Дистилляция это в химии кратко

Обновлено: 07.07.2024

ДИСТИЛЛЯ́ЦИЯ (от лат. distillatio – стекание каплями), перегонка, массообменный процесс частичного испарения из жидкого раствора различных по летучести компонентов с последующей конденсацией образующихся паров. Д. в осн. применяется для предварит. разделения смесей; разделение смесей на практически чистые компоненты осуществляется путём ректификации . Содержание компонентов исходной смеси в продуктах разделения при Д. определяется различием значений их летучестей (при постоянных темп-ре и давлении), поскольку все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучестям (см. также Коновалова законы ). Низкокипящие (легколетучие) компоненты определяют состав паров и отогнанной фракции (дистиллята), высококипящие (труднолетучие) компоненты остаются в осн. в жидкой фазе (кубовом остатке).

Устройство простейшего перегонного аппарата.
1 Нагревательный элемент
2 Перегонный куб
3 Отводная трубка или насадка Вюрца
4 Термометр
5 Холодильник
6 Подвод охлаждающей жидкости
7 Отвод охлаждающей жидкости
8 Приёмная колба
9 Отвод газа (в том числе с понижением давления)
10 Аллонж
11 Регулятор температуры нагревателя
12 Регулятор скорости перемешивания
13 Магнитная мешалка
14 Водяная (масляная, песочная и т. п.) баня
15 Мешалка или "кипелки"
16 Охлаждающая ванна

Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой получаемый конденсат имеет усреднённый состав вследствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является конденсат или остаток (или и то, и другое) – в зависимости от дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и соединяющий их обогреваемый паропровод.

Содержание

История

До X века, у Авиценны дистилляция упоминается как метод получения эфирных масел.

Применение

Дистилляция применяется в промышленности и в лабораторной практике для разделения и рафинирования сложных веществ: для разделения смесей органических веществ (например, разделение нефти на бензин, керосин, соляр и др.; получение ароматических веществ в парфюмерии; получение алкогольного спирта) и для получения высокочистых неорганических веществ (например, металлов: бериллий, цинк, магний, кадмий и др.).

Теория

В теории дистилляции в первую очередь рассматриваются двухкомпонентные вещества. Действие дистилляции основано на том, что концентрация некоторого компонента в жидкости отличается от его концентрации в паре, образующемся из этой жидкости. Отношение = является характеристикой процесса и называется коэффициентом разделения при дистилляции. Коэффициент разделения зависит от природы разделяемых компонентов и режима дистилляции.

Режимы дистилляции характеризуются температурой испарения и степенью отклонения от фазового равновесия жидкость-пар. Обычно в дистилляционном процессе n=+, где n - число частиц вещества, переходящих в единицу времени из жидкости в пар, - число частиц, возвращающихся в это же время из пара в жидкость, - число частиц, переходящих в это время в конденсат. Отношение /n является показателем отклонения процесса от равновесного. Предельными являются режимы, в которых =0 (равновесное состояние системы жидкость-пар) и =n (режим молекулярной дистилляции).

При =0, когда число частиц, покидающих в единицу времени жидкость, равно числу частиц, возвращающихся в это же время в жидкость, равновесный коэффициент разделения двухкомпонентного вещества может быть выражен через давления и чистых компонентов при температуре процесса: , где и - так называемые коэффициенты активности, учитывающие взаимодействие компонентов в жидкости. Эти коэффициенты имеют температурную и концентрационную зависимости (см. активность (химия)). С понижением температуры значение коэффициента разделения обычно удаляется от единицы, т. е. эффективность разделения при этом увеличивается.

При =n все испаряющиеся частицы переходят в конденсат (режим молекулярной дистилляции). В этом режиме коэффициент разделения /\sqrt" width="" height="" />
, где и - молекулярные массы первого и второго компонентов соответственно. Режим молекулярной дистилляции может применяться в различных дистилляционных способах, включая ректификацию. Обычно молекулярная дистилляция осуществляется в вакууме при низком давлении пара и при близком расположении поверхности конденсации к поверхности испарения (что исключает столкновение частиц пара друг с другом и с частицами атмосферы). В режиме, близком к молекулярной дистилляции, проводится дистилляция металлов. В связи с тем, что коэффициент разделения при молекулярной дистилляции зависит не только от парциальных давлений компонентов, но и от их молекулярных (или атомных) масс, молекулярная дистилляция может применяться для разделения смесей, для которых , - азеотропных смесей, включая смеси изотопов.

Для различных режимов дистилляции выведены уравнения, связывающие содержание второго компонента в конденсате и в остатке с долей перегонки или с долей остатка при заданных условиях процесса и известной начальной концентрации жидкости (, и - масса конденсата и остатка, а также начальная масса дистиллируемого вещества соответственно). Расчёты проводятся в предположении идеального перемешивания дистиллируемой жидкости, а также жидкого конденсата. Также выведены уравнения распределения компонентов в твёрдом конденсате, получаемого дистилляцией с направленным затвердеванием конденсата или зонной дистилляцией. Параметром этих уравнений является коэффициент разделения α для заданных условий дистилляции.

При дистилляции вещества с большой концентрацией компонентов с конденсацией пара в жидкость при несильной зависимости коэффициентов активности компонентов от их концентраций взаимосвязь величин , и , когда используются концентрации в процентах, имеет вид:

$lg\tfrac<G_1> =\tfraclg\tfrac-\tfraclg\tfrac$
.

Для дистилляции с конденсацией пара в жидкость при малом содержании примеси

$C/C_0=\tfrac<1-(1-G/G_0)^\alpha> $
,

=" width="" height="" />
.

Дистилляционные уравнения могут использоваться для описания процессов распределения примесей в других фазовых переходах из фазы с интенсивным перемешиванием (таких как переходы жидкий кристалл-кристалл, жидкий кристалл-жидкость, газ-плазма, а также в переходах, связанных с квантово-механическими состояниями – сверхтекучая жидкость, конденсат Бозе-Эйнштейна) – при подстановке в них соответствующих коэффициентов распределения.

Дистилляция с конденсацией пара в жидкость (простая перегонка, фракционная дистилляция, ректификация)

Простая перегонка — частичное испарение жидкой смеси путём непрерывного отвода и конденсации образовавшихся паров в холодильнике. Полученный конденсат называется дистиллятом, а неиспарившаяся жидкость — кубовым остатком.

Фракционная дистилляция (или дробная перегонка) — разделение многокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу части — фракции путём сбора конденсата частями с различной летучестью, начиная с первой, обогащенной низкокипящим компонентом. Остаток жидкости обогащён высококипящим компонентом. Для улучшения разделения фракций применяют дефлегматор.

Ректификация — способ дистилляции, при котором часть жидкого конденсата (флегма) постоянно возвращается в куб, двигаясь навстречу пару в контакте с ним. В результате этого примеси, содержащиеся в паре, частично переходят во флегму и возвращаются в куб, при этом чистота пара (и конденсата) повышается (См. ректификация, ректификационная колонна).

Дистилляция с конденсацией пара в твёрдую фазу (с конденсацией пара в градиенте температуры; с направленным затвердеванием конденсата; зонная дистилляция)

Дистилляция с конденсацией пара в градиенте температуры – дистилляционный процесс, в котором конденсация в твёрдую фазу осуществляется на поверхности, имеющей градиент температуры, с многократным реиспарением частиц пара. Менее летучие компоненты осаждаются при более высоких температурах. В результате в конденсате возникает распределение примесей вдоль температурного градиента, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Разделение компонентов пара при реиспарении подчиняется собственным закономерностям. Так, при молекулярной дистиляции соотношение между количествами и осаждённых в конденсаторе первого и второго компонентов, соответственно, выражается равенством:

$Q_1/Q_2=(\mu\beta_1W^0_1-W_1)/(\mu\beta_2W^0_2-W_2)$

где и - скорости испарения первого компонента из расплава и с поверхности реиспарения соответственно, и - то же для второго компонента, и - коэффициенты конденсации первого и второго компонентов соответственно, μ – коэффициент, зависящий от поверхности испарения и углов испарения и реиспарения. Реиспарение повышает эффективность очистки от трудноудаляемых малолетучих примесей в 2-5 раз, а от легколетучих - на порядок и более (по сравнению с простой перегонкой). Этот вид дистилляции нашёл применение в промышленном производстве высокочистого бериллия.

Дистилляция с направленным затвердеванием конденсата (дистилляция с вытягиванием дистиллята) – дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c полным расплавлением дистиллируемого вещества и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере вытягивания конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.

В получаемом конденсате возникает неравномерное распределение примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс является дистилляционным аналогом нормальной направленной кристаллизации. Распределение примеси в конденсате описывается уравнением:

$C/C_0=\alpha(1-x/L)^<\alpha-1> $
,

где С – концентрация примеси в дистилляте на расстоянии х от начала, L – высота конденсата при полностью испарившемся дистиллируемом материале.

Зонная дистилляция - дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c частичным расплавлением рафинируемого вещества в перемещаемой жидкой зоне и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере выхода конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.

При движении зонного нагревателя вдоль контейнера сверху вниз в контейнере формируется твёрдый конденсат с неравномерным распределением примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс может быть повторён многократно, для чего конденсат, полученный в предыдущем процессе, должен быть перемещён (без переворота) в нижнюю часть контейнера на место рафинируемого вещества. Неравномерность распределения примесей в конденсате (т. е. эффективность очистки) растёт с увеличением числа повторений процесса.

Зонная дистилляция является дистилляционным аналогом зонной перекристаллизации. Распределение примесей в конденсате описывается известными уравнениями зонной перекристаллизации с заданным числом проходов зоны – при замене коэффициента распределения k для кристаллизации на коэффициент разделения α для дистилляции. Так, после одного прохода зоны

где С – концентрация примеси в конденсате на расстоянии х от начала конденсата, λ – длина жидкой зоны.

В однородных смесях компоненты не видны даже в микроскоп. Такие смеси устойчивы и не разделяются при длительном хранении. Для их разделения часто используют разницу в температурах кипения веществ , то есть в их летучести . Более летучее вещество испаряется, а менее летучее остаётся.

Используется для выделения твёрдых веществ из растворов. Раствор помещают в фарфоровую чашку и нагревают. По мере испарения воды на стенках чашки образуются кристаллики твёрдого вещества.

Применяется для выделения крупных кристаллов твёрдого вещества. Воду испаряют лишь частично. Горячий раствор оставляют открытым на длительное время. Вода медленно испаряется, и из раствора выпадают кристаллы вещества.

В огромных масштабах выпаривание и кристаллизация применяются для добычи соли из солёной природной воды.

Перегонка (или дистилляция ) — это способ разделения жидких смесей, основанный на значительной разнице температуры кипения компонентов смеси.

При нагревании более летучая жидкость (с меньшей температурой кипения) испаряется. Затем её пары охлаждают — происходит конденсация (переход из газообразного в жидкое состояние).

Простейший прибор для дистилляции состоит из двух сосудов (например, пробирок), пробки с газоотводной трубкой и стакана с холодной водой для охлаждения паров.

Смесь нагревается в одном сосуде, а пары более летучего вещества конденсируются в другом. Так можно отделить жидкость от растворённых в ней веществ.

В более сложных приборах для охлаждения паров используют специальный холодильник , через кожух которого проходит проточная вода. При нагревании смеси сначала испаряется вещество с самой низкой температурой кипения. Его пары охлаждаются в холодильнике, и в сосуде собирается чистое вещество. Затем нагревание усиливают и отделяют следующее вещество с более высокой температурой кипения.

В химических лабораториях при производстве лекарств таким методом получают дистиллированную воду (без примесей растворённых солей).

Перегонка является одним из основных способов переработки нефти . Нефть представляет собой смесь многих веществ. С помощью перегонки из неё выделяют разные виды топлива.

Самый простой пример хроматографии — разделение красителей на бумажной полоске. Если полоску из фильтровальной бумаги опустить нижним концом в раствор красителей, то подниматься они будут с разной скоростью и на разную высоту.

Вместо бумаги в промышленности для разделения смесей используются уголь, известняк и другие вещества.

Созданы специальные приборы — хроматографы , с помощью которых разделяют сложные многокомпонентные смеси и устанавливают их состав.

Простая перегонка без ректификационной колонны, часто используемая химиками.
1. источник тепла (здесь - плита )
2. колба для перегонки
3. головка перегонного куба
4. термометр
5.
охладитель воды
6. вход охлаждающей воды 7. выход охлаждающей воды
8. колба- охладитель прием капель дистиллята 9.
до возможного вакуумный насос
10. адаптер для вакуумного насоса

Перегонки представляет собой процесс разделения смеси жидкостей , чья температура кипения различны. Позволяет разделить составляющие однородной смеси . Под действием тепла или низкого давления ( закон идеального газа ) вещества последовательно испаряются, а полученный пар сжижается с образованием дистиллята.

Резюме

История

В II - м тысячелетии до нашей эры. Д. , сублимация , используемый вавилоняне , чтобы подготовить духи, четко свидетельствуют, но перегонка не уверена. Вода , полученная путем выпаривания в качестве опреснения морской воды рассматривается методика описана Аристотелем и Плиний Старший , и Александра Aphrodisias из III - го века до н. До н.э. Однако, как Forbes отмечает, что это не перегонка в том смысле , что в настоящее время разрабатывает (источник тепла - газ / жидкость разделения - конденсация), оказывается , что на заре I - го века нашей эры с алхимиками греческими . Согласно Тимею из Тавромениона , кажется, что Дионисий старший, тиран Сиракуз, последователь напитка (который должен был стать причиной его смерти в 367 ав. J. - C. ), попросил напиток, полученный путем перегонки.

Но, прежде всего, растущий спрос на ликеры в Нижней Империи привел к развитию винокурен. Первое точное описание неподвижного обусловлена Зосима Панополитанского IV - го века.

В VIII - м веке, алхимики ближневосточной usèrent дистилляции для очистки определенных химических веществ , используемых в производстве: масел или сложных эфиров (для духов ) и алкоголь .

Среди первых из них мы находим Джабира ибн Хайяна (известного на Западе как Гебер ), который около 800 года разработал множество инструментов и химических методов [Какие?] Все еще используются сегодня. В частности, его до сих пор , предшественник современных нефтеперерабатывающих заводов , является первым устройством с использованием реторты для очистки веществ: носик все еще является удлиненным (отсюда и название реторты) для того , чтобы улучшить охлаждение и получить , таким образом, количество более дистиллированной продукта [см . необходимо] . Этот принцип вдохновит современные микродистилляторы, такие как колонка Хикмана.

В 1500 году немецкий алхимик Иероним Бруншвиг опубликовал первую книгу, посвященную этой технике, Liber de arte destillandi , второе издание 1512 года которой было значительно увеличено.

По мере того как алхимия формировалась в науке с химией , сосуды, называемые ретортами, все чаще использовались в дистилляционных аппаратах. Кадры и реторты являются сосудами , снабженными удлиненной стороны носика направлено вниз, образуя воздушный конденсатор : они используются , чтобы сконденсировать в дистиллят , который собирает каплю за каплей на выходе из трубки.

Позже появились медные перегонные кубы; их клепаные соединения сохраняли герметичность с помощью различных средств, например, панировочных сухарей из ржаной муки . Эти кубы часто включали змеевик, пересекаемый с холодной водой, прикрепленный к концу носика реторты, который, ускоряя конденсацию, увеличивал выход дистилляции: это устройство, которое англичане называют горшечными кубами .

В настоящее время реторты и перегонные кубы в значительной степени вытеснены в промышленности гораздо более эффективными методами дистилляции. Тем не менее, до сих пор ценится за производство изысканных вин и ликеров, таких как коньяк , шотландский виски и некоторые водки . Перегонные кубы, изготовленные из различных материалов (дерево, керамика, нержавеющая сталь), также используются во всем мире небольшими производителями . Небольшие перегонные кубы по-прежнему продаются для семейного производства воды или эфирного масла из цветов апельсина .

В начале XIX - го века, французские химики заложили основы современного химического анализа, в частности, показывает важность предварительного нагрева и обратной связи, а в 1830 году патент английский был доставлен Эней Коффи для колонки виски перегонки, который работают непрерывно и могут считаться образцом современных нефтеперерабатывающих заводов. В 1877 году Эрнест Солвей получил американский патент (патент США ) на колонну для перегонки аммиака , принцип которой он применил в последующие годы к маслам и спиртным напиткам .

Содействие химической инженерии в качестве дисциплины ученого в конце XIX - го века привело строго научное исследование процессов дистилляции, таким образом, самая простая дистилляция, наиболее известное приложение ( до сих пор ), была изучено физиком Джона Рейли . Тогда в начале XX - го века , то нефтяная промышленность дала толчок к разработке подробных процессов , таким как метод МакКейб-Тиль и уравнение Фенска (в) . В гонке за улучшение процесса дистилляции для разделения компонентов с еще более близкими температурами плавления в 1930-х годах была разработана ленточная ректификационная колонна с вращающейся ленточной перегонкой , обеспечивающая наиболее эффективную на сегодняшний день дистилляцию .

Принцип

В процессе используется разница в летучести (способность испаряться в зависимости от температуры) между компонентами для их разделения: более летучие соединения легче испаряются и составляют большую часть паров. Таким образом, можно создать газовую фазу, имеющую состав, отличный от исходной смеси. Путем конденсации этих паров жидкость, называемая дистиллятом, может быть извлечена с высокой концентрацией более летучего соединения.

Дистиллят не является чистым продуктом: он содержит определенную долю других соединений исходной смеси. Следовательно, необходимо повторить операцию выпаривания-конденсации с дистиллятом, чтобы дополнительно сконцентрировать более летучие соединения. Чтобы не повторять операцию и чисто разделить компоненты смеси за один проход, используется дистилляционная колонна, и этот процесс называется фракционной перегонкой или ректификацией.

В зависимости от физических свойств компонентов бывает, что соединения имеют постоянную летучесть по отношению к исходной смеси, и что пары такой смеси всегда сохраняют тот же состав, даже если операция испарения-конденсации повторяется несколько раз. Это азеотропная смесь, которая требует особых условий для разделения компонентов (см. Азеотропная перегонка ).

Дистилляция может осуществляться несколькими способами: периодическим, непрерывным, вакуумным.

Периодическая перегонка

"> Читать СМИ

Периодическая дистилляция - это дистилляция, при которой разделяемая смесь загружается один раз в установку и из которой компоненты перегоняются один за другим. Это означает постоянное изменение состава исходной смеси и температурных профилей.

Непрерывная перегонка

Непрерывная дистилляция - это дистилляция, при которой в дистилляционную установку непрерывно подается разделяемая смесь. Такая установка позволяет работать без изменения профиля состава и температуры.

Вакуумная перегонка

Некоторые продукты обладают слишком низкой летучестью при атмосферном давлении или разлагаются перед испарением из-за их высокой температуры кипения. В этом случае давление в установке снижают с помощью вакуумного насоса , чтобы снизить температуру кипения.

Промышленная перегонка

Промышленная дистилляция - это процесс очистки, который заключается в обработке сырой нефти, предварительно нагретой до 370 ° C , для разделения различных фракций. После испарения его отправляют в колонну атмосферной дистилляции. Каждый температурный уровень соответствует стадии фракционирования и дает определенный продукт: легкие продукты собираются в верхней части колонны ( бутан и пропан , легкий бензин или нафта), средние продукты ( тяжелый бензин , керосин и дизельное топливо ) извлекаются. путем бокового отвода, а атмосферный остаток собирается на дне башни. Этого разделения недостаточно для придания всех качеств, требуемых каждому из полученных продуктов. Затем были задействованы крекинг и риформинг для топлива .

Существуют также методы вакуумной перегонки, которые направлены на снижение температуры кипения различных компонентов смеси, подлежащей перегонке, и, таким образом, позволяют избежать (или уменьшить) риски термической деградации. Точно так же перегонку можно проводить под давлением, чтобы обеспечить отделение очень летучих соединений (например, газов).

Когда температуры кипения очень близки, может быть выгодно использовать процесс фракционной перегонки , который состоит из нескольких последовательных стадий очистки. Также можно ввести часть дистиллята в верхнюю часть колонны (в случае непрерывной перегонки), чтобы улучшить чистоту паровой фазы.

Читайте также: