Destilace

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 1. ledna 2020; kontroly vyžadují 17 úprav .

Destilace ( lat. stillare - "kapávat" z lat. stilla - "kapka" a předpona "de-", což znamená "odstranění" [1] ) - destilace, odpařování kapaliny , následované ochlazením a kondenzací par . Destilace je považována především za technologický proces pro separaci a rafinaci vícesložkových látek - v řadě dalších procesů s fázovou přeměnou a přenosem hmoty: sublimace , krystalizace, kapalinová extrakce a některé další. Rozlišuje se destilace s kondenzací par na kapalinu (ve které má výsledný destilát průměrné složení díky mísení) a destilace s kondenzací par na pevnou fázi (při které dochází k rozložení koncentrace složek v kondenzátu). Produktem destilace je destilát nebo zbytek (nebo obojí), v závislosti na destilátu a účelu procesu. Hlavními částmi destilačního zařízení jsou vyhřívaná nádoba (kostka) na destilovanou kapalinu, chlazený kondenzátor (chladnička) a je spojující vyhřívané parní potrubí.

Historie

První informace o destilaci pocházejí z 1. století a jsou zmíněny v dílech řeckých alchymistů v Alexandrii (Egypt) [2] . V 11. století se v Avicenně uvádí jako způsob získávání esenciálních olejů destilace . Od poloviny 19. století se rozvíjí rektifikace .

Aplikace

Destilace se používá v průmyslu i v laboratorní praxi k separaci a rafinaci komplexních látek: k separaci směsí organických látek (například separace ropy na benzín , petrolej , motorovou naftu atd.; získávání vonných látek v parfumerii; čištění etylenu alkohol ) a pro získávání vysoce čistých anorganických látek (například kovů : berylium , olovo , zinek , hořčík , kadmium , rtuť ; a nekovů : síra , selen atd.).

Teorie destilace

V teorii destilace se primárně uvažuje o separaci směsí dvou látek [1] . Princip destilace je založen na tom, že koncentrace určité složky v kapalině se liší od její koncentrace v páře této kapaliny. Poměr = je charakteristikou procesu a nazývá se separační faktor (neboli rozdělení) při destilaci. (Také separační faktor během destilace se nazývá hodnota ). Separační faktor závisí na povaze složek, které mají být separovány, a na podmínkách destilace. V závislosti na podmínkách destilace existují ideální (určené pouze parciálními tlaky par čistých složek), rovnovážné (kdy počet částic opouštějících kapalinu za jednotku času je roven počtu částic vracejících se současně do kapaliny) a efektivní separační koeficienty. V praxi destilace látek silně závisí na intenzitě míchání kapaliny, jakož i na interakci nečistot s hlavní složkou a s dalšími složkami nečistot za vzniku sloučenin (v souvislosti s nimiž je destilace považována za fyzikálně-chemický proces) . Efektivní separační koeficient směsi "základní látka - nečistota" se může od ideálního separačního koeficientu lišit o několik řádů. $C_{1}$ $C_{2}$ $\beta$ $C_{2}/C_{1}$ $\alpha =1/\beta$

Destilační režimy jsou charakterizovány teplotou odpařování a stupněm odchylky od fázové rovnováhy kapalina-pára. Obvykle v destilačním procesu , kde je počet částic látky procházejících za jednotku času z kapaliny do páry, je počet částic vracejících se ve stejnou dobu z páry do kapaliny, je počet částic, které v tomto čase přecházejí do kondenzátu . Poměr je ukazatelem odchylky procesu od rovnováhy. Limitující jsou režimy, ve kterých (rovnovážný stav systému kapalina-pára) a (režim molekulární destilace). ${\displaystyle n=n_{1}+n_{c))$ $n$ $n_{1}$ $n_{c}$ $n_{c}/n$ $n_{c}=0$ $n_{c}=n$

Ideální separační faktor dvousložkové látky lze vyjádřit tlakem a čistými složkami při procesní teplotě: . S přihlédnutím k aktivitním koeficientům složek a , které odrážejí interakci složek v kapalině, separační faktor . Koeficienty aktivity mají teplotní a koncentrační závislosti (viz aktivita (chemie) ). S klesající teplotou se hodnota separačního faktoru obvykle vzdaluje od jednoty, tedy roste separační účinnost. $p_{1}^{0}$ $p_{2}^{0}$ ${\displaystyle \beta _{i}=p_{2}/p_{1))$ $\gamma _{1}$ $\gamma _{2}$ $\beta =\gamma _{2}p_{2}^{0}/\gamma _{1}p_{1}^{0}$

Při , všechny odpařující se částice přecházejí do kondenzátu (mód molekulární destilace). V tomto režimu je separační faktor , kde a jsou molekulové hmotnosti první a druhé složky. Určení molekulárního způsobu destilace je možné pomocí hodnoty , kde je vzdálenost od výparníku ke kondenzátoru, je střední volná dráha molekul destilované látky, je konstanta v závislosti na konstrukci aparatury. Při , se pozoruje molekulární vypařování, při , se ustavuje dynamická rovnováha mezi kapalinou a párou a při ostatních hodnotách má vypařování střední charakter. Režim molekulární destilace lze použít v různých destilačních procesech, včetně rektifikace . Molekulární destilace se typicky provádí ve vakuu při nízkém tlaku par a s kondenzačním povrchem v blízkosti odpařovacího povrchu (což zabraňuje srážce částic par mezi sebou navzájem as částicemi atmosféry). Kovy se destilují způsobem blízkým molekulární destilaci. Vzhledem k tomu, že separační faktor při molekulární destilaci závisí nejen na parciálních tlacích složek, ale také na jejich molekulových (nebo atomových) hmotnostech, lze molekulární destilací oddělit směsi, pro které jsou azeotropní směsi , včetně směsí izotopů . _ $n_{c}=n$ $\beta _{m}=\beta {\sqrt {M_{1}}}/{\sqrt {M_{2}}}$ $M_{1}$ $M_{2}$ $N=h/(K\lambda )$ $h$ $\lambda$ $K$ $N<0{,}25$ $N>4$ $N$ $\beta=1$

V obecném případě je matematický popis destilace (a sublimace) reprezentován jako soustava rovnic obsahující dva parametry: efektivní separační faktor β a Pecletovo difúzní číslo Pe=w(T)X / ρD(T) , kde w je rychlost odpařování látky z povrchů; D je koeficient difúze nečistot; X je velikostní faktor odpařovaného materiálu (například tloušťka vrstvy odpařovaného materiálu); ρ je hustota hmoty. Vzhledem ke složitosti rovnic lze jejich řešení nalézt pouze numerickými metodami. V jednoduchém případě, kdy se destilace provádí za podmínek intenzivního míchání odpařené kapaliny (a kondenzátu), kdy Pe = 0 nebo malé, rovnice týkající se obsahu druhé složky v kondenzátu a ve zbytku s frakcí destilace nebo s frakcí zbytku za daných podmínek procesu a známých počátečních kapalných ( a jsou hmotnosti kondenzátu a zbytku, jakož i počáteční hmotnost destilované látky, v tomto pořadí), mají jednoduchý tvar s jeden parametr β. $C/C_{0}$ ${\displaystyle C_{r}/C_{0))$ $G/G_{0}$ $G_{r}/G_{0}$ $C_{0}$ $G$ ${\displaystyle G_{r))$ $G_{0}$

Při destilaci látky s vysokou koncentrací složek (s kondenzací par na kapalinu), s mírnou závislostí aktivitních koeficientů složek na jejich koncentracích, vztah mezi hodnotami a , při použití procentuálních koncentrací , má tvar: $G/G_{0}$ $C$ $C_{0}$

\operatorname {lg} {\tfrac {G}{G_{0}}}={\tfrac {1}{\beta -1}}\operatorname {lg} {\tfrac {C}{C_{0 ))}-{\tfrac {\beta }{\beta -1))\jméno operátora {lg} {\tfrac {100-C}{100-C_{0))}.

Pro destilaci s kondenzací páry na kapalinu při nízkém obsahu nečistot

C/C_{0}={\tfrac {1-(1-G/G_{0})^{\beta }}{G/G_{0}}},

{\displaystyle C_{r}/C_{0))

(G_{r}/G_{0})^{\beta -1},

kde je separační faktor. $\beta$

Rovnice jsou také odvozeny pro rozdělení složek v pevném kondenzátu získaném destilací se směrovým tuhnutím kondenzátu nebo zónovou destilací.

Je třeba poznamenat, že destilační rovnice popisují nejen procesy distribuce složek v systémech "kapalina-pára", ale také v jiných fázích kontaktu (například "kapalný krystal-krystal", "kapalný krystal-kapalina", "plyn- plazmové" přechody a také přechody spojené s kvantově mechanickými stavy - supratekutá kapalina , Bose-Einsteinův kondenzát ) - když jsou v nich nahrazeny příslušné separační faktory.

Destilace s kondenzací par na kapalinu

Jednoduchá destilace je částečné odpařování kapalné směsi kontinuálním odstraňováním a kondenzací vzniklých par v chladničce. Vzniklý kondenzát se nazývá destilát a neodpařená kapalina se nazývá dna.

Frakční destilace (neboli frakční destilace) je dělení vícesložkových kapalných směsí na části, frakce, které se liší složením, shromažďováním kondenzátu po částech s různou těkavostí, počínaje první, obohacenou o nízkovroucí složku. Zbytek kapaliny je obohacen o vysokovroucí složku. Pro zlepšení separace frakcí se používá zpětný chladič .

Rektifikace je destilační metoda, při které se část kapalného kondenzátu (hlenu) neustále vrací do krychle a pohybuje se směrem k páře v koloně . V důsledku toho nečistoty obsažené v páře částečně přecházejí do hlenu a vracejí se zpět do kostky, přičemž se zvyšuje čistota páry (a kondenzátu).

Destilace s kondenzací par na pevnou fázi

Destilace s kondenzací par v teplotním spádu je destilační proces, při kterém probíhá kondenzace na pevnou fázi na povrchu s teplotním spádem s opakovaným opětovným odpařováním částic par. Méně těkavé složky se vysrážejí při vyšších teplotách. V důsledku toho jsou nečistoty distribuovány podél teplotního gradientu v kondenzátu a nejčistší část kondenzátu může být izolována jako produkt. Oddělování složek páry při opětovném odpařování se řídí svými vlastními zákony. Takže při molekulární destilaci je poměr mezi množstvím první a druhé složky uloženým v kondenzátoru vyjádřen rovností: $Q_1$ $Q_{2}$

Q_{1}/Q_{2}=(\mu \eta _{1}W_{1}^{0}-W_{1})/(\mu \eta _{2}W_{2} ^{0}-W_{2}),

kde a jsou rychlosti odpařování první složky z taveniny a z povrchu opětovného odpařování, v daném pořadí, a jsou stejné pro druhou složku, a jsou kondenzační koeficienty první a druhé složky, v tomto pořadí, je koeficient závislý na povrch odpařování a úhly odpařování a opětovného odpařování. Opětovné odpařování zvyšuje účinnost čištění od těžko odstranitelných nízkotěkavých nečistot faktorem 2–5 a od vysoce těkavých nečistot o řád nebo více (ve srovnání s jednoduchou destilací). Tento typ destilace našel uplatnění v průmyslové výrobě vysoce čistého berylia. $W_{1}^{0}$ $W_{1}$ $W_{2}^{0}$ $W_2$ $\eta_{1}$ $\eta _{2}$ $\mu$

Destilace se směrovým tuhnutím kondenzátu (destilace s tažením destilátu) je destilační proces v podlouhlé nádobě s úplným roztavením destilované látky a kondenzací par na pevnou fázi při vtahování kondenzátu do chladného prostoru. Proces je navržen teoreticky.

Ve výsledném kondenzátu dochází k nerovnoměrnému rozložení nečistot a nejčistší část kondenzátu může být izolována jako produkt. Proces je destilační obdobou normální směrové krystalizace. Distribuce nečistot v kondenzátu je popsána rovnicí:

C/C_{0}=\beta (1-x/L)^{\beta -1},

kde je koncentrace nečistot v destilátu ve vzdálenosti od začátku, je výška kondenzátu, když se destilovaný materiál zcela odpaří. $C$ $X$ $L$

Zónová destilace je destilační proces v podlouhlé nádobě s tavením pouze horní části rafinované látky v kapalné zóně pohybující se dolů, přičemž pára kondenzuje na pevnou fázi, když kondenzát vystupuje do studené oblasti. Proces je navržen teoreticky.

Při pohybu zónového ohřívače po nádobě shora dolů se v nádobě tvoří pevný kondenzát s nerovnoměrným rozložením nečistot a nejčistší část kondenzátu může být izolována jako produkt. Proces lze mnohokrát opakovat, k čemuž je nutné kondenzát získaný v předchozím procesu přesunout (bez převrácení) na dno nádoby na místo rafinované látky. Nerovnoměrné rozložení nečistot v kondenzátu (tedy účinnost čištění) se zvyšuje s nárůstem počtu opakování procesu.

Zónová destilace je destilační obdoba zónové rekrystalizace. Rozdělení nečistot v kondenzátu popisují známé rovnice zónové rekrystalizace s daným počtem průchodů zónou - kdy je rozdělovací koeficient pro krystalizaci nahrazen separačním koeficientem pro destilaci. Tedy po jednom průchodu zónou $k$ $\alpha$

C/C_{0}=1-(1-\beta )\exp(-\beta

x/\lambda ),

kde je koncentrace nečistot v kondenzátu ve vzdálenosti od začátku kondenzátu a je délka kapalné zóny. $C$ $X$ $\lambda$

Extrakční destilace (destilace s přísadou) a další speciální destilační techniky

Účinnost destilačního čištění lze zvýšit zavedením další složky do systému báze-nečistota (obvykle v koncentraci 0,5 ... 10 %), která změní relativní těkavost nečistoty. Variantou metody je destilace účinné látky, především vodní páry, v atmosféře.

Používají se i další speciální techniky pro zvýšení účinnosti jednorázové destilace - např. horký kondenzátor, kondenzátor s teplotním gradientem a vytvoření vrstvy oxidu na povrchu odpařené kapaliny.

Je třeba poznamenat, že účinnost použití speciálních destilačních technik závisí na hodnotě ideálního separačního faktoru v destilovaném binárním systému: je nižší v systémech, pro které je ideální separační faktor blíže k jednotě.

Viz také

reflux
Rektifikace
Dělicí poměr
Destilační kolona
Destilační termokomprese
Extrakční destilace
Nesmysly

Poznámky

↑ 1 2 Destilace / V. L. Pebalk // Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
↑ Forbes, Robert James. Krátká historie umění destilace: od počátků až po smrt Celliera Blumenthala . - BRILL, 1970. - ISBN 978-90-04-00617-1 .

Literatura

Dytnersky Yu. I. Procesy a aparáty chemické technologie: Učebnice pro střední školy. Ed. 2. Ve 2 knihách. Část 2. Procesy a aparáty přenosu hmoty. M.: Chemie, 1995. - 368 s.
Gelperin NI Osnovnye protsessov a apparatov khimicheskoi techhnologii [ Základní procesy a přístroje chemické technologie]. — M.: Chemie, 1981. — 812 s.
Devyatykh GG, Elliev Yu. E. Úvod do teorie hlubokého čištění látek. — M.: Nauka, 1981. — 320 s.
Devyatykh GG, Elliev Yu. E. Hluboké čištění látek. - M .: Vyšší škola, 1990. - 192 s.
Emelyanov VS, Evstyukhin AI, Shulov VA Teoriya protsessov polucheniya chistykh metallov, splavov a intermetallidov [Teorie procesů pro získávání čistých kovů, slitin a intermetalických sloučenin]. — M.: Energoatomizdat, 1983. — 144 s.
Zharov V. T., Serafimov L. A. Fyzikální a chemické základy destilace a rektifikace. - L .: Chemie, 1975. - 240 s.
Stepin B. D., Gorshtein I. G., Blyum G. Z., Kurdyumov G. M., Ogloblina I. P. Způsoby získávání zvláště čistých anorganických látek. - L .: Chemie, 1969. - 480 s.
Sirde E.K., Tearo E.N., Mikkal V.Ya. Destilace. - L .: Chemie, 1971. - 216 s.
Kalashnik O. N., Niselson L. A. Čištění jednoduchých látek destilací s hydrotermální oxidací nečistot // Vysoce čisté látky, 1987. - č. 2. - S. 74-78.
Koryakin Yu. V., Angelov II Čisté chemikálie. Pokyny pro přípravu anorganických činidel a přípravků v laboratoři. — M.: Chemie, 1974.
Belyaev A. I. Fyzikální a chemické základy čištění kovů a polovodičových látek. - M .: Hutnictví, 1973. - 224 s.
Niselson L. A., Lapin N. V., Bezhok V. S. Stanovení relativní těkavosti nečistot v kapalném germaniu // Vysoce čisté látky, 1989. - N. 6. - S. 33-38 [Obsahuje informace o koeficientu f rychlosti odpařování látek - s odkazem na: Půjčuje G. // Přel. Inst. Chem. Eng., 1954. - V. 32. - S. 23.]
Pazukhin V. A., Fisher A. Ya. Separace a rafinace kovů ve vakuu. - M .: Hutnictví, 1969. - 204 s.
Ivanov V. E., Papirov I. I., Tikhinsky G. F., Amonenko V. M. Čisté a ultračisté kovy (příprava vakuovou destilací). - M .: Hutnictví, 1965. - 263 s.
Nesmeyanov AN Tlak par chemických prvků. - M .: Nakladatelství Akademie věd SSSR, 1961. - 320 s.
Esyutin V. S., Nurgaliev D. N. Vakuová destilace čištění olova od nečistot v kontinuálním aparátu // Neželezné kovy, 1975. - č. 12. - S. 28-30.
Kravchenko AI O časové závislosti složení binární slitiny při její destilaci ve vakuu // Izvestiya AN SSSR. Řada: Kovy. - 1983. - č. 3. - S. 61-63.
Kravchenko AI O destilačních rovnicích při nízkém obsahu nečistot // Otázky atomové vědy a technologie, 1990. - č. 1 - Řada: "Nukleárně-fyzikální výzkum" (9). - S. 29-30.
Niselson L. Ya., Yaroshevsky AG Mezifázové distribuční koeficienty (rovnováhy krystal-kapalina a kapalina-pára). — M.: Nauka, 1992. — 399 s.
Kravchenko AI Rafinace jednoduchých látek: účinnost destilačních metod // Funkční materiály, 2000 - V. 7. - N. 2. - S. 315-318.
Kravchenko A. I. Rovnice distribuce nečistot v pevném destilátu // Anorganické materiály, 2007. - V. 43. - č. 8. - S. 1021-1022.
Kravchenko A.I. Účinnost čištění v destilačních a krystalizačních procesech // Anorganické materiály, 2010. - V. 46. - č. 1. - S. 99-101.
Kravchenko A. I. Destilace s tažením destilátu // Otázky atomové vědy a technologie, 2008. - č. 1 - Řada: "Vakuum, čisté materiály, supravodiče" (17). - S. 18-19. [jeden]
Kravchenko A. I. Zónová destilace // Issues of atomic science and technology, 2011. - No. 6 - Series: "Vacuum, pure materials, superconductors" (19). - S. 24-26. [2]
Kravchenko A. I. Vývoj perspektivních schémat pro zónovou destilaci // Perspektivní materiály, 2014. - č. 7. - S. 68-72. [www.jpm.ru].
Kravchenko A. I. O distribuci nečistot při fázových přechodech z fáze s dokonalým promícháním // Questions of Atomic Science and Technology, 2011. - č. 6 - Řada: "Vakuum, čisté materiály, supravodiče" (19). - S. 27-29. [3]
Kravchenko A. I. Závislost efektivního separačního koeficientu v některých systémech kovová báze-nečistota na stupni destilace // Anorganické materiály, 2015. - V. 51. - č. 2. - S. 146-147.
Papirov I. I., Kravchenko A. I., Mazin A. I., Shiyan A. V., Virich V. D. Distribuce nečistot v sublimátu hořčíku // Anorganické materiály, 2015. - V. 51. - č. 6. - S. 625-627.
Kirillov Yu. P., Kuznetsov L. A., Shaposhnikov V. A., Churbanov M. F. Vliv difúze na hloubku čištění látek destilací // Anorganické materiály, 2015. - V. 51. - č. 11. - S. 1177 -1189.
Kravchenko A.I. Vztah mezi efektivními a ideálními separačními faktory během destilace a sublimace // Anorganické materiály, 2016. - V. 52. - č. 4. - S. 423-430.
Kirillov Yu. P., Shaposhnikov V. A., Kuznetsov L. A., Shiryaev V. S., Churbanov M. F. Modelování odpařování kapalných látek a kondenzace jejich par během destilace // Anorganické materiály, 2016. — V. 52 . - č. 11. - S. 1256-1261.
Kravchenko A.I. O teplotní závislosti ideálního separačního faktoru v systémech s blízkou těkavostí složek // Questions of Atomic Science and Technology, 2016. - č. 1 - Řada: "Vakuum, čisté materiály, supravodiče" (21). - S. 14-16.
Papirov I. I., Kravchenko A. I., Mazin A. I., Shiyan A. V., Virich V. D. Impurity distributions in magnesium sublimes // Issues of Atomic Science and Technology, 2016. — No. 1 — Series: „Vacuum, pure materials, superconductors“ (21). - S. 21-22.
Zhukov A. I., Kravchenko A. I. Výpočet sublimace s přihlédnutím k difúzi nečistot // Anorganické materiály, 2017. - V. 53. - č. 6. - S. 662-668.
Kravchenko A.I. O použitelnosti ideálního separačního faktoru pro výpočet destilace a sublimace // Issues of Atomic Science and Technology, 2018. - No. 1 - Series: "Vacuum, Pure Materials, Superconductors" (22). - S. 14-17.
Kravchenko A.I. O rafinaci jednoduchých látek destilací s přídavnou složkou // Issues of Atomic Science and Technology, 2018. - No. 1 - Series: "Vacuum, Pure Materials, Superconductors" (22). - S. 9-13.
Kravchenko A. I. Výpočet destilační rafinace látky s těkavými a netěkavými nečistotami // Anorganické materiály, 2018. - V. 54. - č. 5. - S. 520-522.
Kravčenko A. I. Účinnost vícenásobné destilace nebo krystalizační rafinace s daným výtěžkem // Anorganické materiály, 2020. - V. 56. - č. 10. - S. 1112-1116.
Kravčenko A.I., Žukov A.I. Teplotní závislost Peletova čísla v procesech sublimace jednoduchých látek // Anorganic Materials, 2021. - V. 57. - No. 7. - S. 789-795.
Xiaoxin Zh., Semiramis F., Bernd F. Separační chování arsenu a olova od antimonu během vakuové destilace a zónové rafinace // Journal of Materials Research and Technology, 2020. V. 9. Is. 3. str. 4386-4398. [Destilace a zónové tavení antimonu s přídavnými složkami Al a Zn.]
Kravchenko A. I. Kritéria použitelnosti pro vícenásobnou destilační nebo krystalizační rafinaci namísto jediné rafinace při dané produktivitě a výtěžku // Anorganické materiály, 2021. - V. 57. - č. 7. - S. 783-788.
Kravčenko A.I., Žukov A.I. Separační koeficienty a Peletova čísla v odpařovacích rafinačních procesech látek s jednoduchou bází při teplotách blízkých bodu tání // Anorganic Materials, 2022. - V. 58. - No. 8. - S. 891-896.
GOST 2177-99 (ASTM D86). Ropné produkty. Metody stanovení frakčního složení.

Slovníky a encyklopedie

V bibliografických katalozích
BNF : 119348119 GND : 4011543-4 J9U : 987007557956505171 LCCN : sh85038517 NDL : 00575036 NKC : ph228473

Chemické separační metody
reflux Destilace zónové tavení Vícenásobné odpařování Jednorázové odpařování Rekrystalizace postupné odpařování Reflux Extrakce na pevné fázi Frakcionovaná kondenzace Chromatografie Elektrolýza Extrakce

Destilace
Teorie	Raoultův zákon Daltonův zákon Zákony Konovalova teoretická deska Částečný tlak
V průmyslu	Destilační kolona Olejové destiláty
V laboratoři	Rotační výparník
Odrůdy	Suchá destilace vakuová destilace Parní destilace