Co to jest destylacja? Jest to proces przekształcania cieczy w parę, która następnie skrapla się z powrotem do postaci ciekłej. Najprostszym przykładem jest destylacja wody, w której para z czajnika osadza się w postaci kropelek na zimnej powierzchni.
Zastosowanie i historia
Destylacji używa się do oddzielania cieczy od nielotnych ciał stałych, jak w przypadku destylacji spirytusu z przefermentowanych materiałów, lub do oddzielania dwóch lub więcej cieczy o różnych temperaturach wrzenia, jak przy produkcji benzyny, nafty i smarów z ropy naftowej. Inne zastosowania przemysłowe obejmują przetwarzanie chemikaliów, takich jak formaldehyd i fenol oraz odsalanie wody morskiej.
Proces destylacji był prawdopodobnie używany przez starożytnych eksperymentatorów. Arystoteles (384-322 pne) wspomniał, że czystą wodę można uzyskać przez odparowanie wody morskiej. Pliniusz Starszy (23-79 ne) opisał prymitywną metodę kondensacji, w której olej uzyskany przez ogrzewanie kalafonii jest zbierany na wełnie umieszczonej na wierzchualembik.
Prosta destylacja
Większość metod destylacji stosowanych w przemyśle i badaniach laboratoryjnych to odmiany prostej destylacji. Ta podstawowa technologia wykorzystuje kostkę lub retortę, w której podgrzewa się ciecz, skraplacz do schładzania pary oraz naczynie do zbierania destylatu. Kiedy mieszanina substancji jest podgrzewana, najbardziej lotna z nich lub ta o najniższej temperaturze wrzenia jest najpierw destylowana, a następnie inne są destylowane lub nie są w ogóle destylowane. Takie proste urządzenie doskonale nadaje się do oczyszczania cieczy zawierających składniki nielotne i jest dość skuteczne w oddzielaniu substancji o różnych temperaturach wrzenia. Do użytku laboratoryjnego części aparatu są zwykle wykonane ze szkła i połączone korkami, gumowymi wężami lub szklanymi rurkami. Na skalę przemysłową sprzęt jest wykonany z metalu lub ceramiki.
Destylacji frakcyjnej
Metoda zwana destylacją frakcyjną lub różnicową została opracowana do rafinacji ropy naftowej, ponieważ prosta destylacja w celu oddzielenia cieczy, których temperatura wrzenia niewiele się różni, jest nieefektywna. W takim przypadku opary wielokrotnie skraplają się i odparowują w izolowanym pionowym pojemniku. Szczególną rolę odgrywają tu parowce suche, kolumny frakcyjne i skraplacze, które umożliwiają zawracanie części kondensatu z powrotem do destylatora. Celem jest osiągnięcie bliskiego kontaktu między wznoszącymi się różnymi fazami mieszaniny, abytylko najbardziej lotne frakcje w postaci pary docierały do odbiornika, a reszta wracała w postaci cieczy w kierunku sześcianu. Oczyszczanie składników lotnych w wyniku kontaktu między takimi przeciwprądami nazywamy rektyfikacją lub wzbogacaniem.
Wielokrotna destylacja
Ta metoda jest również nazywana wieloetapowym odparowaniem flash. To kolejny rodzaj prostej destylacji. Wykorzystywany jest na przykład do destylacji wody w dużych komercyjnych zakładach odsalania. Zamiana cieczy w parę nie wymaga ogrzewania. Po prostu przepływa z pojemnika o wysokim ciśnieniu atmosferycznym do pojemnika o niższym ciśnieniu. Prowadzi to do szybkiego parowania, któremu towarzyszy kondensacja pary w ciecz.
Destylacji próżniowej
Jeden wariant procesu obniżonego ciśnienia wykorzystuje pompę próżniową do wytworzenia próżni. Ta metoda, zwana „destylacją próżniową”, jest czasami stosowana w przypadku substancji, które normalnie gotują się w wysokich temperaturach lub rozkładają się podczas gotowania w normalnych warunkach.
Pompy próżniowe wytwarzają w kolumnie ciśnienie, które jest znacznie niższe niż ciśnienie atmosferyczne. Oprócz nich stosowane są regulatory podciśnienia. Dokładna kontrola parametrów jest bardzo ważna, ponieważ skuteczność separacji zależy od różnicy lotności względnej w danej temperaturze i ciśnieniu. Zmiana tego ustawienia może niekorzystnie wpłynąć na postęp procesu.
Destylacja próżniowa jest dobrze znana w rafineriach. Oddzielne konwencjonalne metody destylacjilekkie węglowodory i zanieczyszczenia pochodzące z ciężkich węglowodorów. Pozostały produkt poddaje się destylacji próżniowej. Umożliwia to oddzielanie wysokowrzących węglowodorów, takich jak oleje i woski w niskich temperaturach. Metoda ta jest również stosowana w separacji wrażliwych na ciepło organicznych chemikaliów oraz w odzyskiwaniu rozpuszczalników organicznych.
Co to jest destylacja parowa?
Destylacji parowej jest alternatywną metodą destylacji w temperaturach poniżej normalnej temperatury wrzenia. Stosuje się go, gdy destylowana substancja nie miesza się i nie reaguje chemicznie z wodą. Przykładami takich materiałów są kwasy tłuszczowe i olej sojowy. Podczas destylacji do cieczy wprowadzana jest para, która podgrzewa ją i powoduje parowanie.
Destylacji w upakowanej kolumnie
Chociaż kolumny z wypełnieniem są najczęściej używane do absorpcji, są one również wykorzystywane do destylacji mieszanin parowo-cieczowych. Taka konstrukcja zapewnia dużą powierzchnię styku, co zwiększa wydajność systemu. Inną nazwą takiej struktury jest kolumna destylacyjna.
Zasada działania jest następująca. Surowa mieszanina składników o różnej lotności podawana jest na środek kolumny. Ciecz spływa w dół przez dyszę, a para unosi się w górę. Mieszanina na dnie zbiornika wchodzi do podgrzewacza i wychodzi z parą. Gaz pędzi przez wypełnienie, zbierając najbardziej lotne składniki cieczy, opuszcza kolumnę i wchodzi do skraplacza. Po upłynnieniu produkt wchodzido kolektora flegmy, gdzie jest rozdzielana na destylat i frakcję używaną do nawadniania.
Różne stężenia powodują przechodzenie mniej lotnych składników z fazy gazowej do fazy ciekłej. Dysza zwiększa czas i powierzchnię kontaktu, co zwiększa skuteczność separacji. Na wylocie para zawiera maksymalną ilość składników lotnych, a ich stężenie w cieczy jest minimalne.
Dysze są napełniane luzem i paczkami. Kształt wypełniacza może być dowolny lub mieć strukturę geometryczną. Wykonany jest z obojętnego materiału, takiego jak glina, porcelana, plastik, ceramika, metal lub grafit. Wypełniacz ma zwykle wymiary od 3 do 75 mm i ma dużą powierzchnię stykającą się z mieszaniną parowo-cieczową. Zaletą napełniania luzem jest wysoka przepustowość, wysoka odporność na ciśnienie i niski koszt.
Wypełniacze metalowe mają wysoką wytrzymałość i dobrą zwilżalność. Ceramika ma jeszcze wyższą zwilżalność, ale nie jest tak mocna. Plastikowe są wystarczająco mocne, ale nie zwilżają się dobrze przy niskim natężeniu przepływu. Ponieważ wypełniacze ceramiczne są odporne na korozję, stosuje się je w podwyższonych temperaturach, których tworzywa sztuczne nie są w stanie wytrzymać.
Dysze pakietowe to strukturalna siatka, której wymiary odpowiadają średnicy kolumny. Zapewnia długie kanały dla przepływu cieczy i pary. Są droższe, ale pozwalają zredukować spadki ciśnienia. Dysze pakietowe są preferowane przy niskich natężeniach przepływu iw warunkach niskiego ciśnienia. Zazwyczaj są wykonane z drewna, blachy lub tkanej siatki.
Stosowany w przemyśle odzyskiwania rozpuszczalników i petrochemii.
Destylacji w kolumnie destylacyjnej
Najczęściej używany typ kolumny. Liczba płyt zależy od pożądanej czystości i złożoności separacji. Wpływa na wysokość kolumny destylacyjnej.
Zasada jego działania jest następująca. Mieszanina jest podawana w połowie wysokości kolumny. Różnica w stężeniu powoduje, że mniej lotne składniki przechodzą ze strumienia pary do strumienia cieczy. Gaz opuszczający skraplacz zawiera najbardziej lotne substancje, podczas gdy mniej lotne substancje wychodzą przez grzałkę do strumienia cieczy.
Geometria płytek w kolumnie wpływa na stopień i rodzaj kontaktu między różnymi stanami fazowymi mieszaniny. Strukturalnie są to sita, zawór, nasadka, krata, kaskada itp. Tace sitowe, które mają otwory na parę, są używane w celu zapewnienia wysokiej wydajności przy niskich kosztach. Tańsze korytka zaworowe, w których otwory wyposażone są w zawory otwierające i zamykające, są podatne na zapychanie się na skutek nagromadzenia materiału. Nasadki są wyposażone w nasadki, które umożliwiają przenikanie pary przez ciecz przez maleńkie otwory. Jest to najbardziej zaawansowana i najdroższa technologia, skuteczna przy niskich natężeniach przepływu. Płyn przepływa z jednej tacy do drugiej w dół pionowymi rurami spustowymi.
Kolumny stołowe są często używane do odzyskiwania rozpuszczalników z odpadów procesowych. Są one również wykorzystywane do odzyskiwania metanolu w procesie suszenia. Woda wychodzi jako produkt płynny, a lotne odpady organiczne przechodzą w fazę parową. Na tym polega destylacja w kolumnie destylacyjnej.
Kriodestylacja
Destylacji kriogenicznej to zastosowanie ogólnych metod destylacji do gazów schłodzonych do stanu ciekłego. System działa w temperaturach poniżej -150°C. W tym celu stosuje się wymienniki ciepła i cewki. Cała konstrukcja nazywana jest blokiem kriogenicznym. Skroplone gazy wchodzą do jednostki i są destylowane w bardzo niskich temperaturach. Kriogeniczne kolumny destylacyjne mogą być pakowane i pakowane. Preferowany jest projekt wsadowy, ponieważ materiał sypki jest mniej skuteczny w niskich temperaturach.
Jednym z głównych zastosowań destylacji kriogenicznej jest rozdzielanie powietrza na gazy składowe.
Destylacji ekstrakcyjnej
Destylacja ekstrakcyjna wykorzystuje dodatkowe związki, które działają jak rozpuszczalnik, zmieniając względną lotność jednego ze składników mieszaniny. W kolumnie ekstrakcyjnej do rozdzielanych substancji dodawany jest rozpuszczalnik. Odzyskiwany składnik strumienia zasilającego łączy się z rozpuszczalnikiem i wychodzi w fazie ciekłej. Drugi składnik odparowuje i trafia do destylatu. Drugi bieg dokolejna kolumna pozwala na oddzielenie substancji od rozpuszczalnika, który następnie powraca do poprzedniego etapu, aby powtórzyć cykl.
Destylacji ekstrakcyjnej używa się do oddzielania związków o bliskiej temperaturze wrzenia i mieszanin azeotropowych. Destylacja ekstrakcyjna nie jest tak rozpowszechniona w przemyśle jak destylacja tradycyjna ze względu na złożoność konstrukcji. Przykładem jest proces pozyskiwania celulozy. Rozpuszczalnik organiczny oddziela celulozę od ligniny, a druga destylacja daje czystą substancję.
