Distilarea ( lat. stillare - „picurare” din lat. stilla - „picătură” și prefixul „de-”, adică „îndepărtare” [1] ) - distilare, evaporarea unui lichid , urmată de răcirea și condensarea vaporilor . Distilarea este considerată în primul rând ca un proces tehnologic pentru separarea și rafinarea substanțelor multicomponente - într-un număr de alte procese cu transformare de fază și transfer de masă: sublimare , cristalizare, extracție lichidă și altele. Se face o distincție între distilarea cu condensarea vaporilor într-un lichid (în care distilatul rezultat are o compoziție medie datorită amestecării) și distilarea cu condensarea vaporilor într-o fază solidă (în care are loc o distribuție a concentrației componentelor). în condensat). Produsul distilarii este un distilat sau un reziduu (sau ambele), in functie de distilat si scopul procesului. Părțile principale ale dispozitivului de distilare sunt un recipient încălzit (cub) pentru lichidul distilat, un condensator răcit (frigider) și o conductă de abur încălzită care le conectează.
Primele informații despre distilare datează din secolul I și sunt menționate în lucrările alchimiștilor greci din Alexandria (Egipt) [2] . În secolul al XI-lea, în Avicena , distilarea este menționată ca metodă de obținere a uleiurilor esențiale . De la mijlocul secolului al XIX-lea, rectificarea a fost dezvoltată .
Distilarea este utilizată în industrie și în practica de laborator pentru separarea și rafinarea substanțelor complexe: pentru separarea amestecurilor de substanțe organice (de exemplu, separarea uleiului în benzină , kerosen , motorină etc.; obținerea de substanțe parfumate în parfumerie; purificarea etilului ). alcool ) și pentru obținerea de substanțe anorganice de înaltă puritate (de exemplu, metale : beriliu , plumb , zinc , magneziu , cadmiu , mercur ; și nemetale : sulf , seleniu etc.).
În teoria distilarii se ia în considerare în primul rând separarea amestecurilor a două substanțe [1] . Principiul distilării se bazează pe faptul că concentrația unei anumite componente într-un lichid diferă de concentrația sa în vaporii acestui lichid. Raportul = este o caracteristică a procesului și se numește factor de separare (sau distribuție) în timpul distilării. (De asemenea, factorul de separare în timpul distilării se numește valoare ). Factorul de separare depinde de natura componentelor care trebuie separate și de condițiile de distilare. În funcție de condițiile de distilare, există echilibru ideal (determinat doar de presiunile parțiale de vapori ale componentelor pure), de echilibru (când numărul de particule care părăsesc lichidul pe unitatea de timp este egal cu numărul de particule care se întorc în lichid în același timp) și coeficienți efectivi de separare. În practică, distilarea substanțelor depinde foarte mult de intensitatea amestecării lichidului, precum și de interacțiunea impurităților cu componenta principală și cu alte componente de impurități pentru a forma compuși (în legătură cu care distilarea este considerată un proces fizico-chimic) . Coeficientul efectiv de separare al amestecului „substanță de bază – impuritate” poate diferi cu câteva ordine de mărime de coeficientul de separare ideal.
Modurile de distilare se caracterizează prin temperatura de evaporare și gradul de abatere de la echilibrul fază lichid-vapor. De obicei, în procesul de distilare , unde este numărul de particule dintr-o substanță care trec pe unitatea de timp de la lichid la vapori, este numărul de particule care se întorc în același timp de la vapori la lichid, este numărul de particule care trec în condensat în acest moment . Raportul este un indicator al abaterii procesului de la echilibru. Limitatoare sunt modurile în care (starea de echilibru a sistemului lichid-vapori) și (modul de distilare moleculară).
Factorul de separare ideal al unei substanțe cu două componente poate fi exprimat în termeni de presiune și componente pure la temperatura procesului: . Ținând cont de coeficienții de activitate ai componentelor și , care reflectă interacțiunea componentelor în lichid, factorul de separare . Coeficienții de activitate au dependențe de temperatură și concentrație (vezi activitatea (chimie) ). Pe măsură ce temperatura scade, valoarea factorului de separare se îndepărtează de obicei de unitate, adică eficiența separării crește.
La , toate particulele care se evaporă trec în condensat (modul de distilare moleculară). În acest mod, factorul de separare este , unde și sunt greutățile moleculare ale primei și, respectiv, celei de-a doua componente. Determinarea modului molecular de distilare este posibilă prin valoarea , unde este distanța de la evaporator la condensator, este calea liberă medie a moleculelor substanței distilate, este o constantă în funcție de proiectarea aparatului. La , se observă evaporare moleculară, la , se stabilește echilibrul dinamic între lichid și vapori, iar la alte valori, evaporarea are un caracter intermediar. Modul de distilare moleculară poate fi utilizat în diferite procese de distilare, inclusiv rectificare . De obicei, distilarea moleculară se efectuează în vid la presiune de vapori scăzută și cu suprafața de condensare aproape de suprafața de evaporare (ceea ce împiedică ciocnirea particulelor de vapori între ele și cu particulele atmosferei). Metalele sunt distilate într-un mod apropiat de distilarea moleculară. Datorită faptului că factorul de separare în distilare moleculară depinde nu numai de presiunile parțiale ale componentelor, ci și de masele lor moleculare (sau atomice), distilarea moleculară poate fi utilizată pentru a separa amestecuri pentru care sunt amestecuri azeotrope , inclusiv amestecuri. a izotopilor .
În cazul general, descrierea matematică a distilării (și sublimării) este reprezentată ca un sistem de ecuații care conține doi parametri: factorul efectiv de separare β și numărul de difuzie Peclet Pe=w(T)X / ρD(T) , unde w este viteza de evaporare a unei substanțe de pe suprafețe; D este coeficientul de difuzie a impurităților; X este factorul de dimensiune al materialului evaporat (de exemplu, grosimea stratului de material evaporat); ρ este densitatea materiei. Datorită complexității ecuațiilor, soluția acestora poate fi găsită doar prin metode numerice. Într-un caz simplu, când distilarea se efectuează în condiții de amestecare intensivă a lichidului evaporat (și a condensatului), când Pe = 0 sau mic, ecuațiile care raportează conținutul celui de-al doilea component din condensat și din reziduu cu fracția. de distilare sau cu fracția de reziduu în condiții de proces date și o concentrație inițială de lichid ( , și sunt masele condensatului și a reziduului, precum și masa inițială a substanței distilate, respectiv), au o formă simplă cu un parametru β.
La distilarea unei substanțe cu o concentrație mare de componente (cu condensarea vaporilor într-un lichid), cu o ușoară dependență a coeficienților de activitate ai componentelor de concentrațiile lor, relația dintre valori și , atunci când se utilizează concentrații procentuale , are forma:
Pentru distilare cu condensare vapor-la-lichid la un conținut scăzut de impurități
=unde este factorul de separare.
De asemenea, sunt derivate ecuații pentru distribuția componentelor într-un condensat solid obținut prin distilare cu solidificare direcțională a condensatului sau prin distilare în zonă.
Se observă că ecuațiile de distilare descriu nu numai procesele de distribuție a componentelor în sistemele „lichid-vapor”, ci și în alte faze de contact (de exemplu, „cristal lichid-cristal”, „cristal lichid-lichid”, „gaz-cristal”. tranziții cu plasmă” și, de asemenea, tranziții asociate stărilor mecanice cuantice - lichid superfluid , condensat Bose-Einstein ) - atunci când factorii de separare corespunzători sunt substituiți în ele.
Distilarea simplă este evaporarea parțială a unui amestec lichid prin îndepărtarea continuă și condensarea vaporilor rezultați într-un frigider. Condensul rezultat se numește distilat, iar lichidul neevaporat se numește funduri.
Distilarea fracționată (sau distilarea fracționată) este separarea amestecurilor lichide multicomponente în părți, fracții, diferite ca compoziție, prin colectarea condensatului în părți cu volatilitate diferită, începând de la prima, îmbogățit cu o componentă cu punct de fierbere scăzut. Restul lichidului este îmbogățit cu o componentă cu punct de fierbere ridicat. Pentru a îmbunătăți separarea fracțiilor se folosește un condensator de reflux .
Rectificarea este o metodă de distilare în care o parte din condensatul lichid (flegmă) revine constant în cub, îndreptându-se spre vaporii din coloană . Ca urmare, impuritățile conținute în abur trec parțial în flegmă și revin în cub, în timp ce puritatea aburului (și a condensatului) crește.
Distilarea cu condensare a vaporilor într-un gradient de temperatură este un proces de distilare în care condensarea într-o fază solidă se realizează pe o suprafață cu un gradient de temperatură, cu reevaporarea repetată a particulelor de vapori. Componentele mai puțin volatile precipită la temperaturi mai ridicate. Ca rezultat, impuritățile sunt distribuite de-a lungul gradientului de temperatură în condensat, iar cea mai pură parte a condensatului poate fi izolată ca produs. Separarea componentelor aburului în timpul reevaporării urmează propriile sale legi. Deci, în distilare moleculară, raportul dintre cantitățile de și depozitate în condensatorul primei și, respectiv, al doilea componente, este exprimat prin egalitate:
unde și sunt ratele de evaporare a primului component din topitură și, respectiv, de pe suprafața de reevaporare și sunt aceleași pentru a doua componentă și sunt coeficienții de condensare ai primei și, respectiv, celei de-a doua componente, este un coeficient care depinde de suprafața de evaporare și unghiurile de evaporare și reevaporare. Reevaporarea crește eficiența purificării de la impuritățile greu de îndepărtat cu volatilitate scăzută cu un factor de 2-5 și de la impuritățile foarte volatile cu un ordin de mărime sau mai mult (comparativ cu distilare simplă). Acest tip de distilare și-a găsit aplicație în producția industrială de beriliu de înaltă puritate.
Distilarea cu solidificare direcțională a condensului (distilarea cu tragere de distilat) este un proces de distilare într-un recipient alungit cu topirea completă a substanței distilate și condensarea vaporilor într-o fază solidă pe măsură ce condensatul este atras în zona rece. Procesul este conceput teoretic.
În condensul rezultat, are loc o distribuție neuniformă a impurităților, iar cea mai pură parte a condensului poate fi izolată ca produs. Procesul este un analog de distilare al cristalizării direcționale normale. Distribuția impurităților în condensat este descrisă de ecuația:
unde este concentrația de impurități din distilat la o distanță de la început, este înălțimea condensatului când materialul distilat s-a evaporat complet.
Distilarea zonei este un proces de distilare într-un recipient alungit, cu topirea doar a părții superioare a substanței rafinate în zona lichidă care se deplasează în jos, vaporii condensându-se într-o fază solidă pe măsură ce condensul iese în regiunea rece. Procesul este conceput teoretic.
Când încălzitorul de zonă se mișcă de-a lungul recipientului de sus în jos, în recipient se formează condens solid cu o distribuție neuniformă a impurităților, iar cea mai pură parte a condensului poate fi izolată ca produs. Procesul se poate repeta de multe ori, pentru care condensul obtinut in procesul anterior trebuie mutat (fara sa se rastoarne) pe fundul recipientului in locul substantei ce se rafina. Distribuția neuniformă a impurităților în condens (adică eficiența curățării) crește odată cu creșterea numărului de repetări ale procesului.
Distilarea zonei este un analog de distilare al recristalizării zonei. Distribuția impurităților în condensat este descrisă de ecuațiile binecunoscute ale recristalizării zonei cu un număr dat de treceri de zonă - când coeficientul de distribuție pentru cristalizare este înlocuit cu coeficientul de separare pentru distilare. Deci, după o trecere a zonei
unde este concentrația de impurități din condensat la o distanță de la începutul condensului și este lungimea zonei lichide.
Eficiența purificării prin distilare poate fi crescută prin introducerea unei componente suplimentare în sistemul de bază-impuritate (de obicei la o concentrație de 0,5 ... 10%), care modifică volatilitatea relativă a impurității. O variație a metodei este distilarea în atmosferă a substanței active, în principal vapori de apă.
Sunt utilizate și alte tehnici speciale pentru creșterea eficienței distilării unice - cum ar fi un condensator fierbinte, un condensator cu un gradient de temperatură și crearea unui strat de oxid pe suprafața lichidului evaporat.
Se observă că eficiența utilizării tehnicilor speciale de distilare depinde de valoarea factorului de separare ideal în sistemul binar distilat: este mai puțin în sistemele pentru care factorul de separare ideal este mai aproape de unitate.
Dicționare și enciclopedii | ||||
---|---|---|---|---|
|
Metode de separare chimică | |
---|---|
Distilare | ||
---|---|---|
Teorie | ||
În industrie | ||
In laborator | ||
Soiuri |