Вакуумная перегонка - Vacuum distillation

Рисунок 1: При атмосферном давлении диметилсульфоксид кипит при 189 ° C. В этом вакуумном аппарате он отгоняется в подключенную приемную колбу слева только при 70 ° C.

Вакуумная перегонка - это перегонка, выполняемая при пониженном давлении, что позволяет очищать соединения, которые трудно перегонять при атмосферном давлении, или просто для экономии времени или энергии. Этот метод разделяет соединения на основе разницы в их температурах кипения. Этот метод используется, когда точку кипения желаемого соединения трудно достичь или это приведет к разложению соединения. Пониженное давление снижает температуру кипения соединений. Снижение точки кипения можно рассчитать с помощью номограммы температуры-давления с использованием соотношения Клаузиуса-Клапейрона .

Приложения лабораторного масштаба

Соединения с температурой кипения ниже 150 ° C обычно перегоняют при атмосферном давлении. Для образцов с высокими температурами кипения обычно используется установка короткоструктурной перегонки. Этот метод подробно проиллюстрирован в «Органическом синтезе».

Роторное испарение

Основная статья: Роторное испарение

Ротационное испарение - это распространенный метод, используемый в лабораториях для концентрирования или выделения соединения из раствора. Многие растворители летучие и легко испаряются с помощью роторного испарителя. Даже менее летучие растворители могут быть удалены роторным испарением в высоком вакууме и при нагревании. Он также используется регулирующими органами по охране окружающей среды для определения количества растворителей в красках, покрытиях и чернилах.

Соображения безопасности

Безопасность является важным фактором, когда посуда находится под вакуумом. Царапины и трещины могут привести к взрывам при приложении вакуума. Обмотка стеклянной посуды лентой, насколько это возможно, помогает предотвратить опасное разбрасывание осколков стекла в случае взрыва.

Промышленные приложения

Рисунок 2: Упрощенная анимация типичной вакуумной ректификационной колонны, используемой на нефтеперерабатывающих заводах.
Рисунок 3: Крупномасштабная вакуумная перегонная колонна на нефтеперерабатывающем заводе Fawley.

Промышленная вакуумная перегонка имеет несколько преимуществ. Для близкокипящих смесей может потребоваться много ступеней равновесия для разделения ключевых компонентов. Одним из способов уменьшения количества необходимых стадий является использование вакуумной перегонки. Вакуумные дистилляционные колонны (как показано на рисунках 2 и 3), обычно используемые на нефтеперерабатывающих заводах, имеют диаметр примерно до 14 метров (46 футов), высоту примерно до 50 метров (164 фута) и скорость подачи примерно до 25 400. кубометров в сутки (160 000 баррелей в сутки).

Вакуумная перегонка может улучшить разделение за счет:

  • Предотвращение разложения продукта или образования полимера из-за пониженного давления, ведущего к более низким температурам нижней части колонны,
  • Снижение деградации продукта или образования полимера из-за уменьшения среднего времени пребывания, особенно в колонках, использующих насадку, а не тарелки .
  • Повышение производительности, выхода и чистоты.

Еще одним преимуществом вакуумной перегонки является снижение капитальных затрат за счет несколько более высоких эксплуатационных затрат. Использование вакуумной перегонки может уменьшить высоту и диаметр и, следовательно, капитальные затраты на дистилляционную колонну.

Вакуумная перегонка в нефтепереработке

Нефтяная нефть представляет собой сложную смесь сотен различных углеводородных соединений, обычно содержащих от 3 до 60 атомов углерода на молекулу , хотя могут быть небольшие количества углеводородов за пределами этого диапазона. Очистка сырой нефти начинается с перегонки поступающей сырой нефти в так называемой атмосферной дистилляционной колонне, работающей при давлениях немного выше атмосферного.

Вакуумная перегонка также может быть названа «низкотемпературной перегонкой».

При перегонке сырой нефти важно не подвергать сырую нефть воздействию температур выше 370-380 ° C, потому что высокомолекулярные компоненты сырой нефти будут подвергаться термическому крекингу и образовывать нефтяной кокс при температурах выше этой. Образование кокса приведет к закупорке труб в печи, которые нагревают поток сырья в колонну перегонки сырой нефти. Забивание может также произойти в трубопроводе от печи к ректификационной колонне, а также в самой колонне.

Ограничение, налагаемое ограничением температуры сырой нефти на входе в колонну до температуры менее 370-380 ° C, дает остаточную нефть из нижней части атмосферной дистилляционной колонны, полностью состоящую из углеводородов, температура кипения которых превышает 370-380 ° C.

Для дальнейшей отгонки остаточного масла из колонны атмосферной перегонки, то перегонку необходимо проводить при абсолютном давлении по цене от 10 до 40 мм ртутного столба / мм рт.ст. (около 5% атмосферного давления) , с тем чтобы ограничить рабочую температуру до менее чем 370 до 380 & deg ; С.

На рисунке 2 представлена ​​упрощенная технологическая схема вакуумной дистилляционной колонны нефтеперерабатывающего завода, на которой изображено внутреннее устройство колонны, а на рисунке 3 - фотография большой вакуумной дистилляционной колонны на нефтеперерабатывающем заводе.

Абсолютное давление от 10 до 40 мм рт. Ст. В вакуумной ректификационной колонне увеличивает объем пара, образующегося на объем перегоняемой жидкости. В результате такие колонны имеют очень большой диаметр.

Дистилляционные колонны, подобные тем, что показаны на изображениях 1 и 2, могут иметь диаметр 15 метров и более, высоту примерно до 50 метров и скорость подачи примерно до 25 400 кубических метров в день (160 000 баррелей в день).

Внутренние устройства вакуумной ректификационной колонны должны обеспечивать хороший парожидкостный контакт, в то же время поддерживая очень низкое повышение давления от верха колонны к низу. Поэтому в вакуумной колонне используются тарелки для перегонки только в том случае, если продукты выводятся сбоку из колонны (называемые боковыми отводами ). В большей части колонны используется насадочный материал для парожидкостного контакта, поскольку такая насадка имеет меньший перепад давления, чем тарелки для перегонки. Этот набивочный материал может представлять собой структурированный листовой металл или набивку с произвольной разгрузкой, такую ​​как кольца Рашига .

Абсолютное давление в вакуумной колонне от 10 до 40 мм рт. Ст. Чаще всего достигается за счет использования многоступенчатых пароструйных эжекторов .

Многие отрасли промышленности, кроме нефтеперерабатывающей, используют вакуумную перегонку в гораздо меньших масштабах. Расположенная в Копенгагене винокурня Empirical Spirits, основанная бывшими шеф-поварами Noma , использует этот процесс для создания спиртных напитков с уникальным вкусом. Их флагманский дух, Helena, создается с использованием коджи, солода Pilsner и бельгийских дрожжей Saison.

Масштабная очистка воды

Вакуумная дистилляция часто используется на крупных промышленных предприятиях как эффективный способ удаления соли из океанской воды с целью получения пресной воды. Это называется опреснением . Океанская вода помещается под вакуум, чтобы понизить ее точку кипения, и к ней прилагается источник тепла, позволяющий пресной воде выкипеть и конденсироваться. Конденсация водяного пара предотвращает заполнение водяным паром вакуумной камеры и позволяет эффекту протекать непрерывно без потери вакуумного давления. Тепло, отводимое от водяного пара, отводится радиатором и передается в поступающую океаническую воду для ее предварительного нагрева. Это снижает потребность в энергии и позволяет значительно повысить эффективность за счет уменьшения потребности в тепле и использовании топлива. Некоторые формы дистилляции не используют конденсаторы, а вместо этого сжимают пар механически с помощью насоса. Он действует как тепловой насос , концентрируя тепло от пара и позволяя возвращать и повторно использовать тепло поступающим источником неочищенной воды. Существует несколько форм вакуумной перегонки воды, наиболее распространенными из которых являются многоступенчатая перегонка , опреснение с помощью сжатия пара и многоступенчатая мгновенная перегонка .

Молекулярная дистилляция

Молекулярная дистилляция - это вакуумная перегонка при давлении ниже 0,01 торр (1,3 Па). 0,01 торр на порядок выше высокого вакуума , в котором жидкости находятся в режиме свободномолекулярного потока , то есть длина свободного пробега молекул сравнима с размером оборудования. Газовая фаза больше не оказывает значительного давления на испаряемое вещество, и, следовательно, скорость испарения больше не зависит от давления. То есть, поскольку континуальные предположения гидродинамики больше не применимы, массоперенос регулируется молекулярной динамикой, а не гидродинамикой. Таким образом, необходим короткий путь между горячей поверхностью и холодной поверхностью, обычно путем подвешивания горячей пластины, покрытой пленкой корма, рядом с холодной пластиной с прямой видимостью между ними.

Молекулярная дистилляция используется в промышленности для очистки масел.

Галерея

Смотрите также

использованная литература

Эта статья включает материалы из статьи Citizendium « Вакуумная дистилляция », которая находится под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, но не GFDL .

внешние ссылки