Distilarea este un proces prin care un amestec lichid este separat în fracțiuni cu concentrații mai mari ale anumitor componente prin exploatarea diferențelor de volatilitate relativă. În medii industriale, precum rafinăriile de petrol și instalațiile de prelucrare a gazelor naturale, acest proces de separare se realizează folosind o coloană de distilare. Acest articol descrie principiile de bază și funcționarea unei coloane de distilare, precum și echipamentul și terminologia utilizate atunci când se discută despre distilare.

Obiectivul de bază al distilării este de a lua un amestec lichid și de a-l separa în două sau mai multe fluxuri care au compoziții diferite de fluxul de alimentare. Într-o coloană de distilare de bază, un flux de alimentare intră în mijlocul coloanei și pleacă două fluxuri, unul în partea de sus și unul în partea de jos. Componentele cu puncte de fierbere mai mici sunt concentrate în curent, părăsind partea de sus, în timp ce componentele cu puncte de fierbere mai ridicate sunt concentrate în curent, părăsind partea de jos.

Separarea se realizează controlând temperatura coloanei și profilurile de presiune pentru a profita de diferențele în volatilitatea relativă a componentelor amestecului și, prin urmare, tendința de a schimba faza. Componentele mai ușoare, cu punct de fierbere inferior, se evaporă și se deplasează în sus pe coloană pentru a forma produsul de top, iar componentele mai grele, cu punct de fierbere mai mare se condensează și se deplasează în jos pe coloană pentru a forma produsul de jos.

partea coloanei

Discuția despre distilare necesită înțelegerea unei nomenclaturi de bază. Mai jos sunt termeni care sunt folosiți în mod obișnuit pentru a descrie componentele principale ale unei coloane de distilare completate cu o reprezentare schematică a unei coloane de tavă.

Fracționarea - Un alt termen pentru distilare sau distilare fracționată.

A hrani - Lichidul și/sau gazul se alimentează în coloana de distilare. Tava de sub duza de intrare se numește tava de alimentare.

Componenta grea - Componenta cu volatilitate relativă mai mică, pentru hidrocarbura simplă aceasta este componenta cu greutate moleculară mai mare. Se găsește în concentrație mai mare în produsul inferior al coloanei.

Componenta luminoasa - Componenta cu volatilitatea relativă mai mare, pentru hidrocarbura simplă aceasta este componenta cu greutate moleculară mai mică. Găsit în concentrație mai mare în partea de sus a coloanei.

Secțiunea de decojire - Tăvile dintre partea de jos a coloanei și tava de alimentare. În secțiunea de stripare, scopul este concentrarea componentei mai grele în faza lichidă.

Secțiunea de rectificare - Tăvile dintre tava de alimentare și partea superioară a coloanei. În secțiunea de redresare se urmărește concentrarea componentei mai ușoare în faza de vapori.

Produs de top - Produsul care părăsește partea de sus a coloanei, numit și distilat. Acest produs este de obicei trecut printr-un schimbător de căldură și lichefiat.

Produsul de jos - Produsul care pleacă prin partea de jos a coloanei.

Reflux - O porție de vapori din partea superioară a coloanei care a fost condensată într-un lichid și returnată în coloană sub formă de lichid deasupra tăvii superioare.

Reboiler - Un schimbător de căldură în partea de jos a coloanei care fierbe o parte din lichidul care iese din coloană. Vaporii generați revin la coloana din partea de jos a secțiunii de dezizolare.

Curba echilibrului vapor-lichid (VLE) - Un grafic al compoziției reale a componentei mai ușoare în faza de vapori pentru o compoziție dată în faza lichidă. De obicei derivate din date termodinamice.

Distilarea profită de diferența de volatilitate relativă a componentelor amestecului de alimentare. În general, pentru doi sau mai mulți compuși la o presiune și temperatură date, va exista o diferență în compozițiile de vapori și lichide la echilibru datorită presiunii parțiale a componentelor. Distilarea exploatează acest lucru prin punerea în contact a fazelor lichide și gazoase la temperaturi și presiuni care promovează separarea dorită. În timpul acestui contact, componentele cu volatilitate mai mică (de obicei punctul de fierbere mai scăzut) se vor muta preferențial în faza lichidă, în timp ce componentele mai volatile se mută în faza de vapori.

O coloană de distilare poate utiliza fie tăvi sau un pat ambalat pentru a aduce gazul și lichidul în contact. Pentru o coloană care utilizează tăvi, putem lua în considerare modificările compozițiilor în fază gazoasă și lichidă, deoarece acestea intră și ies dintr-o singură tavă. Lichidul care intră în tavă va intra în contact cu gazul care iese din tavă. Faza de vapori mai fierbinte va încălzi faza lichidă de intrare pe măsură ce bule prin tavă, evaporând componentele ușoare care apoi părăsesc tava cu faza de vapori. În schimb, răcirea fazei de vapori de către faza lichidă va face ca componentele mai grele ale fazei de vapori să se condenseze și să iasă din tavă cu faza lichidă.

Pentru lichidul din tava:

Pentru vaporii din tavă:

Unde este concentrația și temperatura.

Când se folosește un ambalaj mai degrabă decât tăvi, principiul rămâne același, de fapt, ambalajul este adesea menționat în termeni de înălțime echivalentă cu o placă teoretică (HETP), adică ce înălțime de ambalare este echivalentă cu o placă teoretică. Ambalarea este doar o metodă alternativă pentru a aduce fazele lichide și vapori în contact cu lichidul care curge în general pe suprafețele materialului de ambalare, în timp ce vaporii trec prin spațiul dintre elementele de ambalare.

Există câteva tendințe generale comune funcționării coloanelor de distilare. Cunoscând aceste tendințe și de ce apar, ne putem îmbunătăți înțelegerea procesului de distilare.

Profil de temperatură

Profilul de temperatură de bază al unei coloane de distilare este mai fierbinte în partea de jos și mai rece în partea de sus. Pentru o distilare simplă cu două componente, temperatura din partea de jos este doar mai mică decât punctul de fierbere al componentei mai grele. Temperatura din partea de sus a coloanei este chiar deasupra punctului de fierbere al componentei mai ușoare.

În partea de jos a coloanei am dori ca componenta grea să rămână sub formă de lichid și componenta mai ușoară să rămână ca gaz. Deci, setăm temperatura în partea de jos pentru a corespunde acestei cerințe. Această temperatură este setată prin adăugarea căldurii printr-un schimbător de căldură numit reboiler. În mod obișnuit, căldura adăugată în partea de jos a coloanei este ușor de controlat, prin debitul de abur sau ulei fierbinte.

În partea de sus a coloanei situația este inversată. Am dori ca componenta ușoară să rămână un gaz în timp ce componenta cea mai grea este condensată într-un lichid și cade înapoi pe coloană. Temperatura maximă este setată chiar deasupra punctului de fierbere al componentei mai ușoare. Situația de control al temperaturii este diferită aici de partea de jos a coloanei, deoarece de obicei dorim ca produsul de top să fie un lichid atunci când îl trimitem pentru depozitare. Așadar, condensăm tot gazul care iese din partea de sus a coloanei în lichid. Acest flux lichid este împărțit, unele revenind la coloană și unele mergând la stocare. Temperatura maximă este adesea controlată prin modificarea ratei de reflux, adică debitul lichidului trimis înapoi în partea de sus a coloanei. O rată de reflux mai mare înseamnă că mai mult lichid mai rece cade pe coloană împotriva gazului mai ridicat, iar temperatura maximă este mai scăzută.

Căldura totală este adăugată în partea de jos a coloanei și căldura este extrasă în partea de sus a coloanei. În interiorul coloanei se creează echilibrul de temperatură între gazul fierbinte care urcă în coloană și lichidul mai rece care cade pe coloană.

Profil de presiune

De obicei, există un gradient de presiune pe coloană, presiunea fiind mai mare în partea de jos a coloanei decât în ​​partea de sus. Acest gradient de presiune apare pe măsură ce lichidul care coboară pe coloană împiedică fluxul de vapori în sus pe coloană și impune o pierdere de presiune asupra debitului. În distilările la starea de echilibru, presiunea din coloană este menținută constantă, iar temperatura este variată pentru a controla compoziția fluxurilor de produse.