Войти
Фракционная перегонка - это разделение смесь на составные части или фракции. Химические соединения разделяют путем их нагревания до температуры, при которой одна или несколько фракций смеси испаряются. Он использует отгонку до фракционирования. Обычно составные части имеют температуры кипения, которые отличаются друг от друга менее чем на 25 ° C (45 ° F) при давлении в одну атмосферу. Если разница температур кипения превышает 25 ° C, обычно используется простая дистилляция.
Для фракционной перегонки в лаборатории используется обычная лабораторная стеклянная посуда и аппараты, обычно включая горелку Бунзена, круглодонную колбу и конденсатор, а также одноцелевая фракционная колонна.
Фракционная перегонка. В качестве приемной колбы используется колба Эрленмейера. Здесь дистилляционная головка и ректификационная колонна объединены в одно целое. Лабораторная установка должна включать:
В качестве примера рассмотрим перегонку смеси воды и этанол. Этанол кипит при 78,4 ° C (173,1 ° F), а вода - при 100 ° C (212 ° F). Таким образом, при нагревании смеси наиболее летучий компонент (этанол) будет в большей степени концентрироваться в парах, покидающих жидкость. Некоторые смеси образуют азеотропы, где смесь кипит при более низкой температуре, чем любой из компонентов. В этом примере смесь 96% этанола и 4% воды кипит при 78,2 ° C (172,8 ° F); смесь более летучая, чем чистый этанол. По этой причине этанол не может быть полностью очищен прямой фракционной перегонкой смесей этанол-вода.
Устройство собрано, как показано на схеме. (На диаграмме представлено устройство периодического действия в отличие от устройства непрерывного действия.) Смесь помещают в круглодонную колбу вместе с несколькими гранулами, препятствующими удару (или стержнем магнитной мешалки с тефлоновым покрытием, если используется магнитная мешалка ), а ректификационная колонка устанавливается сверху. Колонна фракционной перегонки устанавливается с источником тепла на дне перегонного куба. По мере увеличения расстояния от успокаивающего электролизера в колонке образуется градиент температуры; он самый прохладный вверху и самый горячий внизу. По мере того, как смешанный пар поднимается по температурному градиенту, часть пара конденсируется и повторно испаряется по температурному градиенту . Каждый раз, когда пар конденсируется и испаряется, состав более летучих компонентов в паре увеличивается. Это отгоняет пар по длине колонны, и в конечном итоге пар состоит исключительно из более летучих компонентов (или азеотропа). Пар конденсируется на стеклянных платформах, известных как тарелки, внутри колонны и стекает обратно в жидкость ниже, кипя дистиллят. Эффективность с точки зрения количества нагревания и времени, необходимого для фракционирования, может быть улучшена за счет изоляции внешней части колонны изолятором, таким как вата, алюминиевая фольга или, предпочтительно, вакуумная рубашка. Самый горячий лоток находится внизу, а самый холодный - вверху. В условиях установившегося состояния пар и жидкость на каждой тарелке находятся в равновесии. Наиболее летучий компонент смеси выходит в виде газа в верхней части колонны. Затем пар в верхней части колонны проходит в конденсатор, который охлаждает его до тех пор, пока он не станет жидким. Разделение становится более чистым при добавлении большего количества тарелок (для практического ограничения тепла, потока и т. Д.). Первоначально конденсат будет близок к азеотропному составу, но когда большая часть этанола будет отведена, конденсат станет постепенно обогащается водой. Процесс продолжается до тех пор, пока из смеси не выкипит весь этанол. Эту точку можно определить по резкому повышению температуры, показанному на термометре.
. Приведенное выше объяснение отражает теоретический способ работы фракционирования. Обычные лабораторные колонны для фракционирования представляют собой простые стеклянные трубки (часто с вакуумной рубашкой, а иногда и внутри посеребренные ), заполненные насадкой, часто небольшими стеклянными спиралями диаметром от 4 до 7 миллиметров (от 0,16 до 0,28 дюйма). Такая колонна может быть откалибрована путем перегонки известной системы смесей для количественной оценки колонны с точки зрения количества теоретических тарелок. Для улучшения фракционирования устройство настроено на возврат конденсата в колонну с использованием какого-либо типа разделителя флегмы (проволока для флегмы, затвор, магнитный качающийся ковш и т. Д.) - при типичном осторожном фракционировании используется коэффициент флегмы около 4: 1 (4 части возвратного конденсата на 1 часть отвода конденсата).
В лабораторной дистилляции обычно используются несколько типов конденсаторов. Конденсатор Либиха представляет собой прямую трубку внутри водяной рубашки и является самой простой (и относительно наименее дорогой) формой конденсатора. Конденсатор Грэма представляет собой спиральную трубку внутри водяной рубашки, а конденсатор Аллина имеет серию больших и малых сужений на внутренней трубке, каждое из которых увеличивает площадь поверхности, на которой пар составляющие могут конденсироваться.
В альтернативных установках может использоваться колба-приемник для перегонки с несколькими выходами (называемая «корова» или «свинья») для подсоединения трех или четырех приемных колб к конденсатору. Перевернув корову или свинью, дистилляты можно направить в любой выбранный приемник. Поскольку приемник не нужно снимать и заменять во время процесса дистилляции, этот тип устройства полезен при перегонке в инертной атмосфере для чувствительных к воздуху химикатов или при пониженном давлении. Треугольник Перкина является альтернативным устройством, часто используемым в этих ситуациях, поскольку он позволяет изолировать приемник от остальной системы, но требует удаления и повторного подключения одного приемника для каждой фракции.
Вакуумная дистилляция работает при пониженном давлении, что снижает температуру кипения материалов. Гранулы против ударов, однако, становятся неэффективными при пониженном давлении.
Типичные промышленные колонны фракционной дистилляции Фракционная дистилляция - наиболее распространенная форма технологии разделения, используемая на нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимии и химические заводы, газоперерабатывающие и криогенные установки разделения воздуха. В большинстве случаев перегонка проводится в непрерывном установившемся состоянии. В дистилляционную колонну всегда добавляется новое сырье, а продукты всегда удаляются. Если процесс не нарушается из-за изменений в подаче, нагревании, температуре окружающей среды или конденсации, количество добавляемого сырья и количество удаляемого продукта обычно равны. Это известно как непрерывная стационарная фракционная перегонка.
Промышленная дистилляция обычно выполняется в больших вертикальных цилиндрических колоннах, известных как «дистилляционные или фракционирующие башни» или «дистилляционные колонны», с диаметром от 0,65 до 6 метров (от 2 до 20 футов) и высотой от около От 6 до 60 метров (от 20 до 197 футов) или более. Дистилляционные колонны имеют выпускные отверстия для жидкости с интервалами вверх по колонне, что позволяет отводить различные фракции или продукты, имеющие разные точки кипения или интервалы кипения. Повышая температуру продукта внутри колонн, различные продукты разделяются. Самые «легкие» продукты (с самой низкой точкой кипения) выходят из верхней части колонны, а самые «тяжелые» продукты (с самой высокой точкой кипения) выходят из нижней части колонны.
Например, фракционная перегонка используется на нефтеперерабатывающих заводах для разделения сырой нефти на полезные вещества (или фракции), содержащие разные углеводороды разных точки кипения. Фракции сырой нефти с более высокими температурами кипения:
Схема типичной промышленной дистилляционной колонны Крупномасштабные промышленные колонны используют орошение для добиться более полного разделения продуктов. Обратный поток относится к части сконденсированного жидкого продукта верхнего погона из дистилляционной или фракционирующей колонны, который возвращается в верхнюю часть колонны, как показано на схематической диаграмме типичной крупномасштабной промышленной дистилляционной колонны. Внутри колонны стекающая вниз орошающая жидкость обеспечивает охлаждение, необходимое для конденсации паров, идущих вверх, тем самым повышая эффективность дистилляционной колонны. Чем больше флегмы обеспечивается для данного количества теоретических тарелок, тем лучше в башне отделяются материалы с более низкой температурой кипения от материалов с более высокой температурой кипения. Альтернативно, чем больше флегмы обеспечивается для данного желаемого разделения, тем меньше требуется теоретических тарелок.
Сырая нефть разделяется на фракции фракционной перегонкой. Фракции в верхней части фракционирующей колонны имеют более низкие точки кипения, чем фракции в нижней части. Все фракции подвергаются дальнейшей переработке на других установках рафинирования. Фракционная перегонка также используется для разделения воздуха, в результате чего получают жидкий кислород, жидкий азот и высококонцентрированный аргон.. Дистилляция хлорсиланов также позволяет производить кремний высокой чистоты для использования в качестве полупроводника.
. В промышленных целях иногда используется насадочный материал в колонне вместо тарелки, особенно когда требуются низкие перепады давления в колонне, например, при работе в вакууме. Этот набивочный материал может представлять собой набивку с произвольной разгрузкой (шириной 1–3 дюйма (25–76 мм)), например, кольца Рашига или структурированный листовой металл. Типичные производители - Koch, Sulzer и другие компании. Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность насадки, и пары проходят по этой смоченной поверхности, где происходит массоперенос. В отличие от традиционной тарельчатой перегонки, в которой каждая тарелка представляет собой отдельную точку парожидкостного равновесия, кривая парожидкостного равновесия в насадочной колонне является непрерывной. Однако при моделировании насадочных колонн полезно вычислить количество «теоретических тарелок» для обозначения эффективности разделения насадочной колонны по сравнению с более традиционными тарелками. Насадки разной формы имеют разную площадь поверхности и пористость. Оба эти фактора влияют на характеристики набивки.
Химическая инженерная схема типичных тарелок с пузырьковыми крышками в дистилляционной колонне Конструкция и работа дистилляционной колонны зависят от сырья и желаемых продуктов. Учитывая простой бинарный компонентный поток, можно использовать такие аналитические методы, как метод МакКейба – Тиле или уравнение Фенске. Для многокомпонентного фида модели имитационные используются как для проектирования, так и для эксплуатации.
Более того, КПД устройств парожидкостного контакта (называемых тарелками или тарелками), используемых в ректификационных колоннах, обычно ниже, чем у теоретической 100% эффективной ступени равновесия. Следовательно, для дистилляционной колонны требуется больше тарелок, чем количество теоретических ступеней равновесия пар-жидкость.
Обратный поток относится к части сконденсированного верхнего погона, которая возвращается в башню. Нисходящий поток орошения обеспечивает охлаждение, необходимое для конденсации паров, текущих вверх. Коэффициент орошения, который представляет собой отношение (внутреннего) орошения к продукту верхнего погона, обратно связан с теоретическим числом стадий, необходимых для эффективного разделения продуктов дистилляции. Башни или колонны фракционной перегонки разработаны для эффективного достижения необходимого разделения. Конструкция колонн фракционирования обычно выполняется в два этапа; дизайн процесса, за которым следует механическое проектирование. Целью проектирования процесса является расчет количества требуемых теоретических стадий и потоков потоков, включая коэффициент орошения, орошение тепла и другие тепловые нагрузки. С другой стороны, целью механического проектирования является выбор внутреннего устройства башни, диаметра и высоты колонны. В большинстве случаев механическая конструкция колонн фракционирования непроста. Для эффективного выбора внутренних устройств башни и точного расчета высоты и диаметра колонны необходимо учитывать множество факторов. Некоторые из факторов, участвующих в расчетах конструкции, включают размер и свойства загружаемого материала, а также тип используемой дистилляционной колонны.
Два основных типа используемых дистилляционных колонн - это тарельчатые и насадочные колонны. Сальниковые колонны обычно используются для небольших башен и нагрузок, которые подвержены коррозии или чувствительности к температуре, или для работы в вакууме, где важен перепад давления. С другой стороны, лотковые колонны используются для больших колонн с высокими жидкостными нагрузками. Впервые они появились на сцене в 1820-х годах. На большинстве нефтеперерабатывающих заводов тарельчатые колонны в основном используются для разделения нефтяных фракций на разных стадиях переработки нефти.
В нефтеперерабатывающей промышленности проектирование и эксплуатация колонн фракционирования по-прежнему в значительной степени осуществляется на эмпирической основе. Расчеты, связанные с проектированием колонн фракционирования нефти, в обычной практике требуют использования числовых диаграмм, таблиц и сложных эмпирических уравнений. Однако в последние годы был проделан значительный объем работы по разработке эффективных и надежных процедур компьютерного проектирования для фракционной перегонки.
