Frakční destilace - Fractional distillation
Frakční destilace je oddělení ze směsi na jednotlivé složky, nebo zlomky . Chemické sloučeniny se oddělí jejich zahřátím na teplotu, při které se odpaří jedna nebo více frakcí směsi . Využívá destilaci k frakcionaci . Obecně mají jednotlivé součásti body varu, které se navzájem liší o méně než 25 ° C (45 ° F) pod tlakem jedné atmosféry . Pokud je rozdíl v bodech varu větší než 25 ° C, obvykle se použije jednoduchá destilace .
Laboratorní nastavení
Frakční destilace v laboratoři využívá běžné laboratorní sklo a přístroje, typicky zahrnující Bunsenův hořák , baňku s kulatým dnem a kondenzátor , jakož i jednoúčelovou frakcionační kolonu .
Jako přijímací baňka se používá Erlenmeyerova baňka. Zde jsou destilační hlava a frakcionační kolona spojeny v jeden kus.
Laboratorní nastavení by zahrnovalo:
- zdroj tepla, jako je plotýnka s vanou
- destilační baňky, obvykle baňky s kulatým dnem
- přijímací baňka, často také baňka s kulatým dnem
- frakcionační kolona
- destilační hlava
- teploměr a adaptér v případě potřeby
- kondenzátor , jako je kondenzátor Liebig nebo Allihnův kondenzátor
- vakuový adaptér (vyžaduje se pouze při vakuové destilaci ; nepoužívá se na obrázku vpravo)
- standardní laboratorní sklo se spoji broušeného skla .
Diskuse
Jako příklad lze uvést destilaci směsi vody a ethanolu . Ethanol vře při 78,4 ° C (173,1 ° F), zatímco voda vře při 100 ° C (212 ° F). Zahříváním směsi se tedy nejtěkavější složka (ethanol) ve větší míře koncentruje v páře opouštějící kapalinu. Některé směsi tvoří azeotropy , kde směs vře při nižší teplotě než kterákoli ze složek. V tomto příkladu směs 96% ethanolu a 4% vody vře při 78,2 ° C (172,8 ° F); směs je těkavější než čistý ethanol. Z tohoto důvodu nelze ethanol zcela čistit přímou frakční destilací směsí ethanolu a vody.
Zařízení je sestaveno podle schématu. (Schéma představuje dávkový aparát na rozdíl od kontinuálního aparátu.) Směs se vloží do baňky s kulatým dnem spolu s několika granulemi proti nárazům (nebo magnetickým míchadlem potaženým teflonem, pokud se používá magnetické míchání ) a frakcionační kolonou je namontován nahoře. Frakční destilační kolona se nastaví se zdrojem tepla na dně destilační nádoby. Jak se vzdálenost od nehybného hrnce zvyšuje, ve sloupci se vytváří teplotní gradient; nahoře je nejchladnější a dole nejteplejší. Když směsná pára stoupá po teplotním gradientu, část páry kondenzuje a odpařuje se podél teplotního gradientu . Pokaždé, když pára kondenzuje a odpařuje se, zvyšuje se složení těkavější složky v páře. To destiluje páru po celé délce kolony a nakonec je pára složena pouze z těkavější složky (nebo azeotropu). Pára kondenzuje na skleněných plošinách, známých jako podnosy , uvnitř kolony a stéká zpět dolů do kapaliny pod ní, přičemž se refluxuje destilát. Účinnost, pokud jde o množství ohřevu a čas potřebný k získání frakcionace, lze zlepšit izolací vnější části kolony v izolátoru, jako je vlna, hliníková fólie nebo výhodně vakuový plášť. Nejžhavější podnos je dole a nejchladnější je nahoře. V podmínkách ustáleného stavu jsou pára a kapalina na každém patře v rovnováze . Nejtěkavější složka směsi vystupuje jako plyn v horní části kolony. Pára v horní části kolony pak přechází do kondenzátoru, který ji ochlazuje, dokud nezkapalní. Separace je čistší s přidáním více etáží (k praktickému omezení tepla, toku atd.) Zpočátku bude kondenzát blízký azeotropnímu složení, ale když se odsaje velká část ethanolu, kondenzát se stane postupně bohatší na vodu. Proces pokračuje, dokud ze směsi nevyvaří veškerý ethanol. Tento bod lze poznat podle prudkého nárůstu teploty na teploměru .
Výše uvedené vysvětlení odráží teoretický způsob fungování frakcionace. Normální laboratorní frakcionační kolony budou jednoduché skleněné trubice (často vakuově opláštěné a někdy vnitřně postříbřené ) naplněné náplní, často malými skleněnými šroubovicemi o průměru 4 až 7 milimetrů (0,16 až 0,28 palce). Taková kolona může být kalibrována destilací známého systému směsi za účelem kvantifikace kolony z hlediska počtu teoretických etáží. Aby se zlepšila frakcionace, je zařízení nastaveno tak, aby vracelo kondenzát do kolony pomocí nějakého druhu zpětného rozdělovače (refluxní drát, gago, magnetický kyvný kbelík atd.) - typická pečlivá frakcionace by použila poměr zpětného toku přibližně 4: 1 (4 díly vráceného kondenzátu na 1 díl odvodu kondenzátu).
Při laboratorní destilaci se běžně vyskytuje několik typů kondenzátorů. Liebig kondenzátoru je jednoduše rovná trubka ve vodním pláštěm , a je nejjednodušší (a relativně nejlevnější) forma kondenzátoru. Graham kondenzátor je spirální trubka ve vodním pláštěm, a Allihn kondenzátor má řadu velkých i malých zúžení na vnitřní straně trubky, z nichž každá zvyšování povrchové plochy, na nichž jsou složky pára může kondenzovat.
Alternativní nastavení mohou pro připojení tří nebo čtyř přijímacích baněk ke kondenzátoru použít více výstupní destilační přijímací baňku (označovanou jako „kráva“ nebo „prase“) . Otočením krávy nebo prasete lze destiláty nasměrovat do libovolného vybraného přijímače. Protože při destilačním procesu nemusí být přijímač odstraněn a vyměněn, je tento typ zařízení užitečný při destilaci v inertní atmosféře pro chemikálie citlivé na vzduch nebo za sníženého tlaku. Perkin trojúhelník je alternativní zařízení často používán v těchto situacích, neboť umožňuje izolaci přijímače od zbytku systému, ale vyžaduje demontáž a opětovné připojení jeden přijímač pro každou frakci.
Vakuové destilační systémy pracují za sníženého tlaku, čímž se snižují teploty varu materiálů. Anti-bump granule se však stávají při sníženém tlaku neúčinné.
Průmyslová destilace
Frakční destilace je nejběžnější formou separační technologie používané v ropných rafinériích , petrochemických a chemických závodech , zařízeních na zpracování zemního plynu a kryogenních zařízeních na separaci vzduchu . Ve většině případů destilace probíhá v kontinuálním ustáleném stavu . Do destilační kolony se vždy přidává nové krmivo a produkty se vždy odebírají. Pokud není proces narušen změnami krmiva, tepla, teploty okolí nebo kondenzace, je množství přidávaného krmiva a množství odebíraného produktu obvykle stejné. Toto je známé jako kontinuální frakční destilace v ustáleném stavu.
Průmyslová destilace se obvykle provádí ve velkých svislých válcových kolonách známých jako „destilační nebo frakcionační věže“ nebo „destilační kolony“ s průměrem v rozmezí přibližně 0,65 až 6 metrů (2 až 20 stop) a výškami v rozmezí přibližně 6 až 60 metrů (20 až 197 stop) nebo více. Destilační věže mají v intervalech po koloně vývody kapaliny, které umožňují odebírání různých frakcí nebo produktů s různými teplotami varu nebo rozmezí varu. Zvýšením teploty produktu uvnitř kolony se oddělují různé produkty. „Nejlehčí“ produkty (ty s nejnižším bodem varu) vystupují z horní části kolony a „nejtěžší“ produkty (ty s nejvyšším bodem varu) vystupují ze spodní části kolony.
Například frakční destilace se používá v ropných rafinériích k oddělení ropy na užitečné látky (nebo frakce) s různými uhlovodíky s různými teplotami varu. Frakce ropy s vyšší teplotou varu:
- mít více atomů uhlíku
- mají vyšší molekulové hmotnosti
- jsou méně rozvětvené alkany
- mají tmavší barvu
- jsou viskóznější
- je obtížnější zapálit a spálit
Velké průmyslové věže používají k dosažení úplnější separace produktů reflux . Reflux se týká části kondenzovaného horního kapalného produktu z destilační nebo frakcionační věže, který se vrací do horní části věže, jak je znázorněno na schematickém diagramu typické velké průmyslové destilační věže. Uvnitř věže zpětná kapalina proudící dolů zajišťuje chlazení potřebné ke kondenzaci par proudících nahoru, čímž se zvyšuje účinnost destilační věže. Čím více refluxu je pro daný počet teoretických desek zajištěno , tím lepší je separace věže materiálů s nižší teplotou varu od materiálů s vyšší teplotou varu. Alternativně, čím více refluxu je zajištěno pro danou požadovanou separaci, tím méně teoretických destiček je zapotřebí.
Frakční destilace se také používá při separaci vzduchu, produkující kapalný kyslík , kapalný dusík a vysoce koncentrovaný argon . Destilace chlorosilanů také umožňuje výrobu vysoce čistého křemíku pro použití jako polovodič .
Při průmyslovém použití se někdy ve koloně místo podnosů používá obalový materiál, zvláště když jsou na koloně vyžadovány nízké tlaky, jako při provozu ve vakuu. Tento obalový materiál může být buď náhodně vyhozený (o šířce 1–3 palce (25–76 mm)), jako jsou prstence Raschig nebo strukturovaný plech . Typickými výrobci jsou Koch, Sulzer a další společnosti. Tekutiny mají tendenci smáčet povrch obalu a páry procházejí tímto zvlhčeným povrchem, kde dochází k přenosu hmoty . Na rozdíl od konvenční destilační destičky, ve které každá etáž představuje samostatný bod rovnováhy páry a kapaliny, je křivka rovnováhy páry a kapaliny v naplněné koloně kontinuální. Při modelování naplněných kolon je však užitečné vypočítat řadu "teoretických destiček" pro označení separační účinnosti plněné kolony s ohledem na tradičnější patra. Různě tvarované ucpávky mají různé povrchové plochy a pórovitost . Oba tyto faktory ovlivňují výkonnost balení.
Návrh průmyslových destilačních kolon
Návrh a provoz destilační kolony závisí na přívodu a požadovaných produktech. Vzhledem k jednoduchému binárnímu přísunu složek lze použít analytické metody, jako je metoda McCabe -Thiele nebo Fenskeova rovnice . Pro vícesložkový posuv se pro návrh i provoz používají simulační modely.
Účinnosti zařízení pro kontakt páry a kapaliny (označovaných jako destičky nebo podnosy ) používaných v destilačních kolonách jsou navíc obvykle nižší než u teoretického 100% účinného rovnovážného stupně . Destilační kolona proto potřebuje více destiček, než je počet teoretických fází rovnováhy páry a kapaliny.
Reflux se týká části kondenzovaného režijního produktu, který je vrácen do věže. Zpětný tok proudící dolů zajišťuje chlazení potřebné pro kondenzaci par proudících nahoru. Poměr zpětného toku, což je poměr (vnitřního) zpětného toku k hornímu produktu, je naopak vztažen k teoretickému počtu stupňů potřebných pro účinnou separaci destilačních produktů. Frakční destilační věže nebo kolony jsou navrženy tak, aby efektivně dosáhly požadované separace. Návrh frakcionačních sloupců se obvykle provádí ve dvou krocích; procesní návrh, následovaný mechanickým návrhem. Účelem návrhu postupu je vypočítat počet požadovaných teoretických stupňů a toků proudů včetně poměru zpětného toku, zpětného toku tepla a dalších tepelných povinností. Účelem mechanického návrhu je na druhé straně vybrat vnitřky věže, průměr sloupu a výšku. Ve většině případů není mechanická konstrukce frakcionačních věží přímočará. Pro efektivní výběr vnitřků věží a přesný výpočet výšky a průměru sloupu je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů. Některé z faktorů zahrnutých v konstrukčních výpočtech zahrnují velikost a vlastnosti vsázky a typ použité destilační kolony.
Dva hlavní typy používaných destilačních kolon jsou patrové a plnící kolony. Balicí kolony se obvykle používají pro menší věže a zátěže, které jsou korozivní nebo citlivé na teplotu, nebo pro vakuové služby, kde je důležitý pokles tlaku. Zásobníkové kolony se naopak používají pro větší kolony s vysokým zatížením kapalinou. Poprvé se na scéně objevili ve 20. letech 19. století. Ve většině provozů rafinerie ropy se pro separaci ropných frakcí v různých fázích rafinace ropy používají hlavně patrové kolony.
V průmyslu rafinace ropy je návrh a provoz frakcionačních věží stále do značné míry prováděn na empirickém základě. Výpočty zahrnuté v návrhu ropných frakcionačních sloupců vyžadují v běžné praxi použití číslovatelných grafů, tabulek a složitých empirických rovnic. V posledních letech však bylo vyvinuto značné množství práce na vývoji efektivních a spolehlivých postupů navrhování podporovaných počítačem pro frakční destilaci.