Фракционная перегонка - Fractional distillation

Путь фракционная перегонка является разделением из смеси на составные части, или фракцию . Химические соединения разделяют, нагревая их до температуры, при которой одна или несколько фракций смеси испаряются . Для фракционирования используется дистилляция . 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 перегонка .

Лабораторная установка

Для фракционной перегонки в лаборатории используется обычная лабораторная стеклянная посуда и аппараты, обычно включающие горелку Бунзена , круглодонную колбу и конденсатор , а также одноцелевую фракционирующую колонну .

Путем фракционной перегонки колбу Эрленмейера используется в качестве приемной колбе. Здесь ректификационная головка и ректификационная колонна объединены в одно целое.

Лабораторная установка будет включать:

Обсуждение

В качестве примера рассмотрим перегонку смеси воды и этанола . 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 , в которых 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.

Аппарат собран как на схеме. (На диаграмме представлено устройство периодического действия в отличие от устройства непрерывного действия.) Смесь помещают в круглодонную колбу вместе с несколькими гранулами, предотвращающими столкновение с толчками (или стержнем магнитной мешалки с тефлоновым покрытием, если используется магнитная мешалка ), и колонной фракционирования. вставляется в верхнюю часть. Колонна фракционной перегонки устанавливается с источником тепла на дне перегонного куба. По мере того, как расстояние от успокаивающего электролизера увеличивается, в колонне образуется температурный градиент; он самый прохладный вверху и самый горячий внизу. По мере того, как смешанный пар поднимается по градиенту температуры, часть пара конденсируется и повторно испаряется по градиенту температуры . 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, нагревая дистиллят. Эффективность с точки зрения количества нагрева и времени, необходимого для фракционирования, может быть улучшена путем изоляции внешней части колонны изолятором, таким как вата, алюминиевая фольга или, предпочтительно, вакуумная рубашка. Самый горячий лоток находится внизу, а самый холодный - вверху. В установившемся режиме 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 с добавлением 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 распознать по резкому повышению температуры, показанному на градуснике .

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 посеребренные изнутри ), заполненные насадкой, часто небольшими стеклянными спиралями диаметром от 4 до 7 миллиметров (от 0,16 до 0,28 дюйма). Такая колонна может быть откалибрована перегонкой известной системы смесей для количественной оценки колонны с точки зрения количества теоретических тарелок. Для улучшения фракционирования аппарат настроен на возврат конденсата в колонну с использованием какого-либо типа разделителя флегмы (флегма, затвор, магнитный качающийся ковш и т. Д.) - при типичном осторожном фракционировании используется коэффициент флегмы около 4: 1 (4 части возвращенного конденсата на 1 часть отвода конденсата).

В лабораторной дистилляции обычно используются несколько типов конденсаторов. Конденсатора Либиха просто прямая труба в водяной рубашке , и является самой простой (и относительно наименее дорогой) формой конденсатора. Конденсатор Грэма представляет собой спираль трубки в водяной рубашке, и конденсатор Аллины имеет ряд больших и малых сужения на внутренней стороне трубы, каждый из увеличения площади поверхности , на которой составляющие паров 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. Перкин треугольник является альтернативой устройство часто используется в таких ситуациях , поскольку она позволяет изолировать приемника от остальной части системы, но требует удаления и повторного присоединения один приемник для каждой фракции.

Системы вакуумной перегонки работают при пониженном давлении, что снижает температуру кипения материалов. Однако противоударные гранулы становятся неэффективными при пониженном давлении.

Промышленная перегонка

Типовые промышленные колонны фракционной дистилляции

Фракционная перегонка - наиболее распространенная форма технологии разделения, используемая на нефтеперерабатывающих , нефтехимических и химических заводах , заводах по переработке природного газа и криогенных воздухоразделительных установках. В большинстве случаев перегонка проводится в непрерывном установившемся режиме . 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 6 до 60 метров (20 футов). до 197 футов) или более. Дистилляционные колонны имеют выпускные отверстия для жидкости через определенные интервалы вверх по колонне, что позволяет отводить различные фракции или продукты с разными точками кипения или диапазонами 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 с разными температурами кипения. Фракции сырой нефти с более высокими температурами кипения:

Схема типичной промышленной дистилляционной башни

В крупных промышленных башнях используется орошение для более полного разделения продуктов. Обратный поток относится к части сконденсированного жидкого продукта верхнего погона из дистилляционной или ректификационной колонны, который возвращается в верхнюю часть колонны, как показано на схематической диаграмме типичной крупномасштабной промышленной дистилляционной колонны. Внутри колонны орошающая жидкость, текущая вниз, 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. В качестве альтернативы, чем больше флегмы обеспечивается для заданного желаемого разделения, тем меньше требуется теоретических тарелок.

Сырая нефть разделяется на фракции фракционной перегонкой. Фракции в верхней части ректификационной колонны имеют более низкие температуры кипения, чем фракции в нижней части. Все фракции проходят дальнейшую переработку на других нефтеперерабатывающих установках.

Фракционная перегонка также используется при разделении воздуха с получением жидкого кислорода , жидкого азота и высококонцентрированного аргона . Перегонка хлорсиланов также позволяет производить кремний высокой чистоты для использования в качестве полупроводника .

В промышленных применениях иногда вместо тарелок в колонне используется насадочный материал, особенно когда требуются низкие перепады давления в колонне, например, при работе в вакууме. Этот набивочный материал может представлять собой набивку произвольной разгрузки (шириной 1–3 дюйма (25–76 мм)), такую ​​как 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 массообмен . В отличие от традиционной тарельчатой ​​перегонки, в которой каждая тарелка представляет собой отдельную точку равновесия пара и жидкости, кривая равновесия пара и жидкости в насадочной колонне является непрерывной. Однако при моделировании насадочных колонн полезно рассчитать количество «теоретических тарелок», чтобы обозначить эффективность 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.

Проектирование промышленных ректификационных колонн

Схема химической инженерии типичных тарелок с пузырьковыми крышками в дистилляционной башне

Конструкция и работа ректификационной колонны зависят от сырья и желаемых продуктов. При наличии простой бинарной подачи компонентов можно использовать такие аналитические методы, как метод МакКейба – Тиле или уравнение Фенске . Для многокомпонентного корма имитационные модели 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 ступени равновесия с эффективностью 100% . Следовательно, для дистилляционной колонны требуется больше тарелок, чем количество теоретических ступеней равновесия пар-жидкость.

Обратный поток относится к части сконденсированного верхнего погона, который 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 перегонки. Башни или колонны фракционной перегонки предназначены для эффективного достижения необходимого разделения. Конструкция ректификационных колонн обычно состоит из двух этапов; 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 градирни 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 являются коррозионно-активными или чувствительными 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 различных стадиях переработки нефти.

В нефтеперерабатывающей промышленности проектирование и эксплуатация колонн фракционирования все еще 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.

Смотрите также

использованная литература