CAPITOLUL 9
PROCESE DE CONTACT-EQUILIBRIUM - APLICAȚII (continuare)

DISTILARE

operațiuni


Distilarea cu abur
Distilarea sub vid
Distilarea în lot
Echipament de distilare


Distilarea este un proces de separare, separând componentele dintr-un amestec prin utilizarea faptului că unele componente se vaporizează mai ușor decât altele. Când vaporii sunt produși dintr-un amestec, acestea conțin componentele amestecului original, dar în proporții care sunt determinate de volatilitatea relativă a acestor componente. Vaporii sunt mai bogați în unele componente, cele mai volatile, și astfel se produce o separare.

În distilarea fracționată, vaporii sunt condensați și apoi reevaporați atunci când are loc o separare suplimentară. Este dificil și uneori imposibil să se pregătească componente pure în acest fel, dar un grad de separare poate fi ușor atins dacă volatilitățile sunt în mod rezonabil diferite. Acolo unde este necesară o puritate mare, pot fi folosite distilări succesive.

relații de echilibru în distilare sunt guvernate de presiunile relative de vapori ale componentelor amestecului, adică de volatilitatea lor una față de cealaltă. Curbele de echilibru pentru amestecurile de vapori-lichid cu două componente pot fi prezentate în mod convenabil sub două forme, sub formă de curbe de temperatură/concentrație de fierbere sau ca curbe de distribuție a concentrației de vapori/lichide. Ambele forme sunt corelate, deoarece conțin aceleași date, iar curbele de distribuție a concentrației, care sunt la fel ca curbele de echilibru utilizate în extracție, pot fi obținute cu ușurință din curbele de temperatură/concentrație de fierbere.

A diagrama temperaturii/concentrației de fierbere este afișat în FIG. 9.10. Observați că există două curbe pe diagramă, una indicând concentrațiile de lichid și cealaltă concentrațiile de vapori.


Figura 9.10 Diagrama temperaturii/concentrației de fierbere


Dacă o linie orizontală (temperatură constantă) este trasată pe diagramă în limitele de temperatură ale celor două curbe, aceasta va tăia ambele curbe. Această linie orizontală corespunde unei anumite temperaturi de fierbere, punctul în care taie linia inferioară dă concentrația lichidului care fierbe la această temperatură, punctul în care taie linia superioară dă concentrația condensului de vapori la aceeași temperatură . Astfel, cele două puncte dau cele două concentrații care sunt în echilibru. Ele dau, de fapt, două valori corespunzătoare pe curbele de distribuție a concentrației, punctul de pe linia lichidă corespunzând unei X punct (adică la concentrația din faza mai grea) și punctul de pe linia de vapori la a y punctul (concentrația în faza mai ușoară). Diagrama arată că y valoarea este mai bogată în componenta mai volatilă a amestecului decât X, iar aceasta este baza separării prin distilare.

Se constată că unele amestecuri au diagrame în punct de fierbere care au o formă diferită de cea prezentată în Fig. 9.10. Pentru aceste amestecuri, la o altă temperatură particulară și departe de componentele pure de la extremele compoziției, liniile de compoziție de vapori și lichide se reunesc. Aceasta înseamnă că, la această temperatură, lichidul fierbe pentru a da un vapor cu aceeași compoziție ca el. Astfel de amestecuri constituie azeotrope iar formarea lor limitează concentrația atinsă într-o coloană de distilare. Amestecul etanol-apă, care are o mare importanță în industria băuturilor alcoolice, are un azeotrop cu punct de fierbere minim la compoziție 89,5 moli% (95,6% g/g) etanol și 10,5 moli% (4,4% g/g) apă, care fierbe la 78,15 ° C. Într-o coloană de distilare, separând alcoolul etilic diluat de apă, concentrațiile limită ale fluxurilor sunt 100% apă pe de o parte în fluxul „lichid” și 95,6% alcool etilic, 4,4% apă în greutate în fluxul „vapori”, cu toate acestea sunt utilizate multe etape de distilare.

O coloană de distilare în mai multe etape funcționează oferind etape succesive în care lichidele fierb și vaporii din stadiul de deasupra se condensează și în care se atinge echilibrul dintre cele două fluxuri, lichid și vapori. Soldurile de masă pot fi scrise pentru întreaga coloană și pentru părți ale acesteia, în același mod ca și în cazul altor procese de echilibru de contact.


EXEMPLUL 9.13. Distilarea amestecului alcool/apă
Într-o singură etapă, coloană de distilare continuă utilizată pentru îmbogățirea amestecurilor de alcool/apă, furajul conține 12% alcool, iar 25% din furaj se scurge cu produsul de top (fluxul de "vapori") de la alambic. Având în vedere că, la o temperatură de fierbere de 95,5 ° C, 1,9 moli% alcool în lichid este în echilibru cu 17 moli% alcool în vapori, estimați concentrația de alcool din produs din.

Din datele de echilibru date și deoarece fracția molară a alcoolului este mică, putem presupune o relație de echilibru liniar. Curba de echilibru trece prin (0,0) și (1.9, 17), astfel încât în ​​acest interval putem spune y = x(17/1.9) sau x = y(1,9/17).

Din condițiile de funcționare date, deoarece alimentarea este egală cu fazele lichid + vapori, (L + V) putem scrie:

F = L + V Si deasemenea
V = F/ 4 și așa
F = 4V și L = 3V
Prin urmare, pentru alcool, dacă Xf este concentrația în furaj, putem scrie un bilanț de masă pe coloana de distilare:
4Vxf = 3Vx + Tu
Concentrația de alcool în furaje este de 12%, care trebuie exprimată ca o fracție molară pentru a fi în aceleași unități ca datele de echilibru. Greutatea moleculară a alcoolului este 46 (C2H5OH), iar a apei 18.

Xf = (12/46)/(88/18 + 12/46)
= 0,05
Ecuația de funcționare:
4 x 0,05 = 3x + y

Starea de echilibru
X = (1,9/17)y,
y(3 x 1,9/17) + y = 0,2
Așadar y = 0,15 moli%

Lăsând fracțiunea în greutate de alcool din fluxul de vapori să fie w avem:

0,15 = (w/ 46) /w/ 46 + (1 - w)/18)
asa de w = 0,31 = 31%
Concentrația de alcool din produs de la statie = 31%

Coloanele de distilare fracționată continuă pot fi analizate în moduri destul de similare cu sistemele de extracție continuă, au în general un cazan la un capăt al unei coloane și un condensator la celălalt (cap). Un flux de alimentare intră în mod normal undeva departe de punctele de capăt ale coloanei și există adesea o cantitate de reflux care este un flux de retur distilat din secțiunea condensatorului din capul coloanei. Analiza completă a acestor coloane poate fi găsită în textele standard de inginerie chimică.


Distilarea cu abur

În unele circumstanțe din industria alimentară, distilarea pare a fi o metodă bună de separare, dar nu poate fi utilizată direct, deoarece temperaturile de distilare ar duce la defalcarea materialelor. În cazurile în care materialele volatile trebuie îndepărtate din materiale relativ nevolatile, distilarea cu abur poate fi uneori utilizată pentru a efectua separarea la temperaturi sigure.

Un lichid fierbe când presiunea totală a vaporilor lichidului este egală cu presiunea externă a sistemului. Prin urmare, temperaturile de fierbere pot fi reduse prin reducerea presiunii asupra sistemului; de exemplu prin fierberea sub vid sau prin adăugarea unui vapor inert care, contribuind la presiunea vaporilor, permite lichidului să fiarbă la o temperatură mai scăzută. Un astfel de adaos trebuie îndepărtat cu ușurință din distilat, dacă este nedorit în produs și nu trebuie să reacționeze cu niciunul dintre componentele necesare ca produse. Aburii care se adaugă sunt, în general, aburi, iar distilarea se vorbește apoi de distilare cu abur.

Dacă presiunea de vapori a aburului introdus este ps și presiunea totală este P, atunci amestecul va fierbe când presiunea de vapori a componentei volatile atinge o presiune de (P - ps), comparativ cu presiunea necesară de P dacă nu ar fi prezent abur. Distribuția aburului și a componentei volatile distilate, în vapori, poate fi calculată. Raportul dintre numărul de molecule de abur și cele ale componentei volatile va fi egal cu raportul presiunilor lor parțiale

și astfel raporturile de greutate pot fi scrise:

Unde pA este presiunea parțială a componentei volatile, ps este presiunea parțială a aburului, P este presiunea totală asupra sistemului, wA este greutatea componentei A în vapori, ws este greutatea aburului în vapori, MA este greutatea moleculară a componentei volatile și Ms este greutatea moleculară a aburului.

Foarte des greutatea moleculară a componentei volatile care este distilată este mult mai mare decât cea a aburului, astfel încât vaporii pot conține proporții destul de mari ale componentei volatile. Distilarea cu abur este utilizată în industria alimentară la prepararea unor uleiuri volatile și la îndepărtarea unor coloranți și arome, de exemplu din grăsimi și uleiuri comestibile.


Distilarea sub vid

Reducerea presiunii totale în coloana de distilare oferă un alt mijloc de distilare la temperaturi mai scăzute. Când presiunea de vapori a substanței volatile atinge presiunea sistemului, are loc distilarea. Cu echipamente moderne eficiente de producere a vidului, distilarea sub vid tinde să înlocuiască distilarea cu abur. În unele cazuri, cele două metode sunt combinate în distilarea cu abur în vid.


Distilarea în lot

Distilarea în lot este termenul aplicat echipamentului în care amestecul lichid brut este admis și apoi fiert pentru o perioadă de timp. Vaporii sunt condensați. La sfârșitul timpului de distilare, lichidul rămas în alambic este retras ca reziduu. În unele cazuri, distilarea este continuată până când punctul de fierbere atinge un nivel predeterminat, separând astfel o componentă volatilă de un reziduu mai puțin volatil. În alte cazuri, două sau mai multe fracții pot fi retrase în momente diferite și acestea vor avea o volatilitate descrescătoare. În timpul distilării în serie, concentrațiile se schimbă atât în ​​lichid, cât și în vapori.

Lăsa L fie molii de material din alambic și X fie concentrația componentei volatile. Să presupunem că o cantitate de dL este vaporizată, conținând o fracție y a componentei volatile.

Apoi scrieți un bilanț material pe componentă A, componenta volatilă:

ydL = d (Lx) = LdX + XdL

dL/L = dX/ (y - X)

iar aceasta trebuie integrată din L0 moli de material de concentrare X0 până la L alunițe la concentrație X.

Pentru a evalua această integrală, relația dintre X și y, adică condițiile de echilibru trebuie cunoscute.

Dacă relația de echilibru este o linie dreaptă, y = mx + c, atunci integrala poate fi evaluată:

În general, relația de echilibru nu este o linie dreaptă, iar integrarea trebuie realizată grafic. Un grafic este reprezentat de x față de 1/(y - x), și zona de sub curbă între valorile lui X0 și X este masurat.


Echipament de distilare

Echipamentul de distilare convențional pentru fracționarea continuă a lichidelor constă din trei elemente principale: un cazan în care este furnizată căldura necesară pentru vaporizarea lichidului, o coloană în care sunt prevăzute etapele de contact efective pentru separarea distilării și un condensator pentru condensare. a produsului final de top. O coloană tipică este ilustrată în FIG. 9.11.


Figura 9.11 Ansamblu coloană de distilare (a), (b) tăvi cu capac cu bule


Condensatorul și cazanul sunt simple. Coloana de fracționare este mai complicată, deoarece trebuie să ofere o serie de etape de contact pentru contactarea lichidului și a vaporilor. Aranjamentul convențional se prezintă sub formă de tăvi cu „capac cu bule”, care sunt prezentate în Fig. 9.11 (b). Vaporii se ridică prin capacele cu bule. Lichidul curge prin tăvi pe lângă capacele cu bule unde intră în contact cu vaporii și apoi peste un dig și în jos la următoarea tavă. Fiecare tavă reprezintă o etapă de contact sau aproximativă, deoarece echilibrul complet nu este neapărat atins și trebuie furnizat un număr suficient de etape pentru a ajunge la separarea dorită a componentelor.