Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ДИСТИЛЛЯЦИЯ

ДИСТИЛЛЯЦИЯ (от лат. 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 послед. 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 наз. фракционной (дробной). Дистилляц. установка состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к р-ру необходимого кол-ва теплоты; дефлегматора 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной дистилляции); 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 дистилляции.
Дистилляционная установка
Рис. 1. Дистилляционная установка: 1 - испаритель; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4 - холодильник; 5, 6 - сборники соотв. дистиллята и кубового остатка.

Простая дистилляция. Проводится при таких давлениях, когда длина своб. пробега молекул во много раз меньше, чем расстояние между пов-стями испарения жидкости и конденсации пара. Т-ра процесса при заданном давлении определяется условиями фазового равновесия между жидкостью и паром. При необходимости снижения т-ры применяют дистилляцию под вакуумом, а также с водяным паром или инертным газом (см. ниже). Распределение компонентов смеси между жидкостью и паром характеризуется коэф. относит. летучести:

aik = (yi/xi):(yk/xk), (1)

где хi и xk, уi и yk - содержания компонентов i и k соотв. в жидкости и образующемся из нее паре. Состав последнего определяется св-вами и межмолекулярным взаимод. компонентов. При небольших давлениях, когда пар с достаточной для практич. 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 т-ре кипения смеси, gi и gk - коэф. активности этих компонентов в жидкой фазе. При высоких давлениях учитывается неидеальность пара. Дистилляция 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 ур-ниями материального баланса. При постоянном Wн/G = Y
061_080-84.jpg
При однократной загрузке смеси (Y = 0) кол-во жидкости в аппарате изменяется от W0н до Wк, и ур-ние (3) приводится к ур-нию Рэлея:
061_080-85.jpg
При непрерывной дистилляции расходы и составы исходной смеси и продуктов разделения связаны след. ур-ниями:

Wи = Wк + Wд; Wиx = Wкx + Wдx . (5)

При расчете дистилляции всегда бывают заданы кол-во (или расход) исходной смеси, ее состав, а также условия, определяющие конечный результат процесса. В соответствии с его назначением м. б. заданы кол-во (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 ур-ний материального баланса с учетом зависимости между составами контактируемых пара (yi) и жидкости (xi). Эта зависимость определяется св-вами смесей, условиями процесса и его аппаратурным оформлением. Аппараты, применяемые для дистилляции, 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 ур-нию:
061_080-86.jpg
где n - число компонентов. Эти аппараты используют как для периодич., так и для непрерывной дистилляции. 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, в емкостных аппаратах при непрерывной дистилляции достигается меньшая степень разделения смеси, чем при периодич. дистилляции. При расчете дистилляции п-компонентной смеси обычно задано распределение одного или неск. целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком или относит. кол-во 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 периодич. дистилляции имеются п ур-ний материального баланса (для всего процесса в целом и для п — 1 отдельных компонентов) и п — 1 ур-ний (3), к-рые должны быть решены совместно с п — 1 ур-ниями фазового равновесия (6). Следовательно, необходимо решить систему 2п — 1 ур-ний, из к-рых п ур-ний - 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, к-рый заключается в совместном решении ур-ний, описывающих условия фазового равновесия, и ур-ний 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 ур-ниям (6) как равновесный с жидкостью, состав к-рой 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 ур-ниям материального баланса. При непрерывной дистилляции n-компонентной смеси состав дистиллята, совпадающий с составом пара, образующегося при кипении кубовой жидкости = уi), вычисляется по ур-ниям (6), в к-рых хi и xk - содержания компонентов i и k в кубовом остатке. Т. обр., получается система 2n-1 алгебраич. ур-ний, связывающих 2n величин: Wд, Wк, п - 1 значений х и п — 1 значений х. Чтобы сделать эту систему ур-ний определенной, достаточно задать любую из перечисл. величин. Ввиду нелинейности ур-ний (6) аналит. решение практически невозможно и приходится использовать численные методы. Дистилляция многокомпонентных смесей рассчитывают с применением ЭВМ. В пленочных аппаратах жидкость распределяется по пов-сти нагрева в виде пленки. По способу ее образования различают: аппараты с жидкостью, свободно стекающей по обогреваемой пов-сти (напр., по пов-сти 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. пов-сти 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 дистилляции и особенно эффективны при перегонке термолабильных в-в и вязких р-ров. Состав жидкости в пленочных аппаратах изменяется по высоте, что обусловливает изменение т-ры 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. Ур-ние материального баланса для элемента высоты аппарата dh имеет вид:
081_100-1.jpg
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 - коэф. массопередачи, а - площадь пов-сти массообмена на единицу высоты аппарата.
Аппараты для простой дистилляции
Рис. 2. Аппараты для простой дистилляции: a, б - соотв. 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) ур-ние (7) превращается в ур-ние простой дистилляции. Поскольку Коу > 0, знак второго слагаемого в правой части этого ур-ния 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, к-рая 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 гл. обр. низкокипящие, а в противоположном направлении - высококипящие компоненты. В результате на выходе из аппарата пар по составу приближается к равновесному с исходной смесью, имеющей наиб. содержание низкокипящих компонентов, т. е. достигается дополнительное по сравнению с простой дистилляцией разделение смеси. Расход теплоты на простую дистилляцию определяется по ур-нию теплового баланса. Площадь пов-сти нагрева испарителя находится из ур-ния теплопередачи с учетом изменения коэф. теплопередачи и разности т-р теплоносителя и кипящей жидкости с изменением ее состава во времени (при периодич. дистилляции) или по высоте (при непрерывной дистилляции). При дистилляции с дефлегмацией (конденсация преим. 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 ур-нием (6), а кол-ва и состава жидкости в аппарате - ур-нием (4), в к-рое вместо уi подставляют у. Большая, чем при простой дистилляции, степень разделения смеси достигается благодаря частичной конденсации пара, образующегося в испарителе, и соответствующего увеличения расхода теплоты. Для отгонки из смесей высококипящих в-в с целью понижения т-ры процесса используют дистилляцию с водяным паром или инертным газом. Она основана на законе Дальтона, согласно к-рому давление паров над смесью р равно сумме парциальных давлений паров компонентов. Если отгоняемое в-во А не смешивается с водой, то р = рA0 + pв A0 - давление пара чистого в-ва А при т-ре процесса, pв - давление водяного пара), т. е. общее давление является линейной ф-цией рв, и в-во А можно отгонять при любой т-ре, варьируя относит. расход водяного пара или инертного газа Gуд . Последний определяется соотношением:

Gуд = pвMвA0MAj, (8)

где Mв и MА - мол. масса воды (инертного газа) и отгоняемого в-ва, j < 1 - степень насыщения водяного пара или инертного газа парами отгоняемого в-ва по сравнению с равновесной степенью насыщения. При дистилляции в токе водяного пара образуется паровая смесь, к-рая 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 р-римость в воде. Если она значительна, приходится отгонять из воды целевой продукт и подвергать его осушке (применяют и др. способы, напр., высаливание). Эти затруднения отпадают при использовании инертного газа. Однако усложняется выделение отгоняемого в-ва из образующейся парогазовой смеси вследствие необходимости охлаждения ее до низкой т-ры, а нагревание и охлаждение газа требуют применения теплообменных аппаратов с большой площадью пов-сти из-за низких коэф. 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.
Лабораторная установка для простой дистилляции

При простой дистилляции контролируются кол-во жидкости в аппарате, т-ра ее кипения, по к-рой судят о составе, и скорость отгонки дистиллята. Регулируемые параметры - кол-во исходной смеси, расходы теплоносителя, подаваемого в дистилляц. аппарат, и хладагента, используемого для конденсации отгоняемого пара и охлаждения конденсата. При дистилляции в токе водяного пара регулируется также его расход. При непрерывной дистилляции регулируемыми параметрами, кроме перечисленных, являются расходы исходной смеси и продуктов разделения. При дистилляции с дефлегмацией дополнительно регулируется расход флегмы путем изменения расхода хладагента, поступающего в дефлегматор. В лаб. практике применяют все способы дистилляции. Конструкции приборов, изготовляемых обычно из стекла, весьма разнообразны и выбор их определяется гл. обр. физ.-хим. св-вами, и кол-вом разделяемой смеси. Для дистилляции смесей в кол-вах от неск. 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 лаб. установка для дистилляции при атм. давлении показана на рис. 3. Простую дистилляцию используют в хим., лесохим., фармацевтич. и др. отраслях пром-сти 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 (напр., Hg и Zn). Дистилляцию с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лаб. практике, дистилляцию с водяным паром - в хим., нефтехим., парфюм. и др. отраслях пром-сти для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значит. кол-ва твердых или малолетучих жидких в-в.
Молекулярная дистилляция. Основана на зависимости скорости испарения в-ва от его мол. массы при т-рах ниже т-ры кипения жидкости и низких давлениях (< 0,13 Па). При таких давлениях длина своб. пробега молекул соизмерима с расстоянием между пов-стями 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 в-ва с мол. массой М при т-ре T рассчитывается по ур-нию Кнудсена-Ленгмюра:
081_100-4.jpg
где р - давление пара в-ва при т-ре жидкости. Скорость испарения компонента смеси меньше, чем чистого в-ва, и пропорциональна его мол. доле в смеси. При этом:
081_100-5.jpg
т. е., в отличие от условий разделения смесей с помощью обычной дистилляции, aik зависит не только от давлений паров чистых компонентов при т-ре процесса, но и от их мол. массы. Это позволяет разделять смеси, используя различие мол. масс компонентов при относительно низких т-рах. Процесс включает перенос молекул испаряющегося компонента из объема жидкости к пов-сти испарения, испарение молекул, перенос их в объеме паровой фазы от пов-сти испарения к пов-сти конденсации и конденсацию. Поскольку при молекулярной дистилляции жидкость не кипит, перемешивание паровыми пузырями, характерное для обычной дистилляции, отсутствует, и перенос в-ва в объеме жидкости осуществляется преим. путем мол. диффузии. Т. к. этот процесс более медленный, чем испарение с пов-сти, жидкость со стороны пов-сти 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 пов-сти жидкости определяется ее т-рой: чем она выше, тем больше давление пара и скорость испарения. Однако при увеличении давления пара уменьшается длина своб. пробега молекул и возрастает частота их соударений, что приводит к снижению эффективности разделения смеси. С целью ее повышения дистилляцию проводят при давлениях более высоких, чем те, при к-рых молекулы достигают пов-сти конденсации без соударений. Каждой смеси отвечает определенная оптим. т-ра, при к-рой достигается наиб. степень разделения. Для оценки последней используют представление о теоретич. мол. тарелке, под к-рой понимается устройство, обеспечивающее получение дистиллята с относит. содержанием компонентов, соответствующим соотношению скоростей их испарения при данной т-ре, 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 пов-сти не является лимитирующей стадией процесса, т. к. т-ра этой пов-сти поддерживается как минимум на 30-40°С ниже т-ры жидкости.
Аппарат для молекулярной дистилляции
Рис. 4. Аппарат для молекулярной дистилляции. 1,2 - внутренняя обогреваемая и внешняя охлаждаемая трубки; 3 - рубашка.

В аппарате для молекулярной дистилляции (рис. 4) исходная смесь распределяется в виде пленки на наружной пов-сти внутр. трубки, к-рая 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 пов-сти, 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 разл. т-рах, что дает возможность разделять смесь на неск. фракций. Применяют также многоступенчатые противоточные аппараты, степень разделения смеси в к-рых во много раз больше, чем в одноступенчатых. Рабочие параметры процесса: контролируемые - расход исходной смеси, скорость отгонки дистиллята, т-ра испаряющейся жидкости, т-ра хладагента, используемого для охлаждения пов-сти конденсации, и давление, регулируемые - расходы исходной смеси, теплоносителя и хладагента. В лабораториях используют периодическую дистилляцию для разделения небольших кол-в (несколько мг) смесей термически стойких в-в и непрерывную дистилляцию для перегонки значит. кол-в (десятки и сотни г) термолабильных в-в. В первом случае аппаратом обычно служит обогреваемая колба с внутренним или выносным конденсатором, во втором - цилиндрич. испаритель (трубка) с конденсатором, снабженным охлаждающей рубашкой. Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки смесей малолетучих и термически нестойких в-в, напр., при выделении витаминов из рыбьего жира, растит. масел и в произ-ве вакуумных масел. См. также Дистилляция нефти, Ректификация.
===
Исп. литература для статьи «ДИСТИЛЛЯЦИЯ»: Коган В. Б., Теоретические основы типовых процессов химической технологии, Л., 1977; Гельперин Н. И., Основные процессы и аппараты химической технологии, кн. 1-2, М., 1981. В. Б. Коган.

Страница «ДИСТИЛЛЯЦИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн