Distilare sub vid - Vacuum distillation

Figura 1: La presiunea atmosferică, dimetil sulfoxidul fierbe la 189 ° C. În aparatul de vid de aici, se distilează în balonul receptor conectat din stânga la numai 70 ° C.

Distilarea sub vid este distilarea efectuată sub presiune redusă, care permite purificarea compușilor care nu sunt distilați ușor la presiuni ambientale sau pur și simplu pentru a economisi timp sau energie. Această tehnică separă compușii pe baza diferențelor dintre punctele lor de fierbere. Această tehnică este utilizată atunci când punctul de fierbere al compusului dorit este dificil de realizat sau va determina descompunerea compusului. Presiunile reduse scad punctul de fierbere al compușilor. Reducerea punctului de fierbere poate fi calculată folosind un nomograf temperatură-presiune utilizând relația Clausius-Clapeyron .

Aplicații la scară de laborator

Compușii cu un punct de fierbere mai mic de 150 ° C sunt de obicei distilați la presiunea ambiantă. Pentru probele cu puncte de fierbere ridicate, se utilizează în mod obișnuit aparate de distilare pe cale scurtă. Această tehnică este ilustrată pe larg în Sinteza organică.

Evaporarea rotativă

Articol principal: evaporarea rotativă

Evaporarea rotativă este o tehnică obișnuită utilizată în laboratoare pentru a concentra sau izola un compus din soluție. Mulți solvenți sunt volatili și pot fi ușor evaporați utilizând evaporarea rotativă. Solvenții chiar mai puțin volatili pot fi îndepărtați prin evaporare rotativă sub vid ridicat și cu încălzire. De asemenea, este utilizat de agențiile de reglementare a mediului pentru determinarea cantității de solvenți din vopsele, acoperiri și cerneluri.

Considerații de siguranță

Siguranța este un aspect important atunci când sticlăria se află sub presiune de vid. Zgârieturile și fisurile pot duce la implozii atunci când se aplică vidul. Înfășurarea cât mai multă din sticlă cu bandă este utilă pentru a preveni împrăștierea periculoasă a cioburilor de sticlă în caz de implozie.

Aplicații la scară industrială

Figura 2: animație simplificată a unei coloane tipice de distilare în vid uscat, așa cum este utilizată în rafinăriile de petrol
Figura 3: Turn de distilare sub vid la scară largă la rafinăria de petrol Fawley

Distilarea sub vid industrială are mai multe avantaje. Amestecurile de fierbere închise pot necesita multe etape de echilibru pentru a separa componentele cheie. Un instrument pentru a reduce numărul de etape necesare este utilizarea distilării în vid. Coloanele de distilare sub vid (așa cum este prezentat în figurile 2 și 3) utilizate în mod obișnuit în rafinăriile de petrol au diametre de până la aproximativ 14 metri (46 de picioare), înălțimi de până la aproximativ 50 de metri (164 picioare) și viteze de alimentare de până la aproximativ 25.400 metri cubi pe zi (160.000 de barili pe zi).

Distilarea sub vid poate îmbunătăți separarea prin:

  • Prevenirea degradării produsului sau a formării polimerilor din cauza presiunii reduse care duce la temperaturi mai mici ale fundului turnului,
  • Reducerea degradării produsului sau formarea polimerilor din cauza timpului mediu de ședere redus, în special în coloane folosind ambalaje, mai degrabă decât tăvi .
  • Creșterea capacității, randamentului și purității.

Un alt avantaj al distilării sub vid este costul capitalului redus, în detrimentul unui cost de funcționare puțin mai mare. Utilizarea distilării sub vid poate reduce înălțimea și diametrul și, astfel, costul capital al unei coloane de distilare.

Distilarea sub vid în rafinarea petrolului

Petrolul brut este un amestec complex de sute de compuși de hidrocarburi diferiți având în general de la 3 la 60 de atomi de carbon per moleculă , deși pot exista cantități mici de hidrocarburi în afara acestui interval. Rafinarea țițeiului începe cu distilarea țițeiului intrat într-o așa-numită coloană de distilare atmosferică care funcționează la presiuni ușor peste presiunea atmosferică.

Distilarea sub vid poate fi denumită și „distilare la temperatură scăzută”.

La distilarea țițeiului, este important să nu supuneți țițeiul la temperaturi peste 370-380 ° C, deoarece componentele cu greutate moleculară ridicată din țiței vor suferi fisurare termică și vor forma cocs de petrol la temperaturi peste aceasta. Formarea cocsului ar duce la conectarea tuburilor în cuptorul care încălzește fluxul de alimentare la coloana de distilare a țițeiului. Conectarea ar avea loc, de asemenea, în conductele de la cuptor la coloana de distilare, precum și în coloana însăși.

Constrângerea impusă prin limitarea intrării pe coloană a țițeiului brut la o temperatură mai mică de 370 până la 380 ° C produce un ulei rezidual din partea de jos a coloanei de distilare atmosferică formată în întregime din hidrocarburi care fierb peste 370 până la 380 ° C.

Pentru a distila în continuare uleiul rezidual din coloana de distilare atmosferică, distilarea trebuie efectuată la presiuni absolute de la 10 la 40 mmHg / Torr (aproximativ 5% presiune atmosferică), astfel încât să se limiteze temperatura de funcționare la mai puțin de 370 la 380 ° C.

Figura 2 este o diagramă de proces simplificată a unei coloane de distilare sub vid a rafinăriei de petrol care descrie interiorul coloanei, iar Figura 3 este o fotografie a unei coloane mari de distilare sub vid într-o rafinărie de petrol.

Presiunea absolută de la 10 la 40 mmHg într-o coloană de distilare sub vid crește volumul de vapori format pe volum de lichid distilat. Rezultatul este că astfel de coloane au diametre foarte mari.

Coloanele de distilare, precum cele din imaginile 1 și 2, pot avea diametre de 15 metri sau mai mult, înălțimi de până la aproximativ 50 de metri și viteze de avans de până la aproximativ 25.400 de metri cubi pe zi (160.000 de barili pe zi).

Partile interne ale coloanei de distilare sub vid trebuie să asigure o bună contactare vapori-lichizi, menținând în același timp o creștere a presiunii foarte scăzută din partea de sus a coloanei până în partea de jos. Prin urmare, coloana de vid folosește tăvi de distilare numai în cazul în care produsele sunt extrase din partea laterală a coloanei (denumită extrageri laterale ). Cea mai mare parte a coloanei folosește material de ambalare pentru contactul vapor-lichid, deoarece un astfel de ambalaj are o cădere de presiune mai mică decât tăvile de distilare. Acest material de ambalare poate fi fie tablă structurată, fie ambalaj aruncat la întâmplare, cum ar fi inelele Raschig .

Presiunea absolută de 10 până la 40 mmHg în coloana de vid se realizează cel mai adesea prin utilizarea mai multor etape de ejectoare cu jet de abur .

Multe industrii, altele decât industria de rafinare a petrolului, utilizează distilarea sub vid la o scară mult mai mică. Empirical Spirits, cu sediul în Copenhaga, o distilerie fondată de foști bucătari Noma , folosește procesul pentru a crea spirite cu aromă unică. Spiritul lor emblematic, Helena, este creat folosind Koji, alături de Pilsner Malt și Belgian Saison Yeast.

Purificarea apei pe scară largă

Distilarea sub vid este adesea utilizată în instalațiile industriale mari ca o modalitate eficientă de a elimina sarea din apa oceanului, pentru a produce apă proaspătă. Acest lucru este cunoscut sub numele de desalinizare . Apa oceanului este plasată sub vid pentru a-și reduce punctul de fierbere și are aplicată o sursă de căldură, permițând apei proaspete să fiarbă și să fie condensată. Condensarea vaporilor de apă împiedică umplerea vaporilor de apă în camera de vid și permite efectul să ruleze continuu fără pierderea presiunii de vid. Căldura îndepărtată din vaporii de apă este îndepărtată de un radiator și trecută în apa oceanului de intrare pentru a o preîncălzi. Acest lucru reduce necesarul de energie și permite o eficiență mult mai mare datorită necesității reduse de utilizare a căldurii și a combustibilului. Unele forme de distilare nu utilizează condensatoare, ci în schimb comprimă vaporii mecanic cu o pompă. Aceasta acționează ca o pompă de căldură , concentrând căldura de la vapori și permițând revenirea căldurii și reutilizarea acesteia de către sursa de apă intrată netratată. Există mai multe forme de distilare în vid a apei, cele mai frecvente fiind distilarea cu efect multiplu , desalinizarea prin compresie de vapori și distilarea rapidă în mai multe etape .

Distilarea moleculară

Distilarea moleculară este distilarea sub vid sub presiunea de 0,01 torr (1,3 Pa). 0,01 torr este un ordin de mărime peste vidul mare , unde fluidele se află 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 urmează să fie evaporată și, în consecință, rata de evaporare nu mai depinde de presiune. Asta este, 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 acoperite cu o peliculă de alimentare lângă o placă rece cu o linie de vedere între ele.

Distilarea moleculară este utilizată industrial pentru purificarea uleiurilor.

Galerie

Vezi si

Referințe

Acest articol încorporează materiale din articolul Citizendium „ Distilarea sub vid ”, care este licențiată sub licența Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported, dar nu sub GFDL .

linkuri externe