Destylacja próżniowa - Vacuum distillation

Rysunek 1: Pod ciśnieniem atmosferycznym sulfotlenek dimetylu wrze w temperaturze 189 °C. W aparacie próżniowym tutaj oddestylowuje się do podłączonej kolby odbieralnika po lewej stronie tylko w 70 °C.

Destylacja próżniowa to destylacja przeprowadzana pod zmniejszonym ciśnieniem, która pozwala na oczyszczanie związków, które nie są łatwo destylowane pod ciśnieniem otoczenia lub po prostu w celu zaoszczędzenia czasu lub energii. Ta technika oddziela związki na podstawie różnic w ich temperaturach wrzenia. Technikę tę stosuje się, gdy temperatura wrzenia pożądanego związku jest trudna do osiągnięcia lub spowoduje rozkład związku. Obniżone ciśnienia obniżają temperaturę wrzenia związków. Obniżenie temperatury wrzenia można obliczyć za pomocą nomogramu temperatura-ciśnienie, wykorzystując zależność Clausiusa-Clapeyrona .

Zastosowania w skali laboratoryjnej

Związki o temperaturze wrzenia niższej niż 150 °C zazwyczaj destyluje się pod ciśnieniem otoczenia. W przypadku próbek o wysokich temperaturach wrzenia powszechnie stosuje się aparat do destylacji krótkościeżkowej. Ta technika jest obszernie zilustrowana w syntezie organicznej.

Odparowywanie rotacyjne

Główny artykuł: odparowanie rotacyjne

Odparowywanie obrotowe jest powszechną techniką stosowaną w laboratoriach do zatężania lub izolowania związku z roztworu. Wiele rozpuszczalników jest lotnych i można je łatwo odparować za pomocą wyparki obrotowej. Nawet mniej lotne rozpuszczalniki można usunąć na wyparce obrotowej pod wysoką próżnią i z ogrzewaniem. Jest również używany przez agencje regulacyjne ds. ochrony środowiska do określania ilości rozpuszczalników w farbach, powłokach i tuszach.

Względy bezpieczeństwa

Bezpieczeństwo jest ważnym czynnikiem, gdy wyroby szklane są pod ciśnieniem. Rysy i pęknięcia mogą powodować implozję, gdy przyłożona jest próżnia. Owinięcie jak największej części szkła taśmą taśmą pomaga zapobiegać niebezpiecznemu rozsypaniu się odłamków szkła w przypadku implozji.

Zastosowania na skalę przemysłową

Rysunek 2: Uproszczona animacja typowej kolumny do suchej destylacji próżniowej stosowanej w rafineriach ropy naftowej
Rysunek 3: Wieża do destylacji próżniowej na dużą skalę w rafinerii ropy naftowej Fawley

Destylacja próżniowa na skalę przemysłową ma kilka zalet. Ściśle wrzące mieszaniny mogą wymagać wielu etapów równowagi w celu oddzielenia kluczowych składników. Jednym z narzędzi pozwalających zredukować liczbę potrzebnych etapów jest zastosowanie destylacji próżniowej. Kolumny do destylacji próżniowej (jak pokazano na rysunkach 2 i 3) zwykle stosowane w rafineriach ropy naftowej mają średnice w zakresie do około 14 metrów (46 stóp), wysokości w zakresie do około 50 metrów (164 stopy) i szybkości zasilania wynoszące do około 25 400 metrów sześciennych dziennie (160.000 baryłek dziennie).

Destylacja próżniowa może poprawić separację poprzez:

  • Zapobieganie degradacji produktu lub tworzeniu się polimeru z powodu obniżonego ciśnienia prowadzącego do niższych temperatur dna wieży,
  • Redukcja degradacji produktu lub tworzenia polimeru ze względu na skrócony średni czas przebywania, zwłaszcza w kolumnach wykorzystujących wypełnienie zamiast tac .
  • Zwiększenie wydajności, wydajności i czystości.

Kolejną zaletą destylacji próżniowej jest zmniejszony koszt kapitału kosztem nieco wyższych kosztów operacyjnych. Wykorzystanie destylacji próżniowej może zmniejszyć wysokość i średnicę, a tym samym koszt inwestycyjny kolumny destylacyjnej.

Destylacja próżniowa w rafinacji ropy naftowej

Ropa naftowa jest złożoną mieszaniną setek różnych związków węglowodorowych zawierających zazwyczaj od 3 do 60 atomów węgla w cząsteczce , chociaż mogą występować niewielkie ilości węglowodorów poza tym zakresem. Rafinacja ropy naftowej rozpoczyna się od destylacji przychodzącej ropy naftowej w tak zwanej kolumnie destylacji atmosferycznej pracującej pod ciśnieniem nieco wyższym od ciśnienia atmosferycznego.

Destylacja próżniowa może być również określana jako „destylacja niskotemperaturowa”.

Podczas destylacji ropy naftowej ważne jest, aby nie poddawać jej działaniu temperatur powyżej 370–380 °C, ponieważ składniki ropy naftowej o dużej masie cząsteczkowej ulegną krakingowi termicznemu i w temperaturach powyżej tej temperatury utworzą koks naftowy . Powstawanie koksu spowodowałoby zatkanie rur w piecu, które ogrzewają strumień zasilający kolumnę destylacyjną ropy naftowej. Zatykanie mogłoby również wystąpić w rurociągu prowadzącym z pieca do kolumny destylacyjnej, jak również w samej kolumnie.

Ograniczenie nałożone przez ograniczenie surowego oleju na wlocie do kolumny do temperatury poniżej 370–380 °C powoduje, że olej resztkowy z dna kolumny do destylacji atmosferycznej składa się wyłącznie z węglowodorów wrzących powyżej 370–380 °C.

W celu dalszej destylacji oleju resztkowego z kolumny destylacji atmosferycznej destylację należy przeprowadzić przy ciśnieniu bezwzględnym tak niskim jak 10 do 40 mmHg / Tor (około 5% ciśnienia atmosferycznego), aby ograniczyć temperaturę roboczą do mniej niż 370 do 380 ° C.

Figura 2 jest uproszczonym schematem procesu rafinerii próżniowej kolumny do destylacji próżniowej, który przedstawia wnętrze kolumny, a Figura 3 jest fotografią dużej kolumny do destylacji próżniowej w rafinerii ropy naftowej.

Ciśnienie bezwzględne od 10 do 40 mm Hg w kolumnie do destylacji próżniowej zwiększa objętość powstających par na objętość destylowanej cieczy. Powoduje to, że takie kolumny mają bardzo duże średnice.

Kolumny destylacyjne, takie jak te na rysunkach 1 i 2, mogą mieć średnicę 15 metrów lub większą, wysokość do około 50 metrów i szybkości podawania do około 25400 metrów sześciennych dziennie (160000 baryłek dziennie).

Elementy wewnętrzne kolumny do destylacji próżniowej muszą zapewniać dobry kontakt para-ciecz, przy jednoczesnym utrzymaniu bardzo niskiego wzrostu ciśnienia od szczytu do dołu kolumny. Dlatego kolumna próżniowa wykorzystuje półki destylacyjne tylko tam, gdzie produkty są usuwane z boku kolumny (określane jako wyciągi boczne ). Większość kolumny wykorzystuje materiał wypełnienia do kontaktu para-ciecz, ponieważ takie wypełnienie ma niższy spadek ciśnienia niż półki destylacyjne. Takim materiałem uszczelniającym może być blacha strukturalna lub wypełnienie losowo dumpingowe, takie jak pierścienie Raschiga .

Ciśnienie bezwzględne od 10 do 40 mmHg w kolumnie próżniowej jest najczęściej osiągane przy użyciu wielostopniowych eżektorów parowych .

Wiele gałęzi przemysłu, innych niż przemysł rafinacji ropy naftowej, stosuje destylację próżniową na znacznie mniejszą skalę. Empirical Spirits z siedzibą w Kopenhadze, destylarnia założona przez byłych szefów kuchni Nomy , wykorzystuje ten proces do tworzenia wyjątkowych smaków alkoholi. Ich sztandarowy duch, Helena, jest tworzony przy użyciu Koji, obok Pilsner Malt i belgijskich drożdży Saison.

Oczyszczanie wody na dużą skalę

Destylacja próżniowa jest często stosowana w dużych zakładach przemysłowych jako skuteczny sposób usuwania soli z wody oceanicznej w celu produkcji świeżej wody. Nazywa się to odsalaniem . Woda oceaniczna jest umieszczana pod próżnią, aby obniżyć jej temperaturę wrzenia i ma zastosowane źródło ciepła, co pozwala na odparowanie świeżej wody i jej kondensację. Kondensacja pary wodnej uniemożliwia parze wodnej wypełnienie komory próżniowej i umożliwia ciągłe działanie efektu bez utraty podciśnienia. Ciepło usunięte z pary wodnej jest usuwane przez radiator i przekazywane do wpływającej wody oceanicznej w celu jej wstępnego podgrzania. Zmniejsza to zapotrzebowanie na energię i pozwala na znacznie wyższą wydajność dzięki zmniejszonemu zapotrzebowaniu na ciepło i zużycie paliwa. W niektórych formach destylacji nie stosuje się kondensatorów, ale zamiast tego sprężają parę mechanicznie za pomocą pompy. Działa ona jak pompa ciepła , koncentrując ciepło z pary i pozwalając na zwrot ciepła i ponowne wykorzystanie przez dopływające źródło nieoczyszczonej wody. Istnieje kilka rodzajów destylacji próżniowej wody, przy czym najczęściej występują wielostopniowe destylacji , sprężania par odsalania oraz wielostopniowe destylacji rzutowej .

Destylacja molekularna

Destylacja molekularna to destylacja próżniowa poniżej ciśnienia 0,01 tora (1,3 Pa). 0,01 torr to jeden rząd wielkości powyżej wysokiej próżni , gdzie płyny są w reżimie swobodnego przepływu molekularnego , tj. średnia swobodna droga cząsteczek jest porównywalna z rozmiarem urządzenia. Faza gazowa nie wywiera już znacznego nacisku na odparowywaną substancję, a w konsekwencji szybkość parowania nie zależy już od ciśnienia. To znaczy, ponieważ założenia continuum dynamiki płynów nie mają już zastosowania, transportem masy rządzi dynamika molekularna, a nie dynamika płynów. Zatem konieczna jest krótka droga pomiędzy gorącą powierzchnią a zimną powierzchnią, zazwyczaj przez zawieszenie gorącej płyty pokrytej folią paszową obok zimnej płyty z linią widzenia pomiędzy nimi.

Destylacja molekularna jest stosowana przemysłowo do oczyszczania olejów.

Galeria

Zobacz też

Bibliografia

Ten artykuł zawiera materiał z artykułu Citizendium „ Destylacji próżniowej ”, który jest objęty licencją Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, ale nie podlega GFDL .

Zewnętrzne linki