав дистиллята является промежуточным между составами паров, находящихся в равновесии с исходной смесью, и кубовым остатком. Во втором случае состав жидкости в аппарате практически идентичен составу кубового остатка, а состав дистиллята - составу равновесного с этой жидкостью пара. Поскольку дистиллят получается в результате парообразования из смеси конечного состава с наименьшим содержанием низкокипящих компонентов, вемкостных аппаратах при непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ достигается меньшая степень разделения смеси, чем при периодической ДИСТИЛЛЯЦИЯ При расчете ДИСТИЛЛЯЦИЯ п-компонентной смеси обычно задано распределение одного или несколько целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком или относит. количество отгоняемого дистиллята. В общем случае имеется 2п — 1 неизвестных: п - 1 значений х, п - 1 значений xik и Wк или Wд. Для их определения при расчете периодической ДИСТИЛЛЯЦИЯ имеются п уравений материального баланса (для всего процесса в целом и для п — 1 отдельных компонентов) и п — 1 уравений (3), которые должны быть решены совместно с п — 1 уравениями фазового равновесия (6). Следовательно, необходимо решить систему 2п — 1 уравений, из которых п уравений - алгебраические, а п — 1 -интегральные. Аналит. решение такой задачи чрезвычайно сложно, поэтому расчеты выполняются численными методами. При этом приходится задаваться относит. содержанием всех компонентов в одном из продуктов разделения (дистилляте или кубовом остатке). Наиб. простой метод - поинтервальный, который заключается в совместном решении уравений, описывающих условия фазового равновесия, и уравений материального баланса (3) и (4), записанных в конечных разностях. Для одного интервала DW/W принимается определенное значение относит. изменения кол-ва дистиллируемой жидкости и последовательно вычисляется изменение ее состава, т. е. для каждого интервала находится изменение содержания всех компонентов Dxi. В первом приближении состав пара уi рассчитывается по уравениям (6) как равновесный с жидкостью, состав которой соответствует началу интервала. Расчет заканчивается при достижении заданного распределения целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком. Состав дистиллята находится усреднением составов пара, получающегося во всех последовательных интервалах. Критерий правильности расчета - совпадение этого среднего состава дистиллята с найденным по уравениям материального баланса. При непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ n-компонентной смеси состав дистиллята, совпадающий с составом пара, образующегося при кипении кубовой жидкости (х = уi), вычисляется по уравениям (6), в которых хi и xk - содержания компонентов i и k в кубовом остатке. Т. обр., получается система 2n-1 алгебраич. уравений, связывающих 2n величин: Wд, Wк, п - 1 значений х и п — 1 значений х. Чтобы сделать эту систему уравений определенной, достаточно задать любую из перечисл. величин. Ввиду нелинейности уравений (6) аналит. решение практически невозможно и приходится использовать численные методы. ДИСТИЛЛЯЦИЯ многокомпонентных смесей рассчитывают с применением ЭВМ. В пленочных аппаратах жидкость распределяется по поверхности нагрева в виде пленки. По способу ее образования различают: аппараты с жидкостью, свободно стекающей по обогреваемой поверхности (например, по поверхности труб) с помощью спец. распределит. устройств (рис. 2, а, б), а также с восходящим движением жидкости за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, движущимся снизу вверх с достаточно большой скоростью; роторные - с жидкостью, "размазываемой" по внутр. поверхности обогреваемого корпуса при вращении ротора с неподвижными или подвижными лопастями (рис. 2, в). По характеру относит. движения фаз пленочные аппараты подразделяют на прямо- и противоточные. Объем и время пребывания жидкости в пленочных аппаратах очень малы, поэтому они используются только для непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ и особенно эффективны при перегонке термолабильных веществ и вязких растворов. Состав жидкости в пленочных аппаратах изменяется по высоте, что обусловливает изменение температуры и состава пара. Жидкость и пар, проходящие через произвольное сечение аппарата, не находятся в равновесии и между ними происходит тепло- и массообмен. Скорость и влияние последних на результаты процесса определяются скоростями и характером относит. движения фаз. Уравнение материального баланса для элемента высоты аппарата dh имеет вид:

где G и W - расходы пара и жидкости, yip - содержание компонента i в паре, находящемся в равновесии с жидкостью состава xi, уi - состав пара, проходящего через рассматриваемое сечение аппарата, Коу - коэффициент массопередачи, а - площадь поверхности массообмена на единицу высоты аппарата.

Рис. 2. Аппараты для простой дистилляции: a, б - соответственно прямо- и противоточные со стекающей жидкой пленкой; в - роторный; 1 - испаритель; 2 - сепарационный сосуд; 3 - обогреваемый корпус; 4 - вал; 5 - лопасти.

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) х и пара у, направляемого в конденсатор, определяется конструкцией и режимом работы дефлегматора. Обычно принимают, что выходящие из него жидкость и пар находятся в равновесии. Тогда взаимосвязь x и y описывается уравением (6), а кол-ва и состава жидкости в аппарате - уравением (4), в которое вместо уi подставляют у. 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 A0 - 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 = pвMвA0MAj, (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.
Молекулярная дистилляция. Основана на зависимости скорости испарения вещества от его молекулярной массы при температурах ниже температуры кипения жидкости и низких давлениях (< 0,13 Па). При таких давлениях длина свободный пробега молекул соизмерима с расстоянием между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. При этом молекулы соударяются относительно редко и движутся практически независимо друг от друга, а расход и состав паровой смеси определяется скоростями испарения отдельных компонентов. Скорость испарения чистого вещества с мол. массой М при температуре T рассчитывается по уравению Кнудсена-Ленгмюра:

где р - давление пара вещества при температуре жидкости. Скорость испарения компонента смеси меньше, чем чистого вещества, и пропорциональна его мол. доле в смеси. При этом:

т. е., в отличие от условий разделения смесей с помощью обычной ДИСТИЛЛЯЦИЯ, aik зависит не только от давлений паров чистых компонентов при температуре процесса, но и от их молекулярной массы. Это позволяет разделять смеси, используя различие мол. масс компонентов при относительно низких температурах. Процесс включает перенос молекул испаряющегося компонента из объема жидкости к поверхности испарения, испарение молекул, перенос их в объеме паровой фазы от поверхности испарения к поверхности конденсации и конденсацию. Поскольку при молекулярной ДИСТИЛЛЯЦИЯ жидкость не кипит, перемешивание паровыми пузырями, характерное для обычной ДИСТИЛЛЯЦИЯ, отсутствует, и перенос вещества в объеме жидкости осуществляется преимущественно путем мол. диффузии. Т. к. этот процесс более медленный, чем испарение с поверхности, жидкость со стороны поверхности обедняется относительно более летучими компонентами и в ней возникает градиент концентраций, что ухудшает условия разделения смеси. Для предотвращения этого уменьшают толщину слоя жидкости и обеспечивают ее перемешивание. Скорость испарения молекул с поверхности жидкости определяется ее температурой: чем она выше, тем больше давление пара и скорость испарения. Однако при увеличении давления пара уменьшается длина свободный пробега молекул и возрастает частота их соударений, что приводит к снижению эффективности разделения смеси. С целью ее повышения ДИСТИЛЛЯЦИЯ проводят при давлениях более высоких, чем те, при которых молекулы достигают поверхности конденсации без соударений. Каждой смеси отвечает определенная оптим. температура, при которой достигается наиболее степень разделения. Для оценки последней используют представление о теоретич. мол. тарелке, под которой понимается устройство, обеспечивающее получение дистиллята с относит. содержанием компонентов, соответствующим соотношению скоростей их испарения при данной температуре, а состав жидкости во всем ее объеме одинаков, т. е. жидкость идеально перемешана. В производств. условиях при однократном испарении степень разделения колеблется от 0,3 до 0,95 теоретич. тарелки. Конденсация на охлаждаемой поверхности не является лимитирующей стадией процесса, т. к. температура этой поверхности поддерживается как минимум на 30-40°С ниже температуры жидкости.

Рис. 4. Аппарат для молекулярной дистилляции. 1,2 - внутренняя обогреваемая и внешняя охлаждаемая трубки; 3 - рубашка.

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]

 

 

Реклама
курсы по инженерным системам
купить землю по ново рижскому шоссе
полочки для детского сада
кинотеатры для загородного дома

Рекомендуемые книги

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.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(27.06.2017)