distilare -Distillation

Afișarea de laborator a distilarii: 1: O sursă de căldură 2: Balon cu fund rotund 3: Cap de caldura 4: Termometru/Temperatura punct de fierbere 5: Condensator 6: Apă de răcire în intrare 7: Apă de răcire în afara 8: Balon de distilare/recepție 9: Vid/gaz admisie 10: Recipient de alambic 11: Controlul căldurii 12: Controlul vitezei agitatorului 13: Agitator/placă de încălzire 14: Baie de încălzire (ulei/nisip) 15: Mecanism de agitare (nu este prezentat) de exemplu așchii de fierbere sau agitator mecanic16: Baie de răcire.

Distilarea sau distilarea clasică este procesul de separare a componentelor sau substanțelor dintr-un amestec lichid prin fierbere selectivă și condensare . Distilarea uscată este încălzirea materialelor solide pentru a produce produse gazoase (care se pot condensa în lichide sau solide). Distilarea uscată poate implica modificări chimice, cum ar fi distilarea distructivă sau cracarea și nu este discutată în acest articol. Distilarea poate duce la o separare în esență completă (componente aproape pure) sau poate fi o separare parțială care crește concentrația componentelor selectate în amestec. În ambele cazuri, procesul exploatează diferențele de volatilitate relativă a componentelor amestecului. În aplicațiile industriale , distilarea este o operațiune unitară de importanță practic universală, dar este un proces fizic de separare, nu o reacție chimică .

Distilarea are multe aplicații. De exemplu:

O instalație folosită pentru distilarea, în special a băuturilor distilate, este o distilerie. Echipamentul de distilare în sine este un alambic .

Istorie

Echipament de distilare folosit de alchimistul Zosimos din Panopolis din secolul al III-lea , din manuscrisul grecesc bizantin Parisinus graces.

Dovezi timpurii de distilare au fost găsite pe tabletele akkadiene datate c. 1200 î.Hr. descriind operațiunile de parfumerie. Tăblițele au oferit dovezi textuale că o formă primitivă timpurie de distilare era cunoscută de babilonienii din Mesopotamia antică . S-au găsit dovezi timpurii de distilare legate de alchimiștii care lucrau în Alexandria , în Egiptul roman, în secolul I d.Hr.

Distilarea a fost practicată în vechiul subcontinent indian , ceea ce este evident din retortele și recipientele de lut copt găsite la Taxila , Shaikhan Dheri și Charsadda în Pakistanul modern , datând din primele secole ale Epocii Comune . Aceste „ alambicuri Gandhara ” erau capabile doar să producă lichior foarte slab , deoarece nu existau mijloace eficiente de colectare a vaporilor la căldură scăzută. Apa distilată a fost folosită de cel puțin c. 200 d.Hr., când Alexandru de Afrodisia a descris procesul. Lucrările privind distilarea altor lichide au continuat la începutul Egiptului bizantin sub Zosimus din Panopolis în secolul al III-lea.

Distilarea în China poate să fi început în timpul dinastiei Han de Est (secolele I–II d.Hr.), dar distilarea băuturilor a început în dinastiile Jin (secolele XII–XIII) și Southern Song (secolele X–XIII), conform dovezilor arheologice.

Chimiștii musulmani medievali precum Jābir ibn Ḥayyān (latină: Geber, secolul al IX-lea) și Abū Bakr al-Rāzī (latină: Rhazes, c.  865–925 ) au experimentat intens cu distilarea diferitelor substanțe.

Distilarea vinului este atestată în lucrările arabe atribuite lui al-Kindī (c. 801–873 d.Hr.) și al-Fārābī (c. 872–950), și în cea de-a 28-a carte a lui al-Zahrāwī (în latină: Abulcasis). , 936–1013) Kitāb al-Taṣrīf (tradus ulterior în latină ca Liber servatoris ). În secolul al XII-lea, rețetele pentru producerea de aqua ardens („apă care arde”, adică etanol) prin distilarea vinului cu sare au început să apară într-o serie de lucrări latine, iar până la sfârșitul secolului al XIII-lea a devenit un larg. substanță cunoscută printre chimiștii din Europa de Vest. Lucrările lui Taddeo Alderotti (1223–1296) descriu o metodă de concentrare a alcoolului care implică distilare repetată printr-un alambic răcit cu apă, prin care se poate obține o puritate a alcoolului de 90%.

Distilarea fracționată a substanțelor organice joacă un rol important în lucrările atribuite lui Jābir ibn Ḥayyān, cum ar fi în Kitāb al-Sabʿīn („Cartea celor șaptezeci”), tradusă în latină de Gerard de Cremona (c. 1114–1187) sub titlul Liber de septuaginta . Experimentele jabiriene cu distilarea fracționată a substanțelor animale și vegetale, și într-o măsură mai mică, de asemenea, a substanțelor minerale, este subiectul principal al De anima in arte alkimiae , o lucrare inițial arabă atribuită în mod fals lui Avicenna , care a fost tradusă în latină și va merge. pentru a forma cea mai importantă sursă alchimică pentru Roger Bacon ( c.  1220–1292 ).

Un alambic a fost găsit într-un sit arheologic din Qinglong, provincia Hebei , din China, datând din secolul al XII-lea. Băuturile distilate au fost comune în timpul dinastiei Yuan (secolele XIII-XIV).

În 1500, alchimistul german Hieronymus Braunschweig a publicat Liber de arte destillandi ( Cartea artei distilarii ), prima carte dedicată exclusiv subiectului distilării, urmată în 1512 de o versiune mult extinsă. În 1651, John French a publicat The Art of Distillation , primul compendiu englez important despre practică, dar s-a susținut că o mare parte din aceasta derivă din opera lui Braunschweig. Aceasta include diagrame cu oameni din ele care arată mai degrabă scara industrială a operațiunii decât cea de banc.

Institutul de istorie a științei, Liber de arte Distillandi de Compositis (Strassburg, 1512) al lui Hieronymus Brunschwig
Distilare
Vodcă ucraineană veche încă
Distilarea lichiorului simplu în Timorul de Est

Pe măsură ce alchimia a evoluat în știința chimiei , vasele numite retorte au fost folosite pentru distilare. Atât alambicurile , cât și retortele sunt forme de sticlă cu gâturile lungi îndreptate spre lateral într-un unghi în jos pentru a acționa ca condensatoare răcite cu aer pentru a condensa distilatul și a-l lăsa să picure în jos pentru colectare. Mai târziu, au fost inventate alambicurile de cupru. Îmbinările nituite erau adesea ținute strânse prin utilizarea diferitelor amestecuri, de exemplu un aluat din făină de secară. Aceste alambicuri aveau adesea un sistem de răcire în jurul ciocului, folosind apă rece, de exemplu, ceea ce făcea condensarea alcoolului mai eficientă. Acestea se numeau alambicuri . Astăzi, retortele și alambicurile au fost în mare măsură înlocuite de metode de distilare mai eficiente în majoritatea proceselor industriale. Cu toate acestea, oala este încă folosită pe scară largă pentru elaborarea unor alcooli fini, cum ar fi coniac , whisky scoțian , whisky irlandez , tequila , rom , cachaça și unele vodka . Alambicurile din diverse materiale (lemn, lut, oțel inoxidabil) sunt folosite și de contrabandierii din diverse țări. Alambicurile mici sunt, de asemenea, vândute pentru a fi utilizate în producția internă de apă de flori sau uleiuri esențiale .

Formele timpurii de distilare au implicat procese discontinue folosind o vaporizare și o condensare. Puritatea a fost îmbunătățită prin distilarea ulterioară a condensatului. Au fost prelucrate volume mai mari prin simpla repetare a distilării. Se spune că chimiștii au efectuat până la 500 până la 600 de distilare pentru a obține un compus pur.

La începutul secolului al XIX-lea, au fost dezvoltate bazele tehnicilor moderne, inclusiv preîncălzirea și refluxul . În 1822, Anthony Perrier a dezvoltat unul dintre primele alambicuri continue, iar apoi, în 1826, Robert Stein și-a îmbunătățit designul pentru a-și face brevetul alambic . În 1830, Aeneas Coffey a obținut un brevet pentru a îmbunătăți și mai mult designul. Alambicul continuu al lui Coffey poate fi privit ca arhetipul unităților petrochimice moderne. Inginerul francez Armand Savalle și-a dezvoltat regulatorul de abur în jurul anului 1846. În 1877, lui Ernest Solvay i s-a acordat un brevet american pentru o coloană cu tavă pentru distilarea amoniacului , iar în aceeași perioadă și în anii următori s-au înregistrat evoluții în această temă pentru uleiuri și băuturi spirtoase.

Odată cu apariția ingineriei chimice ca disciplină la sfârșitul secolului al XIX-lea, s-ar putea aplica mai degrabă metode științifice decât empirice. Industria petrolieră în curs de dezvoltare la începutul secolului al XX-lea a oferit impulsul dezvoltării unor metode de proiectare precise, cum ar fi metoda McCabe-Thiele de Ernest Thiele și ecuația Fenske . Prima fabrică industrială din Statele Unite care a folosit distilarea ca mijloc de desalinizare a oceanelor a fost deschisă în Freeport, Texas, în 1961, cu speranța de a aduce securitatea apei în regiune. Disponibilitatea calculatoarelor puternice a permis simulări directe pe computer ale coloanelor de distilare.

Aplicații

Aplicarea distilarii poate fi împărțită aproximativ în patru grupe: la scară de laborator , distilare industrială , distilarea ierburilor pentru parfumerie și medicamente ( distilat de plante ) și prelucrarea alimentelor . Ultimele două se deosebesc în mod distinct de primele două prin aceea că distilarea nu este utilizată ca o adevărată metodă de purificare, ci mai mult pentru a transfera toate substanțele volatile din materialele sursă la distilat în procesul de prelucrare a băuturilor și ierburilor.

Principala diferență dintre distilarea la scară de laborator și distilarea industrială este că distilarea la scară de laborator este adesea efectuată pe bază de lot, în timp ce distilarea industrială are loc adesea continuu. La distilarea discontinuă , compoziția materialului sursă, vaporii compușilor de distilare și distilatul se modifică în timpul distilării. La distilarea discontinuă, un alambic este încărcat (furnizat) cu un lot de amestec de furaj, care este apoi separat în fracțiile sale componente, care sunt colectate secvenţial de la cel mai volatil la cel mai puțin volatil, cu fundul - rămasă fracțiunea cea mai puțin volatilă sau nevolatilă - îndepărtat la sfârșit. Alambicul poate fi apoi reîncărcat și procesul repetat.

La distilare continuă , materialele sursă, vaporii și distilatul sunt menținute la o compoziție constantă prin completarea cu atenție a materialului sursă și îndepărtarea fracțiilor atât din vapori, cât și din lichid din sistem. Acest lucru are ca rezultat un control mai detaliat al procesului de separare.

Model idealizat

Punctul de fierbere al unui lichid este temperatura la care presiunea de vapori a lichidului este egală cu presiunea din jurul lichidului, permițând să se formeze bule fără a fi zdrobite. Un caz special este punctul normal de fierbere , unde presiunea de vapori a lichidului este egală cu presiunea atmosferică ambientală .

Este o concepție greșită că într-un amestec lichid la o anumită presiune, fiecare component fierbe la punctul de fierbere corespunzător presiunii date, permițând vaporilor fiecărui component să se colecteze separat și pur. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă, nici măcar într-un sistem idealizat. Modelele idealizate de distilare sunt guvernate în esență de legea lui Raoult și legea lui Dalton și presupun că echilibrul vapor-lichid este atins.

Legea lui Raoult spune că presiunea de vapori a unei soluții depinde de 1) presiunea de vapori a fiecărei componente chimice din soluție și 2) de fracția de soluție pe care o formează fiecare componentă, adică fracția molară . Această lege se aplică soluțiilor ideale sau soluțiilor care au componente diferite, dar ale căror interacțiuni moleculare sunt identice sau foarte asemănătoare cu soluțiile pure.

Legea lui Dalton spune că presiunea totală este suma presiunilor parțiale ale fiecărui component individual din amestec. Când un lichid multicomponent este încălzit, presiunea de vapori a fiecărei componente va crește, determinând astfel creșterea presiunii totale a vaporilor. Când presiunea totală a vaporilor atinge presiunea din jurul lichidului, are loc fierbere și lichidul se transformă în gaz în cea mai mare parte a lichidului. Un amestec cu o compoziție dată are un punct de fierbere la o presiune dată când componentele sunt reciproc solubile. Un amestec de compoziție constantă nu are mai multe puncte de fierbere.

O implicație a unui punct de fierbere este că componentele mai ușoare nu „fierb mai întâi” curat. La punctul de fierbere, toate componentele volatile fierb, dar pentru o componentă, procentul său în vapori este același cu procentul său din presiunea totală a vaporilor. Componentele mai ușoare au o presiune parțială mai mare și, prin urmare, sunt concentrate în vapori, dar componentele volatile mai grele au și o presiune parțială (mai mică) și se vaporizează neapărat, deși la o concentrație mai mică în vapori. Într-adevăr, distilarea în lot și fracționarea reușesc prin variarea compoziției amestecului. La distilarea discontinuă, lotul se vaporizează, ceea ce îi modifică compoziția; în fracţionare, lichidul mai sus în coloana de fracţionare conţine mai multe lumini şi fierbe la temperaturi mai scăzute. Prin urmare, pornind de la un amestec dat, acesta pare să aibă un interval de fierbere în loc de un punct de fierbere, deși acest lucru se datorează faptului că compoziția sa se modifică: fiecare amestec intermediar are propriul său punct de fierbere singular.

Modelul idealizat este precis în cazul lichidelor similare din punct de vedere chimic, cum ar fi benzenul și toluenul . În alte cazuri, se observă abateri severe de la legea lui Raoult și legea lui Dalton, cel mai cunoscut în amestecul de etanol și apă. Acești compuși, atunci când sunt încălziți împreună, formează un azeotrop , adică atunci când faza de vapori și faza lichidă conțin aceeași compoziție. Deși există metode de calcul care pot fi utilizate pentru a estima comportamentul unui amestec de componente arbitrare, singura modalitate de a obține date exacte de echilibru vapor-lichid este prin măsurare.

Nu este posibilă purificarea completă a unui amestec de componente prin distilare, deoarece aceasta ar necesita ca fiecare componentă din amestec să aibă o presiune parțială zero . Dacă scopul sunt produsele ultra-pure, atunci trebuie aplicată o separare chimică suplimentară. Când un amestec binar este vaporizat și cealaltă componentă, de exemplu, o sare, are presiune parțială zero în scopuri practice, procesul este mai simplu.

Distilare discontinuă sau diferențială

Un lot care arată încă separarea dintre A și B.

Încălzirea unui amestec ideal de două substanțe volatile, A și B, cu A având o volatilitate mai mare sau un punct de fierbere mai mic, într-o configurație de distilare în lot (cum ar fi într-un aparat descris în figura de deschidere) până când amestecul fierbe are ca rezultat o vapori deasupra lichidului care conține un amestec de A și B. Raportul dintre A și B în vapori va fi diferit de raportul din lichid. Raportul din lichid va fi determinat de modul în care a fost preparat amestecul original, în timp ce raportul din vapori va fi îmbogățit în compusul mai volatil, A (datorită Legii lui Raoult, vezi mai sus). Vaporii trec prin condensator și sunt îndepărtați din sistem. Aceasta, la rândul său, înseamnă că raportul compușilor din lichidul rămas este acum diferit de raportul inițial (adică, mai îmbogățit în B decât în ​​lichidul de pornire).

Rezultatul este că raportul din amestecul lichid se modifică, devenind mai bogat în componenta B. Acest lucru face ca punctul de fierbere al amestecului să crească, ceea ce are ca rezultat o creștere a temperaturii în vapori, ceea ce are ca rezultat o schimbare a raportului de A. : B în faza gazoasă (pe măsură ce distilarea continuă, există o proporție tot mai mare de B în faza gazoasă). Acest lucru are ca rezultat o schimbare lentă a raportului de A : B în distilat.

Dacă diferența de presiune a vaporilor dintre cele două componente A și B este mare – exprimată în general ca diferență de puncte de fierbere – amestecul de la începutul distilarii este foarte îmbogățit în componenta A, iar când componenta A s-a distilat, fierbere lichidul este îmbogățit în componenta B.

Distilare continuă

Distilarea continuă este o distilare în curs în care un amestec lichid este alimentat continuu (fără întrerupere) în proces și fracțiile separate sunt îndepărtate continuu pe măsură ce fluxurile de ieșire apar în timp în timpul operațiunii. Distilarea continuă produce cel puțin două fracții de ieșire, inclusiv cel puțin o fracție volatilă de distilat, care a fiert și a fost captată separat ca vapori și apoi condensată într-un lichid. Există întotdeauna o fracțiune de fund (sau reziduu), care este cel mai puțin volatil reziduu care nu a fost captat separat ca vapori condensați.

Distilarea continuă diferă de distilarea discontinuă prin faptul că concentrațiile nu ar trebui să se modifice în timp. Distilarea continuă poate fi efectuată la starea de echilibru pentru o perioadă de timp arbitrară. Pentru orice material sursă de compoziție specifică, principalele variabile care afectează puritatea produselor în distilare continuă sunt raportul de reflux și numărul de etape de echilibru teoretic, determinate în practică de numărul de tăvi sau de înălțimea de ambalare. Refluxul este un flux de la condensator înapoi la coloană, care generează o reciclare care permite o mai bună separare cu un anumit număr de tăvi. Etapele de echilibru sunt pași ideali în care compozițiile ating echilibrul vapor-lichid, repetând procesul de separare și permițând o separare mai bună având în vedere un raport de reflux. O coloană cu un raport mare de reflux poate avea mai puține etape, dar refluxează o cantitate mare de lichid, dând o coloană largă cu o reținere mare. Dimpotrivă, o coloană cu un raport de reflux scăzut trebuie să aibă un număr mare de trepte, necesitând astfel o coloană mai înaltă.

Îmbunătățiri generale

Atât distilările discontinue, cât și cele continue pot fi îmbunătățite prin utilizarea unei coloane de fracționare deasupra balonului de distilare. Coloana îmbunătățește separarea oferind o suprafață mai mare pentru ca vaporii și condensul să intre în contact. Acest lucru îl ajută să rămână în echilibru cât mai mult timp posibil. Coloana poate fi formată chiar din subsisteme mici („tăvi” sau „vase”) care conțin toate un amestec lichid îmbogățit, care fierbe, toate cu propriul echilibru vapor-lichid.

Există diferențe între coloanele de fracționare la scară de laborator și la scară industrială, dar principiile sunt aceleași. Exemple de coloane de fracționare la scară de laborator (în creștere a eficienței) includ

Proceduri de laborator

Distilările la scară de laborator sunt efectuate aproape exclusiv ca distilări discontinue. Dispozitivul folosit la distilare, denumit uneori alambic , constă cel puțin dintr-un refierbetor sau oală în care materialul sursă este încălzit, un condensator în care vaporii încălziți sunt răciți înapoi la starea lichidă și un recipient în care se colectează lichidul concentrat sau purificat, numit distilat. Există mai multe tehnici de distilare la scară de laborator (vezi și tipuri de distilare ).

Un aparat de distilare complet etanș ar putea experimenta o presiune internă extremă și rapidă variabilă, ceea ce ar putea face ca acesta să se deschidă la îmbinări. Prin urmare, o cale este de obicei lăsată deschisă (de exemplu, la balonul receptor) pentru a permite presiunii interne să se egaleze cu presiunea atmosferică. Alternativ, o pompă de vid poate fi utilizată pentru a menține aparatul la o presiune mai mică decât presiunea atmosferică. Dacă substanțele implicate sunt sensibile la aer sau la umiditate, conexiunea la atmosferă se poate face printr-unul sau mai multe tuburi de uscare împachetate cu materiale care curăță componentele nedorite ale aerului sau prin barbotoare care asigură o barieră mobilă împotriva lichidului. În cele din urmă, intrarea componentelor de aer nedorite poate fi prevenită prin pomparea unui flux scăzut, dar constant de gaz inert adecvat, cum ar fi azotul , în aparat.

Distilare simplă

Schema unei configurații simple de distilare.

La distilare simplă, vaporii sunt imediat canalizați într-un condensator. În consecință, distilatul nu este pur, ci mai degrabă compoziția sa este identică cu compoziția vaporilor la temperatura și presiunea date. Această concentrare urmează legea lui Raoult .

Ca rezultat, distilare simplă este eficientă numai atunci când punctele de fierbere ale lichidului diferă foarte mult (regula de bază este de 25 °C) sau când se separă lichidele de solide sau uleiuri nevolatile. În aceste cazuri, presiunile de vapori ale componentelor sunt de obicei suficient de diferite încât distilatul poate fi suficient de pur pentru scopul său.

În dreapta este prezentată o schemă în secțiune a unei operații simple de distilare. Lichidul de pornire 15 din balonul de fierbere 2 este încălzit printr-o plită combinată și un agitator magnetic 13 printr-o baie de ulei siliconic (portocaliu, 14). Vaporii curg printr-o coloană scurtă Vigreux 3, apoi printr-un condensator Liebig 5, este răcit de apă (albastru) care circulă prin porturile 6 și 7. Lichidul condensat se scurge în balonul receptor 8, așezat într-o baie de răcire (albastru, 16). Adaptorul 10 are o conexiune 9 care poate fi montată pe o pompă de vid. Componentele sunt conectate prin îmbinări din sticlă șlefuită .

Distilație fracțională

În multe cazuri, punctele de fierbere ale componentelor din amestec vor fi suficient de apropiate încât legea lui Raoult trebuie luată în considerare. Prin urmare, distilare fracţionată trebuie utilizată pentru a separa componentele prin cicluri repetate de vaporizare-condensare într-o coloană de fracţionare compactă. Această separare, prin distilare succesivă, este denumită și rectificare.

Pe măsură ce soluția de purificat este încălzită, vaporii ei se ridică în coloana de fracționare . Pe măsură ce se ridică, se răcește, condensându-se pe pereții condensatorului și pe suprafețele materialului de ambalare. Aici, condensul continuă să fie încălzit de vaporii fierbinți în creștere; se vaporizează încă o dată. Totuși, compoziția vaporilor proaspeți este determinată încă o dată de legea lui Raoult. Fiecare ciclu de vaporizare-condensare (numit placă teoretică ) va produce o soluție mai pură a componentei mai volatile. În realitate, fiecare ciclu la o anumită temperatură nu are loc exact în aceeași poziție în coloana de fracționare; placa teoretică este astfel un concept mai degrabă decât o descriere exactă.

Plăcile mai teoretice duc la separari mai bune. Un sistem de distilare cu bandă rotativă folosește o bandă rotativă de teflon sau metal pentru a forța vaporii care se ridică în contact strâns cu condensatul care coboară, crescând numărul de plăci teoretice.

Distilarea cu abur

La fel ca distilarea în vid , distilarea cu abur este o metodă de distilare a compușilor care sunt sensibili la căldură. Temperatura aburului este mai ușor de controlat decât suprafața unui element de încălzire și permite o rată mare de transfer de căldură fără încălzire la o temperatură foarte ridicată. Acest proces presupune barbotarea aburului printr-un amestec încălzit de materie primă. După legea lui Raoult, o parte din compusul țintă se va vaporiza (în conformitate cu presiunea sa parțială). Amestecul de vapori este răcit și condensat, rezultând de obicei un strat de ulei și un strat de apă.

Distilarea cu abur a diferitelor ierburi aromatice și flori poate avea ca rezultat două produse; un ulei esențial precum și un distilat apos din plante . Uleiurile esențiale sunt adesea folosite în parfumerie și aromoterapie , în timp ce distilatele apoase au multe aplicații în aromoterapie , procesarea alimentelor și îngrijirea pielii .

Dimetilsulfoxidul fierbe de obicei la 189  °C. Sub vid, se distilă în recipient la numai 70  °C.
Configurația de distilare a triunghiului Perkin
  1. Bara de agitare/granule anti-loc
  2. Încă oala
  3. Coloana de fracționare
  4. Termometru/Temperatura punct de fierbere
  5. Robinet de teflon 1
  6. Deget rece
  7. Apa de răcire afară
  8. Apa de racire in
  9. Robinet de teflon 2
  10. Intrare vid/gaz
  11. Robinet de teflon 3
  12. încă receptor

Distilarea în vid

Unii compuși au puncte de fierbere foarte mari. Pentru a fierbe astfel de compuși, este adesea mai bine să scădeți presiunea la care astfel de compuși sunt fierți în loc să creșteți temperatura. Odată ce presiunea este scăzută la presiunea de vapori a compusului (la temperatura dată), poate începe fierberea și restul procesului de distilare. Această tehnică este denumită distilare în vid și se găsește în mod obișnuit în laborator sub forma evaporatorului rotativ .

Această tehnică este, de asemenea, foarte utilă pentru compușii care fierb peste temperatura lor de descompunere la presiunea atmosferică și care, prin urmare, ar fi descompuse prin orice încercare de a le fierbe sub presiunea atmosferică.

Cale scurtă și distilare moleculară

Distilarea moleculară este distilarea în vid sub presiunea de 0,01 torr . 0,01 torr este cu un ordin de mărime deasupra vidului înalt , unde fluidele sunt în regim de curgere moleculară liberă , adică calea liberă medie a moleculelor este comparabilă cu dimensiunea echipamentului. Faza gazoasă nu mai exercită o presiune semnificativă asupra substanței care trebuie evaporată și, în consecință, viteza de evaporare nu mai depinde de presiune. Adică, deoarece ipotezele continuum ale dinamicii fluidelor nu se mai aplică, transportul de masă este guvernat mai degrabă de dinamica moleculară decât de dinamica fluidelor. Astfel, este necesară o cale scurtă între suprafața fierbinte și suprafața rece, de obicei prin suspendarea unei plăci fierbinți acoperită cu o peliculă de furaj lângă o placă rece cu o linie de vedere între ele. Distilarea moleculară este utilizată industrial pentru purificarea uleiurilor.

Aparat de distilare în vid pe cale scurtă cu condensator vertical (deget rece), pentru a minimiza calea de distilare;
  1. Oală cu agitator/granule anti-loc
  2. Degetul rece – îndoit pentru a direcționa condensul
  3. Apa de răcire afară
  4. apa de racire in
  5. Intrare vid/gaz
  6. Balon de distilat/distilat.

Distilarea pe cale scurtă este o tehnică de distilare care presupune parcurgerea distilatului pe o distanță scurtă, adesea doar câțiva centimetri, și se face în mod normal la presiune redusă. Un exemplu clasic ar fi o distilare care implică distilatul care se deplasează de la un bec de sticlă la altul, fără a fi nevoie de un condensator care să separe cele două camere. Această tehnică este adesea folosită pentru compușii care sunt instabili la temperaturi ridicate sau pentru a purifica cantități mici de compus. Avantajul este că temperatura de încălzire poate fi considerabil mai mică (la presiune redusă) decât punctul de fierbere al lichidului la presiune standard, iar distilatul trebuie să parcurgă doar o mică distanţă înainte de condensare. O cale scurtă asigură că puțin compus se pierde pe părțile laterale ale aparatului. Aparatul Kugelrohr este un fel de metodă de distilare pe cale scurtă care conține adesea mai multe camere pentru a colecta fracțiunile distilate.

Distilare în vid sensibilă la aer

Unii compuși au puncte de fierbere ridicate și sunt sensibili la aer . Se poate utiliza un sistem simplu de distilare în vid, așa cum s-a exemplificat mai sus, prin care vidul este înlocuit cu un gaz inert după ce distilarea este completă. Totuși, acesta este un sistem mai puțin satisfăcător dacă se dorește să colecteze fracții sub o presiune redusă. Pentru a face acest lucru se poate adăuga un adaptor „vacă” sau „porc” la capătul condensatorului, sau pentru rezultate mai bune sau pentru compuși foarte sensibili la aer poate fi folosit un aparat triunghi Perkin .

Triunghiul Perkin are mijloace prin intermediul unei serii de robinete din sticlă sau teflon pentru a permite fracțiilor să fie izolate de restul alambicului , fără ca corpul principal al distilarii să fie îndepărtat fie din vid, fie din sursa de căldură și, astfel, poate rămâne într-un stare de reflux . Pentru a face acest lucru, proba este mai întâi izolată de vid prin intermediul robinetelor, vidul peste eșantion este apoi înlocuit cu un gaz inert (cum ar fi azotul sau argonul ) și apoi poate fi închis și îndepărtat. Un vas de colectare proaspăt poate fi apoi adăugat la sistem, evacuat și conectat înapoi în sistemul de distilare prin intermediul robinetelor pentru a colecta oa doua fracție și așa mai departe, până când toate fracțiile au fost colectate.

Distilarea zonei

Distilarea zonei este un proces de distilare într-un recipient lung, cu topirea parțială a materiei rafinate în zona lichidă în mișcare și condensarea vaporilor în faza solidă la tragerea condensului în zona rece. Procesul este lucrat în teorie. Când încălzitorul de zonă se mișcă din partea de sus în partea de jos a recipientului, se formează condens solid cu distribuție neregulată a impurităților. Apoi cea mai pură parte a condensului poate fi extrasă ca produs. Procesul poate fi repetat de mai multe ori prin mutarea (fără rotație) a condensului primit în partea inferioară a recipientului pe locul materiei rafinate. Distribuția neregulată a impurităților în condensat (adică eficiența purificării) crește odată cu numărul de iterații. Distilarea zonei este analogul de distilare al recristalizării zonei. Distribuția impurităților în condensat este descrisă prin ecuații cunoscute ale recristalizării zonei – cu înlocuirea coeficientului de distribuție k de cristalizare – pentru factorul de separare α al distilarii.

Alte tipuri

  • Procesul de distilare reactivă implică utilizarea vasului de reacție ca alambic. În acest proces, produsul are de obicei un punct de fierbere semnificativ mai mic decât reactanții săi. Pe măsură ce produsul se formează din reactanți, acesta este vaporizat și îndepărtat din amestecul de reacție. Această tehnică este un exemplu de proces continuu vs. avantajele includ mai puțin timp de oprire pentru încărcarea vasului de reacție cu materialul de pornire și mai puțină prelucrare. Distilarea „peste un reactant” ar putea fi clasificată ca o distilare reactivă. Este utilizat în mod obișnuit pentru a îndepărta impuritățile volatile din alimentarea de dislocare. De exemplu, se poate adăuga puțin var pentru a îndepărta dioxidul de carbon din apă, urmat de o a doua distilare cu puțin acid sulfuric adăugat pentru a îndepărta urmele de amoniac.
  • Distilarea catalitică este procesul prin care reactanții sunt catalizați în timp ce sunt distilați pentru a separa continuu produsele de reactanți. Această metodă este utilizată pentru a ajuta reacțiile de echilibru să ajungă la finalizare.
  • Pervaporarea este o metodă de separare a amestecurilor de lichide prin vaporizare parțială printr-o membrană neporoasă .
  • Distilarea extractivă este definită ca distilarea în prezența unui component miscibil, cu punct de fierbere ridicat, relativ nevolatil, solventul, care nu formează azeotrop cu celelalte componente din amestec.
  • Evaporarea rapidă (sau evaporarea parțială) este vaporizarea parțială care are loc atunci când un curent de lichid saturat suferă o reducere a presiunii prin trecerea printr-o supapă de reglare sau alt dispozitiv de reglare. Acest proces este una dintre cele mai simple operații unitare, fiind echivalent cu o distilare cu o singură etapă de echilibru.
  • Codistilarea este distilarea care se efectuează pe amestecuri în care cei doi compuși nu sunt miscibili. În laborator, aparatul Dean-Stark este folosit în acest scop pentru a îndepărta apa din produsele de sinteză. Aparatul Bleidner este un alt exemplu cu doi solvenți de reflux.
  • Distilarea cu membrană este un tip de distilare în care vaporii unui amestec de separat sunt trecuți printr-o membrană, care pătrunde selectiv o componentă a amestecului. Diferența de presiune a vaporilor este forța motrice. Are aplicații potențiale în desalinizarea apei de mare și în îndepărtarea componentelor organice și anorganice.

Procesul unitar de evaporare poate fi numit și „distilare”:

  • În evaporarea rotativă se folosește un aparat de distilare în vid pentru a îndepărta solvenții în vrac dintr-o probă. De obicei, vidul este generat de un aspirator de apă sau de o pompă cu membrană .
  • Într-un aparat Kugelrohr, un aparat de distilare cu cale scurtă este utilizat în mod obișnuit (în general în combinație cu un vid (înalt)) pentru a distila compuși cu punct de fierbere ridicat (> 300 °C). Aparatul constă dintr-un cuptor în care este plasat compusul care urmează să fie distilat, o porțiune de primire care se află în afara cuptorului și un mijloc de rotire a probei. În mod normal, vidul este generat prin utilizarea unei pompe de vid înalt.

Alte utilizări:

  • Distilarea uscată sau distilarea distructivă , în ciuda numelui, nu este cu adevărat distilare, ci mai degrabă o reacție chimică cunoscută sub numele de piroliză în care substanțele solide sunt încălzite într-o atmosferă inertă sau reducătoare și orice fracțiuni volatile, care conțin lichide cu punct de fierbere ridicat și produse de piroliză, sunt colectate. Distilarea distructivă a lemnului pentru a da metanol este rădăcina numelui său comun - alcool de lemn .
  • Distilarea prin congelare este o metodă analogă de purificare folosind înghețarea în loc de evaporare. Nu este o distilare cu adevărat, ci o recristalizare în care produsul este lichidul mamă și nu produce produse echivalente cu distilare. Acest proces este utilizat în producția de bere și vin de gheață pentru a crește conținutul de etanol și , respectiv, zahăr . De asemenea, este folosit pentru a produce Applejack . Spre deosebire de distilare, distilarea prin congelare concentrează congenerii otrăvitori mai degrabă decât să-i îndepărteze; Drept urmare, multe țări interzic astfel de mere ca măsură de sănătate. De asemenea, distilarea prin evaporare le poate separa, deoarece au puncte de fierbere diferite.
  • Distilarea prin filtrare: În alchimia și chimia timpurie, altfel cunoscută sub numele de filozofie naturală, o formă de „distilare” prin filtrare capilară era cunoscută la acea vreme ca formă de distilare. În aceasta, o serie de căni sau boluri au fost așezate pe un suport în trepte cu un „fitil” din bumbac sau material ca pâslă, care a fost umezit cu apă sau cu un lichid limpede, cu fiecare pas care picura prin pânza umedă prin acțiune capilară. în etapele următoare, creând o „purificare” a lichidului, lăsând în urmă materiale solide în bolurile superioare și purificând produsul care urmează prin acțiune capilară prin cârpa umezită. Aceasta a fost numită „distillatio” prin filtrare de către cei care foloseau metoda.

Procesul azeotrop

Interacțiunile dintre componentele soluției creează proprietăți unice pentru soluție, deoarece majoritatea proceselor presupun amestecuri neideale, unde legea lui Raoult nu este valabilă. Astfel de interacțiuni pot avea ca rezultat un azeotrop cu fierbere constantă care se comportă ca și cum ar fi un compus pur (adică fierbe la o singură temperatură în loc de un interval). La un azeotrop, soluția conține componenta dată în aceeași proporție cu vaporii, astfel încât evaporarea să nu schimbe puritatea, iar distilarea să nu efectueze separarea. De exemplu, alcoolul etilic și apa formează un azeotrop de 95,6% la 78,1 °C.

Dacă azeotropul nu este considerat suficient de pur pentru utilizare, există unele tehnici de rupere a azeotropului pentru a da un distilat pur. Acest set de tehnici sunt cunoscute sub numele de distilare azeotropă . Unele tehnici realizează acest lucru prin „sărirea” peste compoziția azeotropă (prin adăugarea unei alte componente pentru a crea un nou azeotrop sau prin variarea presiunii). Alții lucrează prin îndepărtarea sau sechestrarea chimică sau fizică a impurităților. De exemplu, pentru a purifica etanolul peste 95%, se poate adăuga un agent de uscare (sau un desicant , cum ar fi carbonatul de potasiu ) pentru a transforma apa solubilă în apă insolubilă de cristalizare . Sitele moleculare sunt adesea folosite și în acest scop.

Lichidele nemiscibile, cum ar fi apa și toluenul , formează cu ușurință azeotropi. În mod obișnuit, acești azeotropi sunt denumiți azeotrop cu punct de fierbere scăzut deoarece punctul de fierbere al azeotropului este mai mic decât punctul de fierbere al oricărei componente pure. Temperatura și compoziția azeotropului este ușor de prezis din presiunea de vapori a componentelor pure, fără utilizarea legii lui Raoult. Azeotropul se sparge cu ușurință într-o instalație de distilare prin utilizarea unui separator lichid-lichid (un decantor) pentru a separa cele două straturi de lichid care sunt condensate deasupra capului. Doar unul dintre cele două straturi de lichid este refluxat în instalația de distilare.

Există, de asemenea, azeotropi cu punct de fierbere ridicat, cum ar fi un amestec de 20% în greutate de acid clorhidric în apă. După cum sugerează numele, punctul de fierbere al azeotropului este mai mare decât punctul de fierbere al oricărei componente pure.

Pentru a rupe distilațiile azeotrope și a depăși granițele de distilare, cum ar fi în problema DeRosier, este necesară creșterea compoziției cheii luminii din distilat.

Ruperea unui azeotrop cu manipulare unidirecțională a presiunii

Punctele de fierbere ale componentelor dintr-un azeotrop se suprapun pentru a forma o bandă. Prin expunerea unui azeotrop la vid sau la presiune pozitivă, este posibil să se modifice punctul de fierbere al unei componente de la cealaltă prin exploatarea diferitelor curbe de presiune a vaporilor ale fiecăreia; curbele se pot suprapune la punctul azeotrop, dar este puțin probabil să rămână identice mai departe de-a lungul axei presiunii de fiecare parte a punctului azeotrop. Când părtinirea este suficient de mare, cele două puncte de fierbere nu se mai suprapun și astfel banda azeotropă dispare.

Această metodă poate elimina necesitatea de a adăuga alte substanțe chimice la o distilare, dar are două dezavantaje potențiale.

La presiune negativă, este nevoie de putere pentru o sursă de vid, iar punctele de fierbere reduse ale distilatelor necesită ca condensatorul să funcționeze mai rece pentru a preveni pierderea vaporilor de distilat în sursa de vid. Cererile crescute de răcire vor necesita adesea energie suplimentară și posibil echipamente noi sau schimbarea lichidului de răcire.

Alternativ, dacă sunt necesare presiuni pozitive, sticlăria standard nu poate fi utilizată, trebuie utilizată energie pentru presurizare și există o șansă mai mare de a avea loc reacții secundare în distilare, cum ar fi descompunerea, din cauza temperaturilor mai ridicate necesare pentru a efectua fierberea.

O distilare unidirecțională se va baza pe o schimbare a presiunii într-o direcție, fie pozitivă, fie negativă.

Distilarea prin variație de presiune

Distilarea prin variație de presiune este în esență aceeași cu distilarea unidirecțională utilizată pentru a sparge amestecurile azeotrope, dar aici pot fi utilizate atât presiuni pozitive, cât și negative .

Acest lucru îmbunătățește selectivitatea distilării și permite unui chimist să optimizeze distilarea evitând extremele de presiune și temperatură care irosesc energie. Acest lucru este deosebit de important în aplicațiile comerciale.

Un exemplu de aplicare a distilării cu variație de presiune este în timpul purificării industriale a acetatului de etil după sinteza sa catalitică din etanol .

Proces industrial

Turnuri de distilare industriale tipice

Aplicațiile de distilare industrială la scară largă includ atât distilare fracționată, cât și continuă, în vid, azeotropă, extractivă și cu abur. Cele mai utilizate aplicații industriale ale distilării fracționate continue, în stare de echilibru, sunt în rafinăriile de petrol , uzinele petrochimice și chimice și instalațiile de procesare a gazelor naturale .

Pentru a controla și optimiza o astfel de distilare industrială, este stabilită o metodă standardizată de laborator, ASTM D86. Această metodă de testare se extinde la distilarea atmosferică a produselor petroliere folosind o unitate de distilare în lot de laborator pentru a determina cantitativ caracteristicile intervalului de fierbere ale produselor petroliere.

Distilarea industrială se realizează de obicei în coloane cilindrice mari, verticale, cunoscute sub numele de turnuri de distilare sau coloane de distilare, cu diametre cuprinse între 0,65 și 16 metri (2 ft 2 in până la 52 ft 6 in) și înălțimi variind de la aproximativ 6 până la 90 de metri (20 până la 16 metri). 295 ft) sau mai mult. Atunci când alimentarea de proces are o compoziție diversă, ca la distilarea țițeiului , orificiile de lichid la intervale în sus pe coloană permit retragerea diferitelor fracții sau produse având puncte de fierbere sau intervale de fierbere diferite. Cele mai „ușoare” produse (cele cu cel mai mic punct de fierbere) ies din partea de sus a coloanelor, iar cele mai „grele” produse (cele cu cel mai mare punct de fierbere) ies din partea de jos a coloanei și sunt adesea numite funduri.

Diagrama unui turn de distilare industrial tipic

Turnurile industriale folosesc refluxul pentru a realiza o separare mai completă a produselor. Refluxul se referă la porțiunea de produs lichid condensat deasupra capului dintr-un turn de distilare sau fracționare care este returnată în partea superioară a turnului, așa cum se arată în diagrama schematică a unui turn de distilare industrial la scară largă. În interiorul turnului, lichidul de reflux care curge în jos asigură răcirea și condensarea vaporilor care curg în sus, crescând astfel eficiența turnului de distilare. Cu cât este prevăzut mai mult reflux pentru un anumit număr de plăci teoretice , cu atât mai bună separarea turnului de materiale cu punct de fierbere mai scăzut de materialele cu punct de fierbere mai mare. Alternativ, cu cât este prevăzut mai mult reflux pentru o anumită separare dorită, cu atât este mai mic numărul de plăci teoretice necesare. Inginerii chimiști trebuie să aleagă ce combinație de viteză de reflux și număr de plăci este fezabilă atât din punct de vedere economic, cât și fizic pentru produsele purificate în coloana de distilare.

Astfel de turnuri industriale de fracționare sunt, de asemenea, utilizate în separarea criogenică a aerului , producând oxigen lichid , azot lichid și argon de înaltă puritate . Distilarea clorosilanilor permite, de asemenea, producerea de siliciu de înaltă puritate pentru utilizare ca semiconductor .

Secțiunea unui turn de distilare industrială care arată detaliile tăvilor cu capace cu bule

Proiectarea și funcționarea unui turn de distilare depind de furaj și de produsele dorite. Având în vedere o alimentare simplă cu componente binare, pot fi utilizate metode analitice precum metoda McCabe–Thiele sau ecuația Fenske . Pentru o alimentare cu mai multe componente, modelele de simulare sunt utilizate atât pentru proiectare, cât și pentru funcționare. Mai mult, eficiența dispozitivelor de contact vapori-lichid (denumite „plăci” sau „tăvi”) utilizate în turnurile de distilare este de obicei mai mică decât cea a unei etape de echilibru teoretice 100% eficientă . Prin urmare, un turn de distilare are nevoie de mai multe tăvi decât numărul de etape teoretice de echilibru vapor-lichid. Au fost postulate o varietate de modele pentru a estima eficiența tăvii.

În utilizările industriale moderne, un material de ambalare este utilizat în coloană în loc de tăvi atunci când sunt necesare scăderi mici de presiune pe coloană. Alți factori care favorizează ambalarea sunt: ​​sistemele de vid, coloanele cu diametru mai mic, sistemele corozive, sistemele predispuse la spumare, sistemele care necesită reținere scăzută de lichid și distilare în lot. Pe de altă parte, factorii care favorizează coloanele cu plăci sunt: ​​prezența solidelor în alimentare, debite mari de lichid, diametre mari ale coloanei, coloane complexe, coloane cu variație mare a compoziției de alimentare, coloane cu reacție chimică, coloane de absorbție, coloane limitate de toleranța la greutatea fundației, scăzută. rata lichidului, raportul mare de turn-down și acele procese supuse supratensiunilor de proces.

Coloană industrială de distilare în vid la scară largă

Acest material de ambalare poate fi ambalaj aruncat aleatoriu (25–76 milimetri (1–3 in) lățime), cum ar fi inele Raschig sau tablă structurată . Lichidele au tendința de a umezi suprafața ambalajului, iar vaporii trec pe această suprafață umedă, unde are loc transferul de masă . Spre deosebire de distilarea convențională în tavă, în care fiecare tavă reprezintă un punct separat de echilibru vapor-lichid, curba de echilibru vapor-lichid într-o coloană plină este continuă. Cu toate acestea, la modelarea coloanelor împachetate, este util să se calculeze un număr de „etape teoretice” pentru a indica eficiența de separare a coloanei împachetate în raport cu tăvile mai tradiționale. Ambalajele cu forme diferite au suprafețe diferite și spațiu liber între ambalaje. Ambii acești factori afectează performanța ambalării.

Un alt factor în plus față de forma și suprafața de ambalare care afectează performanța ambalării aleatoare sau structurate este distribuția lichidului și a vaporilor care intră în patul de ambalare. Numărul de etape teoretice necesare pentru a face o anumită separare este calculat utilizând un raport specific vapori/lichid. Dacă lichidul și vaporii nu sunt distribuite uniform în zona turnului superficial atunci când intră în patul împachetat, raportul lichid/vapor nu va fi corect în patul împachetat și separarea necesară nu va fi atinsă. Ambalajul va părea să nu funcționeze corect. Înălțimea echivalentă cu o placă teoretică (HETP) va fi mai mare decât era de așteptat. Problema nu este ambalajul în sine, ci distribuția defectuoasă a fluidelor care intră în patul umplut. Distribuția defectuoasă a lichidului este mai frecvent problema decât vaporii. Proiectarea distribuitoarelor de lichid utilizate pentru a introduce alimentarea și refluxul într-un pat umplut este esențială pentru ca ambalarea să funcționeze cu eficiență maximă. Metodele de evaluare a eficacității unui distribuitor de lichid de a distribui uniform lichidul care intră într-un pat pliat pot fi găsite în referințe. Fractionation Research, Inc. (cunoscută în mod obișnuit ca FRI) a făcut o muncă considerabilă pe acest subiect.

Distilare cu mai multe efecte

Scopul distilării cu efecte multiple este de a crește eficiența energetică a procesului, pentru utilizarea în desalinizare sau, în unele cazuri, într-o etapă în producția de apă ultrapură . Numărul de efecte este invers proporțional cu cifra kW·h/m 3 de apă recuperată și se referă la volumul de apă recuperat pe unitatea de energie în comparație cu distilarea cu un singur efect. Un efect este de aproximativ 636 kW·h/m 3 .

Există multe alte tipuri de procese de distilare cu efecte multiple, inclusiv unul numit pur și simplu distilare cu efecte multiple (MED), în care sunt utilizate mai multe camere, cu schimbătoare de căldură intermediare.

În prelucrarea alimentelor

Băuturi

Materialele vegetale care conțin carbohidrați sunt lăsate să fermenteze, producând o soluție diluată de etanol în proces. Băuturi spirtoase precum whisky -ul și romul sunt preparate prin distilarea acestor soluții diluate de etanol. Componentele altele decât etanolul, inclusiv apa, esterii și alți alcooli, sunt colectate în condensat, care reprezintă aroma băuturii. Unele dintre aceste băuturi sunt apoi depozitate în butoaie sau alte recipiente pentru a obține mai mulți compuși de aromă și arome caracteristice.

Galerie

Replică-în-operare-chimie-timpurie.png La începuturile sale, chimia folosea retortele ca echipament de laborator exclusiv pentru procesele de distilare.
Distilarea toluenului uscat și fără oxigen.jpg O configurație simplă pentru a distila toluenul uscat și fără oxigen .
Coloana de vid.png Diagrama unei coloane de distilare în vid la scară industrială, așa cum este utilizată în mod obișnuit în rafinăriile de petrol
Rotavapor.jpg Un evaporator rotativ este capabil să distileze solvenții mai rapid la temperaturi mai scăzute prin utilizarea vidului .
Distilare semimicroscală.jpg Distilarea folosind aparate semimicrocalare. Designul fără îmbinări elimină nevoia de a potrivi piesele împreună. Balonul în formă de pară permite îndepărtarea ultimei picături de reziduu, în comparație cu un balon cu fund rotund de dimensiuni similare . Volumul mic de blocare previne pierderile. Un „porc” este folosit pentru a canaliza diferitele distilate în trei baloane receptoare. Dacă este necesar, distilarea poate fi efectuată sub vid folosind adaptorul de vid de la porc.

Vezi si

Referințe

Lectură în continuare

linkuri externe