Fraktioneret destillation - Fractional distillation
Fraktioneret destillation er separationen af en blanding i dens bestanddele eller fraktioner . Kemiske forbindelser adskilles ved opvarmning til en temperatur, ved hvilken en eller flere fraktioner af blandingen vil fordampe . Det bruger destillation til at fraktionere . Generelt har komponentdelene kogepunkter, der adskiller sig med mindre end 25 ° C (45 ° F) fra hinanden under et tryk på en atmosfære . Hvis forskellen i kogepunkter er større end 25 ° C, bruges typisk en simpel destillation .
Laboratorieopsætning
Fraktioneret destillation i et laboratorium gør brug af almindelige laboratorieglasvarer og -apparater, typisk inklusive en Bunsen-brænder , en rundbundet kolbe og en kondensator samt fraktioneringskolonnen til ét formål .
En Erlenmeyer -kolbe bruges som modtagekolbe. Her kombineres destillationshovedet og fraktioneringskolonnen i ét stykke.
Et laboratorieopsætning vil omfatte:
- varmekilde, f.eks. en kogeplade med et bad
- destillationskolbe, typisk en rundbundet kolbe
- modtagekolbe, ofte også en rundbundet kolbe
- fraktioneringskolonne
- destillationshoved
- termometer og adapter, hvis det er nødvendigt
- kondensator , såsom en Liebig kondensator eller Allihn kondensator
- vakuumadapter (kun påkrævet ved vakuumdestillation ; bruges ikke i billedet til højre)
- standard laboratorieglasvarer med samlinger af slebet glas .
Diskussion
Overvej som et eksempel destillation af en blanding af vand og ethanol . Ethanol koger ved 78,4 ° C (173,1 ° F), mens vand koger ved 100 ° C (212 ° F). Så ved opvarmning af blandingen vil den mest flygtige komponent (ethanol) i højere grad koncentrere sig i dampen, der forlader væsken. Nogle blandinger danner azeotroper , hvor blandingen koger ved en lavere temperatur end begge komponenter. I dette eksempel koger en blanding af 96% ethanol og 4% vand ved 78,2 ° C (172,8 ° F); blandingen er mere flygtig end ren ethanol. Af denne grund kan ethanol ikke renses fuldstændigt ved direkte fraktioneret destillation af ethanol-vandblandinger.
Apparatet samles som i diagrammet. (Diagrammet repræsenterer et batchapparat i modsætning til et kontinuerligt apparat.) Blandingen sættes i den rundbundede kolbe sammen med et par anti-stødende granulat (eller en teflonbelagt magnetisk omrører ved anvendelse af magnetisk omrøring ) og fraktioneringskolonnen er monteret i toppen. Fraktioneret destillationskolonne sættes op med varmekilden i bunden på stillepotten. Når afstanden fra stillpot øges, dannes en temperaturgradient i søjlen; den er sejest i toppen og varmest i bunden. Når den blandede damp stiger temperaturgradienten, kondenserer og fordamper nogle af dampene langs temperaturgradienten . Hver gang dampen kondenserer og fordamper, stiger sammensætningen af den mere flygtige komponent i dampen. Dette destillerer dampen i længden af søjlen, og til sidst består dampen udelukkende af den mere flygtige komponent (eller en azeotrop). Dampen kondenserer på glasplatformene, kendt som bakker , inde i søjlen og løber ned i væsken herunder og tilbagesvaler destillat. Effektiviteten med hensyn til mængden af opvarmning og tid, der kræves for at få fraktionering, kan forbedres ved at isolere ydersiden af søjlen i en isolator, såsom uld, aluminiumsfolie eller fortrinsvis en vakuumkappe. Den varmeste bakke er i bunden og den sejeste er øverst. Ved steady state -forhold er dampen og væsken på hver bakke i ligevægt . Den mest flygtige komponent i blandingen kommer ud som en gas i toppen af søjlen. Dampen øverst i kolonnen passerer derefter ind i kondensatoren, som afkøler den, indtil den flyder. Adskillelsen er mere ren med tilføjelse af flere bakker (til en praktisk begrænsning af varme, strømning osv.) I første omgang vil kondensatet være tæt på den azeotropiske sammensætning, men når meget af ethanolen er fjernet, bliver kondensatet til gradvist rigere på vand. Processen fortsætter, indtil al ethanol koger ud af blandingen. Dette punkt kan genkendes ved den kraftige temperaturstigning, der vises på termometeret .
Ovenstående forklaring afspejler den teoretiske måde, hvorpå fraktionering fungerer. Normale laboratoriefraktioneringskolonner vil være simple glasrør (ofte vakuumjakke og undertiden internt forsølvede ) fyldt med en pakning, ofte små glasspiraler med en diameter på 4 til 7 millimeter (0,16 til 0,28 tommer). En sådan søjle kan kalibreres ved destillation af et kendt blandingssystem for at kvantificere søjlen udtrykt i antal teoretiske bakker. For at forbedre fraktionering er apparatet indstillet til at returnere kondensat til søjlen ved brug af en slags tilbagesvalingsdeler (tilbagesvalingstråd, gago, magnetisk svingende spand osv.) - en typisk omhyggelig fraktionering ville anvende et tilbagesvalingsforhold på omkring 4: 1 (4 dele returnerede kondensat til 1 del kondensatafgang).
Ved laboratoriedestillation findes der ofte flere typer kondensatorer. Den Liebig-kondensator er simpelthen et lige rør indenfor en vandkappe , og er den enkleste (og relativt mindst dyre) form for kondensator. The Graham kondensator er et spiralrør inden en vandkappe, og Allihn kondensator har en række store og små forsnævringer på indersiden rør, hver øge overfladearealet, hvorpå dampen bestanddelene kan kondensere.
Alternative opstillinger kan anvende en multi-udløb destillation modtageren kolbe (henvist til som en "ko" eller "svin") til at forbinde tre eller fire modtager kolber til kondensatoren. Ved at dreje koen eller grisen kan destillaterne kanaliseres ind i enhver valgt modtager. Fordi modtageren ikke behøver at blive fjernet og udskiftet under destillationsprocessen, er denne type apparater nyttige, når der destilleres under en inert atmosfære for luftfølsomme kemikalier eller ved reduceret tryk. En Perkin -trekant er et alternativt apparat, der ofte bruges i disse situationer, fordi det tillader isolering af modtageren fra resten af systemet, men kræver fjernelse og genmontering af en enkelt modtager for hver fraktion.
Vakuumdestillationssystemer fungerer ved reduceret tryk og sænker derved materialernes kogepunkter. Antibumpende granulater bliver imidlertid ineffektive ved reducerede tryk.
Industriel destillation
Fraktioneret destillation er den mest almindelige form for adskillelsesteknologi, der anvendes i petroleumsraffinaderier , petrokemiske og kemiske anlæg , naturgasbehandling og kryogene luftseparationsanlæg . I de fleste tilfælde drives destillationen ved en kontinuerlig steady state . Nyt foder tilføjes altid til destillationskolonnen, og produkter fjernes altid. Medmindre processen forstyrres på grund af ændringer i foder, varme, omgivelsestemperatur eller kondensering, er mængden af foder, der tilføjes, og mængden af produkt, der fjernes, normalt ens. Dette er kendt som kontinuerlig, steady-state fraktioneret destillation.
Industriel destillation udføres typisk i store, lodrette cylindriske søjler kendt som "destillations- eller fraktioneringstårne" eller "destillationskolonner" med diametre fra ca. 0,65 til 6 meter (2 til 20 fod) og højder fra ca. 6 til 60 meter (20 til 197 fod) eller mere. Destillationstårnene har flydende udløb med mellemrum op ad kolonnen, hvilket muliggør tilbagetrækning af forskellige fraktioner eller produkter med forskellige kogepunkter eller kogepunkter. Ved at øge produktets temperatur inde i søjlerne adskilles de forskellige produkter. De "letteste" produkter (dem med det laveste kogepunkt) forlader toppen af søjlerne og de "tungeste" produkter (dem med det højeste kogepunkt) forlader bunden af kolonnen.
F.eks. Anvendes fraktioneret destillation i olieraffinaderier til at adskille råolie til nyttige stoffer (eller fraktioner) med forskellige kulbrinter med forskellige kogepunkter. Råoliefraktionerne med højere kogepunkter:
- har flere kulstofatomer
- har højere molekylvægte
- er mindre forgrenede alkaner
- er mørkere i farven
- er mere tyktflydende
- er sværere at antænde og brænde
Store industrielle tårne bruger tilbagesvaling for at opnå en mere fuldstændig adskillelse af produkter. Reflux refererer til den del af det kondenserede flydende produkt fra et destillations- eller fraktioneringstårn, der føres tilbage til den øverste del af tårnet som vist i det skematiske diagram over et typisk, stort industrielt destillationstårn . Inde i tårnet giver tilbagesvalingsvæsken, der strømmer nedad, den nødvendige køling til at kondensere dampene, der strømmer opad, og derved øge destillationstårnets effektivitet. Jo mere tilbagesvaling der tilvejebringes for et givet antal teoretiske plader , jo bedre er tårnets adskillelse af lavere kogende materialer fra materialer med højere kogning. Alternativt, jo mere tilbagesvaling der er tilvejebragt for en given ønsket adskillelse, desto færre teoretiske plader kræves.
Fraktioneret destillation bruges også i luftseparation, der producerer flydende oxygen , flydende nitrogen og stærkt koncentreret argon . Destillation af chlorsilaner muliggør også produktion af silicium af høj renhed til brug som halvleder .
I industrielle anvendelser bruges undertiden et emballagemateriale i søjlen i stedet for bakker, især når der er behov for lavt trykfald over søjlen, som ved drift under vakuum. Dette emballagemateriale kan enten være tilfældig dumpet emballage (25–76 mm) i bredden, såsom Raschig -ringe eller struktureret metalplader . Typiske producenter er Koch, Sulzer og andre virksomheder. Væsker har en tendens til at væde overfladen af emballagen, og dampene passerer hen over denne befugtede overflade, hvor masseoverførsel finder sted. I modsætning til konventionel bakke -destillation, hvor hver bakke repræsenterer et separat punkt for dampvæske -ligevægt, er dampvæske -ligevægtskurven i en pakket søjle kontinuerlig. Ved modellering af pakkede søjler er det imidlertid nyttigt at beregne et antal "teoretiske plader" for at angive adskilningseffektiviteten af den pakkede søjle i forhold til mere traditionelle bakker. Forskelligt formede pakninger har forskellige overfladearealer og porøsitet . Begge disse faktorer påvirker emballageydelsen.
Design af industrielle destillationssøjler
Design og drift af en destillationskolonne afhænger af foderet og de ønskede produkter. I betragtning af et enkelt binært komponentfoder kan analytiske metoder såsom McCabe -Thiele -metoden eller Fenske -ligningen bruges. Til et multi-komponent feed bruges simuleringsmodeller både til design og drift.
Desuden er effektiviteten af damp -væskekontaktindretninger (kaldet plader eller bakker ), der bruges i destillationskolonner, typisk lavere end for et teoretisk 100% effektivt ligevægtstrin . Derfor har en destillationskolonne brug for flere plader end antallet af teoretiske damp -væske -ligevægtstrin.
Reflux refererer til den del af det kondenserede overheadprodukt, der returneres til tårnet. Refluxen, der flyder nedad, giver den nødvendige køling til kondensering af dampene, der strømmer opad. Tilbagestrømningsforholdet, som er forholdet mellem (intern) tilbagesvaling og overheadproduktet, er omvendt relateret til det teoretiske antal trin, der kræves for effektiv adskillelse af destillationsprodukterne. Fraktionerede destillationstårne eller -søjler er designet til effektivt at opnå den nødvendige adskillelse. Udformningen af fraktioneringskolonner foretages normalt i to trin; et procesdesign efterfulgt af et mekanisk design. Formålet med procesdesignet er at beregne antallet af påkrævede teoretiske trin og strømningsstrømme, herunder tilbagesvalingsforholdet, varme refluks og andre varmeafgifter. Formålet med det mekaniske design er derimod at vælge tårnets indre, søjldiameter og højde. I de fleste tilfælde er den mekaniske konstruktion af fraktioneringstårne ikke ligetil. For et effektivt valg af tårnets indre og den nøjagtige beregning af søjlehøjde og diameter skal mange faktorer tages i betragtning. Nogle af de faktorer, der er involveret i konstruktionsberegninger, omfatter foderbelastningsstørrelse og egenskaber og den anvendte destillationskolonne.
De to hovedtyper af destillationskolonner, der anvendes, er bakke- og pakkekolonner. Emballagesøjler bruges normalt til mindre tårne og belastninger, der er ætsende eller temperaturfølsomme eller til vakuumservice, hvor trykfald er vigtigt. Bakkekolonner bruges derimod til større søjler med høje væskebelastninger. De dukkede først op på scenen i 1820'erne. I de fleste olieraffinaderier opereres bakkesøjler hovedsageligt til adskillelse af oliefraktioner på forskellige stadier af olieraffinering.
I olieraffineringsindustrien opnås design og drift af fraktioneringstårne stadig stort set på et empirisk grundlag. De beregninger, der er involveret i udformningen af petroleumsfraktioneringskolonner, kræver i sædvanlig praksis brug af talbare diagrammer, tabeller og komplekse empiriske ligninger. I de senere år er der imidlertid blevet gjort et betydeligt arbejde for at udvikle effektive og pålidelige computerstøttede designprocedurer til fraktioneret destillation.