Destylacja frakcyjna

Destylacja frakcyjna jest specjalnym rodzajem destylacji przeznaczonym do rozdzielania mieszaniny dwóch lub więcej cieczy, które mają różne punkty wrzenia. Proces polega na ogrzewaniu mieszaniny i częściowej kondensacji oparów wzdłuż kolumny (kolumny frakcjonującej), która jest ustawiona w taki sposób, że składniki o niższych punktach wrzenia przechodzą przez kolumnę i są zbierane wcześniej niż składniki o wyższych punktach wrzenia. Ogólnie rzecz biorąc, metoda ta jest stosowana, gdy części składowe wrzą w temperaturze mniejszej niż 25 °C od siebie pod ciśnieniem jednej atmosfery (atm).

Technologia rozdzielania destylacji frakcyjnej jest przydatna zarówno w badaniach naukowych, jak i w warunkach przemysłowych. W przemyśle, jest ona powszechnie stosowana w rafineriach ropy naftowej, zakładach chemicznych i zakładach przetwórstwa gazu ziemnego. Podobnie, jeśli próbka powietrza jest skroplona, może być rozdzielona na składniki do produkcji ciekłego tlenu, ciekłego azotu i argonu. Również chlorosilany mogą być destylowane w celu wytworzenia krzemu o wysokiej czystości do stosowania jako półprzewodnik.

Destylacja frakcyjna w laboratorium

Aparatura

Przykład aparatury do destylacji frakcyjnej stosowanej w laboratorium. Na schemacie pokazano zastosowanie chłodnicy Liebiga i kolby stożkowej jako kolby odbieralnika. W tym przypadku głowica destylacyjna i kolumna frakcjonująca są połączone w jedną całość.

Ustawienie laboratoryjne do destylacji frakcyjnej często obejmuje użycie następujących elementów aparatury, zestawionych razem, jak pokazano na rysunku po prawej stronie:

• źródło ciepła (takie jak gorąca płyta z łaźnią)
• kolba destylacyjna (zazwyczaj kolba okrągłodenna)
• kolba odbieralnika (często kolba okrągłodenna lub stożkowa)
• kolba odbiorcza (często kolba z(często kolba okrągłodenna lub stożkowa)
• kolumna frakcjonująca (kolumna Vigreux)
• głowica destylacyjna
• termometr i adapter, jeśli jest potrzebny
• skraplacz (skraplacz Liebiga, Grahama lub Allihna)
• adapter próżniowy (do destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem)
• wiórki do wrzenia (znane również jako granulki zapobiegające wytrącaniu)
• gumowe kolanka, chyba że używane są laboratoryjne wyroby szklane ze szlifowanymi złączami szklanymi, takie jak aparaty typu quickfit.

Procedura

Przyrząd jest zmontowany jak na rysunku (który przedstawia aparat okresowy, w przeciwieństwie do aparatu ciągłego). Mieszaninę umieszcza się w kolbie okrągłodennej wraz z kilkoma granulkami zapobiegającymi gwałtownemu wrzeniu, a kolumnę frakcjonującą umieszcza się nad ujściem kolby. W trakcie wrzenia mieszaniny para wodna unosi się w górę kolumny. Para skrapla się na szklanych platformach, zwanych tacami, wewnątrz kolumny i spływa z powrotem do cieczy poniżej. Jest to znane jako „refluksowanie” destylatu.

Tylko najbardziej lotna frakcja oparów pozostaje w postaci gazowej przez całą drogę do góry kolumny. Ta frakcja przechodzi do skraplacza, który schładza ją aż do skroplenia, a ciecz ta jest zbierana w kolbie odbiorczej.

Efektywność w zakresie ilości ogrzewania i czasu wymaganego do uzyskania frakcjonowania można poprawić przez izolowanie zewnętrznej części kolumny z izolatorem, takim jak wełna, folia aluminiowa, lub (najlepiej) płaszcz próżniowy. Najgorętsza taca znajduje się na dole, a najchłodniejsza na górze. W warunkach stanu ustalonego, pary i cieczy na każdej tacy są w równowadze. Frakcjonowanie jest bardziej dokładne przy dodaniu większej ilości tac (do pewnych praktycznych ograniczeń).

W destylacji laboratoryjnej można użyć jednego z kilku rodzajów skraplaczy. Kondensator Liebiga jest po prostu prostą rurką w płaszczu wodnym i jest najprostszą (i stosunkowo najtańszą) formą skraplacza. Kondensator Grahama jest spiralną rurką w płaszczu wodnym. Kondensator Allihna ma szereg dużych i małych przewężeń na wewnętrznej rurce, z których każde zwiększa powierzchnię, na której składniki pary mogą się skraplać.

W alternatywnych konfiguracjach można użyć adaptera „krowy” lub „świni”, połączonego z trzema lub czterema kolbami odbiorczymi. Obracając „krowę” lub „świnię”, destylaty mogą być kierowane do odpowiedniego odbieralnika. Trójkąt Perkina może być również używany do zbierania frakcji destylacyjnych, bez konieczności stosowania adaptera „krowa” lub „świnia”. Trójkąt Perkina jest najczęściej używany, gdy destylaty są wrażliwe na powietrze, lub gdy frakcje destylują i są zbierane pod zmniejszonym ciśnieniem, ale może być używany zarówno do destylacji prostej jak i frakcjonowanej.

Próżniowe systemy destylacyjne działają przy zmniejszonym ciśnieniu, obniżając w ten sposób temperaturę wrzenia materiałów.

Przykład

Rozważmy destylację mieszaniny wody i etanolu. Etanol wrze w temperaturze 78,5 °C, a woda w temperaturze 100 °C. Na tej podstawie powinno się być w stanie rozdzielić te dwa składniki za pomocą destylacji frakcyjnej. Jednak mieszanina 96% etanolu i 4% wody wrze w temperaturze 78,2 °C, a więc jest bardziej lotna niż czysty etanol. Taka mieszanina nazywana jest azeotropem. Kiedy mieszanina jest delikatnie podgrzewana, azeotrop (będący najbardziej lotnym składnikiem) koncentruje się w większym stopniu w oparach i oddziela się od reszty cieczy jako pierwszy. W ten sposób w wyniku destylacji frakcyjnej mieszaniny wody i etanolu otrzymuje się 96% etanolu. Gdy cały etanol wygotuje się z mieszaniny, termometr pokazuje gwałtowny wzrost temperatury.

Destylacja przemysłowa

Typowe przemysłowe kolumny destylacji frakcyjnej.

Destylacja frakcyjna jest najczęstszą formą technologii rozdzielania stosowaną w rafineriach ropy naftowej, zakładach petrochemicznych i chemicznych oraz zakładach przetwarzania gazu ziemnego. Na przykład, technika ta jest stosowana w rafineriach ropy naftowej do rozdzielania ropy naftowej na użyteczne substancje (lub frakcje) składające się z różnych węglowodorów o różnych punktach wrzenia. Frakcje ropy naftowej o wyższych punktach wrzenia składają się z większych cząsteczek (o większej liczbie atomów węgla i wyższych masach cząsteczkowych), mają ciemniejszy kolor, są bardziej lepkie i trudniej je zapalić i spalić.

Najczęściej do kolumny destylacyjnej stale dodaje się nowy wsad, a produkty są stale usuwane. Jeżeli proces nie jest zakłócony z powodu zmian w paszy, ciepła, temperatury otoczenia lub skraplania, ilość dodawanej paszy i ilość usuwanego produktu są zwykle równe. Jest to znane jako ciągła destylacja frakcyjna w stanie ustalonym.

Destylacja przemysłowa jest zazwyczaj przeprowadzana w dużych, pionowych kolumnach cylindrycznych, znanych jako „wieże destylacyjne lub frakcjonujące” lub „kolumny destylacyjne”. Ich średnice wahają się od około 65 centymetrów do sześciu metrów, a ich wysokości wahają się od około sześciu metrów do 60 metrów lub więcej. Wieże destylacyjne mają wyloty cieczy w odstępach co kilka metrów w górę kolumny, co umożliwia odbieranie różnych frakcji lub produktów o różnych punktach wrzenia lub zakresach wrzenia. Produkty „najlżejsze” (te o najniższej temperaturze wrzenia) wychodzą z górnej części kolumn, a produkty „najcięższe” (te o najwyższej temperaturze wrzenia) wychodzą z dolnej części kolumny.

Destylacja frakcyjna jest również stosowana do rozdzielania (skroplonego) powietrza na jego składniki, produkując ciekły tlen, ciekły azot i argon o wysokiej czystości. Destylacja chlorosilanów umożliwia produkcję krzemu o wysokiej czystości do stosowania jako półprzewodnik.

Diagram typowej, wielkoskalowej przemysłowej wieży destylacyjnej.

W wieżach przemysłowych na dużą skalę stosuje się refluks w celu osiągnięcia pełniejszego rozdziału produktów. Refluks odnosi się do części skondensowanego produktu ciekłego z wieży frakcjonującej, który jest zawracany do górnej części wieży, jak pokazano na schemacie po prawej stronie. Wewnątrz wieży, ciecz refluksowa płynąca w dół zapewnia chłodzenie potrzebne do kondensacji par płynących w górę, zwiększając w ten sposób efektywność wieży destylacyjnej. Im więcej refluksu jest dostarczane dla danej liczby płyt teoretycznych, tym lepsza jest zdolność wieży do oddzielania materiałów o niższej temperaturze wrzenia od materiałów o wyższej temperaturze wrzenia. Alternatywnie, im więcej refluksu jest zapewnione dla danego pożądanego rozdzielenia, tym mniej płyt teoretycznych jest wymaganych.

W zastosowaniach przemysłowych, czasami zamiast tacek w kolumnie stosuje się materiał uszczelniający, zwłaszcza gdy kolumna pracuje pod obniżonym ciśnieniem. Materiał ten może być losowo wyrzucanym materiałem uszczelniającym (o szerokości od jednego do trzech cali), takim jak pierścienie Raschiga lub blacha strukturalna. Ciecze mają tendencję do zwilżania powierzchni szczeliwa, a pary przechodzą przez tę zwilżoną powierzchnię, gdzie następuje przenoszenie masy. W przeciwieństwie do konwencjonalnej destylacji na tacach, w której każda taca reprezentuje oddzielny punkt równowagi para-ciecz, krzywa równowagi para-ciecz w kolumnie z wypełnieniem jest ciągła. Jednakże, podczas modelowania kolumn z wypełnieniem, użyteczne jest obliczenie liczby „płyt teoretycznych” w celu oznaczenia wydajności rozdzielania kolumny z wypełnieniem w odniesieniu do bardziej tradycyjnych tac. Opakowania o różnym kształcie mają różną powierzchnię i różną przestrzeń pustą pomiędzy opakowaniami. Obydwa te czynniki wpływają na wydajność pakowania.

Projektowanie przemysłowych kolumn destylacyjnych

Schemat inżynierii chemicznej typowych tacek z kapturkiem bąbelkowym w wieży destylacyjnej.

Projektowanie i działanie kolumny destylacyjnej zależy od podawanej paszy i pożądanych produktów. Biorąc pod uwagę prostą, dwuskładnikową paszę, można zastosować metody analityczne, takie jak metoda McCabe-Thiele lub równanie Fenske. W przypadku zasilania wieloskładnikowego modele symulacyjne są wykorzystywane zarówno do projektowania, jak i eksploatacji.

Co więcej, sprawności urządzeń kontaktowych para-ciecz (zwanych płytami lub tacami) stosowanych w kolumnach destylacyjnych, jak widać na rysunku 2, są zwykle niższe niż sprawności teoretycznego, 100-procentowego stopnia równowagi. W związku z tym kolumna destylacyjna wymaga większej liczby płytek niż liczba teoretycznych etapów równowagi para-ciecz.

Zobacz także

• Azeotrop
• Punkt wrzenia
• Destylacja
• Etanol
• Mieszanina
• Roztwór
• Rozpuszczalnik

Przypisy

• Clark, Shove Robinson. 2007. Elements of Fractional Distillation (Elementy destylacji frakcyjnej). Blatter Press. ISBN 978-1406700435
• Kister, Henry Z. 1992. Distillation Design. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070349096
• Parkash, Surinder. 2003. Refining Processes Handbook. Amsterdam: Gulf Professional Pub. ISBN 978-0750677219
• Seader, J. D., and Ernest J. Henley. 1998. Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0471252417
• Stichlmair, Johann, and James R. Fair. 1998. Distillation: Principles and Practices. New York: Wiley. ISBN 0471252417
• Vogel, Arthur Israel, and Brian S. Furniss. 1989. Vogel’s Podręcznik praktycznej chemii organicznej. Harlow: Pearson. ISBN 0582462363

All links retrieved April 21, 2017.

• Destylacja frakcyjna Definicja
• Przewodnik po destylacji

Destylacja Zasady Prawo Raoulta – Prawo Daltona – Refluks – Równanie Fenske – Metoda McCabe-Metoda Thiele’a – Tablica teoretyczna – Ciśnienie cząstkowe – Równowaga para-cieczRównowaga para-ciecz Przemysłowe procesy przemysłowe Destylacja okresowa – Destylacja ciągła – Kolumna frakcjonująca – Stożek wirujący Metody laboratoryjne Kugelrohr – Wyparka rotacyjna – Destylacja z taśmą wirującą Techniki Azeotropowa – Destrukcyjna – Sucha – Ekstrakcyjna – Frakcjonująca – Reaktywna – SolnaReaktywne – Solne – Parowe – Próżnioweoparte