Вакуумная дистилляция

Вакуумная перегонка или перегонка при пониженном давлении — это тип перегонки, выполняемый при пониженном давлении, который позволяет очищать соединения, которые трудно перегнать при атмосферном давлении, или просто экономить время и энергию. Этот метод разделяет соединения на основе различий в их температурах кипения. Этот метод используется, когда точку кипения желаемого соединения трудно достичь или она приводит к разложению соединения. ^[1] Пониженное давление снижает температуру кипения соединений. Снижение температуры кипения можно рассчитать с помощью номограммы температура-давление с использованием соотношения Клаузиуса-Клапейрона . ^[2]

Приложения лабораторного масштаба

Соединения с температурой кипения ниже 150 °C обычно перегоняют при атмосферном давлении. Для проб с высокими температурами кипения обычно используют аппараты короткой перегонки. ^[3]^[4] Этот метод подробно проиллюстрирован в книге «Органический синтез». ^[5]^[6]

Роторное испарение

Роторное испарение ^[7] Это распространенный метод, используемый в лабораториях для концентрирования или выделения соединения из раствора. Многие растворители летучи и легко испаряются с помощью роторного испарения. Еще менее летучие растворители можно удалить роторным испарением в высоком вакууме и при нагревании. Он также используется органами экологического регулирования для определения количества растворителей в красках, покрытиях и чернилах. ^[8]

Соображения безопасности

Безопасность является важным фактором, когда стеклянная посуда находится под давлением вакуума. Царапины и трещины могут привести к взрыву при применении вакуума. Обертывание стеклянной посуды лентой, насколько это практически возможно, помогает предотвратить опасное разбрасывание осколков стекла в случае взрыва. ^{[ нужна ссылка ]}

Приложения промышленного масштаба

Промышленная вакуумная дистилляция ^[10] имеет ряд преимуществ. Для близкокипящих смесей может потребоваться множество стадий равновесия для разделения ключевых компонентов. Одним из инструментов, позволяющих сократить количество необходимых стадий, является использование вакуумной перегонки. ^[11] 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 кубических метров в сутки (160 000 баррелей в сутки). ^{[ нужна ссылка ]}

Вакуумная перегонка может улучшить разделение за счет: ^{[ нужна ссылка ]}

Предотвращение деградации продукта или образования полимера из-за пониженного давления, что приводит к снижению температуры в кубе колонны,
Снижение разложения продукта или образования полимеров за счет сокращения среднего времени пребывания, особенно в колоннах, использующих насадку, а не тарелки .
Увеличение производительности, выхода и чистоты.

Еще одним преимуществом вакуумной перегонки является снижение капитальных затрат за счет немного большего увеличения эксплуатационных затрат. Использование вакуумной перегонки может уменьшить высоту и диаметр и, следовательно, капитальные затраты на дистилляционную колонну. ^{[ нужна ссылка ]}

Вакуумная перегонка в нефтепереработке

нефть Сырая представляет собой сложную смесь сотен различных углеводородных соединений, обычно имеющих от 3 до 60 углерода атомов на молекулу , хотя могут быть небольшие количества углеводородов за пределами этого диапазона. ^[12]^[13]^[14] Переработка сырой нефти начинается с перегонки поступающей сырой нефти в так называемой атмосферной ректификационной колонне, работающей при давлении немного выше атмосферного давления. ^[10]^[12]^[13]

Вакуумную дистилляцию можно также назвать «низкотемпературной дистилляцией». ^{[ нужна ссылка ]}

При перегонке сырой нефти важно не подвергать сырую нефть воздействию температур выше 370–380 °C, поскольку высокомолекулярные компоненты сырой нефти подвергаются термическому крекингу и образуют нефтяной кокс при температурах выше этой. Образование кокса приведет к закупорке труб в печи , которая нагревает поток сырья, поступающего в колонну перегонки сырой нефти. Засорение также может произойти в трубопроводе от печи к ректификационной колонне, а также в самой колонне. ^{[ нужна ссылка ]}

Ограничение, налагаемое ограничением температуры сырой нефти на входе в колонну до температуры менее 370–380 °C, приводит к тому, что остаточное масло из нижней части атмосферной дистилляционной колонны полностью состоит из углеводородов, которые кипят выше 370–380 °C.

Для дальнейшей перегонки остаточного масла из атмосферной дистилляционной колонны перегонку необходимо проводить при абсолютном давлении от 10 до 40 мм рт.ст. / торр (около 5% атмосферного давления), чтобы ограничить рабочую температуру до уровня менее 370–380°. С.

На рисунке 2 представлена упрощенная технологическая схема вакуумной перегонной колонны нефтеперерабатывающего завода, на которой изображены внутренние части колонны, а на рисунке 3 представлена фотография большой вакуумной перегонной колонны на нефтеперерабатывающем заводе.

Абсолютное давление от 10 до 40 мм рт. ст. в вакуумной дистилляционной колонне увеличивает объем образующегося пара на объем перегоняемой жидкости. В результате такие колонны имеют очень большой диаметр. ^[15]

Дистилляционные колонны, подобные показанным 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 дистилляционной колонны должны обеспечивать хороший контакт пара и жидкости, в то же время поддерживая очень низкое повышение давления от верхней части колонны к нижней. Поэтому в вакуумной колонне используются дистилляционные тарелки только там, где продукты отбираются со стороны колонны (так называемые боковые отводы ). В большей части колонны используется насадочный материал для парожидкостного контакта , поскольку такая насадка имеет меньший перепад давления, чем ректификационные тарелки. Этот упаковочный материал может представлять собой структурированный листовой металл или набивку, расположенную случайным образом, например, кольца Рашига .

Абсолютное давление от 10 до 40 мм рт. ст. в вакуумной колонне чаще всего достигается применением многоступенчатых пароструйных эжекторов . ^[16]

Во многих отраслях, кроме нефтеперерабатывающей, вакуумная перегонка используется в гораздо меньших масштабах. Эмпирические духи из Копенгагена, ^[17] винокурня, основанная бывшими шеф-поварами Noma , ^[18] использует этот процесс для создания спиртных напитков с уникальным вкусом. Их флагманский дух Helena создан с использованием коджи вместе с солодом Pilsner и бельгийскими сэзонными дрожжами. ^[19]

Масштабная очистка воды

Вакуумная дистилляция часто используется на крупных промышленных предприятиях как эффективный способ удаления соли из океанской воды для производства пресной воды. Это известно как опреснение . Океанская вода помещается в вакуум, чтобы снизить температуру кипения, и к ней применяется источник тепла, позволяющий пресной воде выкипать и конденсироваться. Конденсация водяного пара предотвращает заполнение водяным паром вакуумной камеры и позволяет эффекту работать непрерывно без потери вакуумного давления. Тепло от конденсации водяного пара отводится радиатором, который использует поступающую океанскую воду в качестве хладагента и, таким образом, предварительно нагревает подаваемую океанскую воду. В некоторых формах дистилляции конденсаторы не используются, а вместо этого пар сжимается механически с помощью насоса. Он действует как тепловой насос , концентрируя тепло пара и позволяя возвращать и повторно использовать тепло поступающим источником неочищенной воды. Существует несколько форм вакуумной перегонки воды, наиболее распространенной из которых является многокорпусная дистилляция , парокомпрессионное опреснение и многоступенчатая мгновенная дистилляция . ^[20]

Молекулярная дистилляция

Молекулярная дистилляция – это вакуумная перегонка при давлении ниже 0,01 Торр. ^[21] (1,3 Па). 0,01 торр — это на порядок выше высокого вакуума , где жидкости находятся в режиме свободномолекулярного потока , т.е. длина свободного пробега молекул сравнима с размером оборудования. ^[1] Газовая фаза уже не оказывает существенного давления на испаряемое вещество, а следовательно, скорость испарения перестает зависеть от давления. То есть, поскольку предположения о континууме гидродинамики больше не применяются, 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 на прямой видимости между ними. ^{[ нужна ссылка ]}

Молекулярная дистилляция используется в промышленности для очистки масел. ^[20]

Галерея

Простой с коротким путем. аппарат для вакуумной перегонки
Кугельрор – короткий путь ^[1] аппарат для вакуумной перегонки
Треугольник Перкина - для вакуумной дистилляции, чувствительной к воздуху.
Аппарат вакуумной перегонки

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Хикман, KCD (1945), «Приключения в вакуумной химии» , American Scientist , 33 (4), Scientific American: xxx–231, JSTOR 27826079 , получено 1 сентября 2021 г.
^ «Интерактивный инструмент номограммы давления и температуры» . Сигма-Олдрич . Проверено 23 марта 2018 г.
^ Введение в органические лабораторные методы: мелкомасштабный подход Дональда Л. Павиа, Гэри М. Лэмпмана, Джорджа С. Криза, Рэндалла Г. Энгеля. Глава 16.
^ Леонард, Дж.; Лиго, Б.; Проктер, Гарри (8 января 2013 г.). Передовая практическая органическая химия (3-е изд.). Бока Ратон. ISBN 9781439860977 . ОСЛК 883131986 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Фастука, Николас Дж.; Вонг, Элис Р.; Мак, Виктор В.; Райсман, Сара Э. (2020). «Асимметричное присоединение по Михаэлю диметилмалоната к 2-циклопентен-1-ону, катализируемое гетеробиметаллическим комплексом» . Органические синтезы . 97 : 327–338. дои : 10.15227/orgsyn.097.0327 . ПМЦ 9128456 . ПМИД 35614904 .
^ Бартко, Сэмюэл Г.; Дэн, Джеймс; Данхайзер, Рик Л. (2016). «Синтез 1-йодпропина» . Органические синтезы . 93 : 245–262. дои : 10.15227/orgsyn.093.0245 .
^ Работа ротационного испарителя (Rotovap) (с сайта Университета Британской Колумбии )
^ [1] SCAQMD 302-91. Метод испытаний
^ Страница сайта Энергетического института
^ Перейти обратно: ^а ^б Кистер, Генри З. (1992). Проектирование дистилляции (1-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-034909-6 .
^ Карл Кольмец, Эндрю В. Слоли и др. (2004), Проектирование дистилляционных колонн для вакуумной эксплуатации , 11-й Индийский симпозиум по нефти и газу и международная выставка, сентябрь 2004 г., Мумбаи , Индия (также опубликовано в журнале Hydrocarbon Processing , май 2005 г.)
^ Перейти обратно: ^а ^б Гэри, Дж. Х. и Хандверк, GE (1984). Технология и экономика нефтепереработки (2-е изд.). Марсель Деккер, Inc. ISBN 0-8247-7150-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Леффлер, WL (1985). Нефтепереработка для нетехнического человека (2-е изд.). Книги Пеннвелла. ISBN 0-87814-280-0 .
^ Джеймс Дж., Спейт (2006). Химия и технология нефти (4-е изд.). ЦРК Пресс. 0-8493-9067-2.
^ Карл Кольмец, Эндрю В. Слоли и др. (2004), Проектирование дистилляционных колонн для вакуумной эксплуатации , 11-й Индийский симпозиум по нефти и газу и международная выставка, сентябрь 2004 г., Мумбаи , Индия (также опубликовано в журнале Hydrocarbon Processing , май 2005 г.)
^ Фотогалерея. Архивировано 7 февраля 2009 г. в Wayback Machine (с веб-сайта Graham Manufacturing Company).
^ «Эмпирические духи» . empiicalspirits.co . Проверено 15 октября 2018 г.
^ Кан, Хоуи (25 апреля 2018 г.). «Свежий взгляд на спиртные напитки от двух выпускников Noma» . Уолл Стрит Джорнал . ISSN 0099-9660 . Проверено 15 октября 2018 г.
^ «Эмпирические духи» . Эмпирические духи . Проверено 15 октября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Опреснение и очистка воды, Мурат Эйваз, Эбубекир Юксель 1988/2018. Глава 5
^ 5-е изд. Фогеля.

Эта статья включает в себя материал из статьи Citizendium « Вакуумная дистилляция », которая лицензируется по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License , но не по GFDL .

Внешние ссылки

D1160 Вакуумная перегонка
Как работает вакуумная дистилляция
Номограмма давления-температуры
Дистилляция по короткому пути , включает таблицу сравнения методов.

[Adventures_in_vacuum_chemistry-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Хикман, KCD (1945), «Приключения в вакуумной химии» , American Scientist , 33 (4), Scientific American: xxx–231, JSTOR 27826079 , получено 1 сентября 2021 г.

[2] «Интерактивный инструмент номограммы давления и температуры» . Сигма-Олдрич . Проверено 23 марта 2018 г.

[3] Введение в органические лабораторные методы: мелкомасштабный подход Дональда Л. Павиа, Гэри М. Лэмпмана, Джорджа С. Криза, Рэндалла Г. Энгеля. Глава 16.

[4] Леонард, Дж.; Лиго, Б.; Проктер, Гарри (8 января 2013 г.). Передовая практическая органическая химия (3-е изд.). Бока Ратон. ISBN 9781439860977 . ОСЛК 883131986 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[5] Фастука, Николас Дж.; Вонг, Элис Р.; Мак, Виктор В.; Райсман, Сара Э. (2020). «Асимметричное присоединение по Михаэлю диметилмалоната к 2-циклопентен-1-ону, катализируемое гетеробиметаллическим комплексом» . Органические синтезы . 97 : 327–338. дои : 10.15227/orgsyn.097.0327 . ПМЦ 9128456 . ПМИД 35614904 .

[6] Бартко, Сэмюэл Г.; Дэн, Джеймс; Данхайзер, Рик Л. (2016). «Синтез 1-йодпропина» . Органические синтезы . 93 : 245–262. дои : 10.15227/orgsyn.093.0245 .

[7] Работа ротационного испарителя (Rotovap) (с сайта Университета Британской Колумбии )

[8] [1] SCAQMD 302-91. Метод испытаний

[9] Страница сайта Энергетического института

[Kister-10] Перейти обратно: ^а ^б Кистер, Генри З. (1992). Проектирование дистилляции (1-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-034909-6 .

[11] Карл Кольмец, Эндрю В. Слоли и др. (2004), Проектирование дистилляционных колонн для вакуумной эксплуатации , 11-й Индийский симпозиум по нефти и газу и международная выставка, сентябрь 2004 г., Мумбаи , Индия (также опубликовано в журнале Hydrocarbon Processing , май 2005 г.)

[Handwerk-12] Перейти обратно: ^а ^б Гэри, Дж. Х. и Хандверк, GE (1984). Технология и экономика нефтепереработки (2-е изд.). Марсель Деккер, Inc. ISBN 0-8247-7150-8 .

[Leffler-13] Перейти обратно: ^а ^б Леффлер, WL (1985). Нефтепереработка для нетехнического человека (2-е изд.). Книги Пеннвелла. ISBN 0-87814-280-0 .

[14] Джеймс Дж., Спейт (2006). Химия и технология нефти (4-е изд.). ЦРК Пресс. 0-8493-9067-2.

[15] Карл Кольмец, Эндрю В. Слоли и др. (2004), Проектирование дистилляционных колонн для вакуумной эксплуатации , 11-й Индийский симпозиум по нефти и газу и международная выставка, сентябрь 2004 г., Мумбаи , Индия (также опубликовано в журнале Hydrocarbon Processing , май 2005 г.)

[16] Фотогалерея. Архивировано 7 февраля 2009 г. в Wayback Machine (с веб-сайта Graham Manufacturing Company).

[17] «Эмпирические духи» . empiicalspirits.co . Проверено 15 октября 2018 г.

[18] Кан, Хоуи (25 апреля 2018 г.). «Свежий взгляд на спиртные напитки от двух выпускников Noma» . Уолл Стрит Джорнал . ISSN 0099-9660 . Проверено 15 октября 2018 г.

[19] «Эмпирические духи» . Эмпирические духи . Проверено 15 октября 2018 г.

[Water_Treatment_2018-20] Перейти обратно: ^а ^б Опреснение и очистка воды, Мурат Эйваз, Эбубекир Юксель 1988/2018. Глава 5

[21] 5-е изд. Фогеля.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

v т и Дистилляция
Принципы	Закон Рауля Закон Дальтона Рефлюкс Уравнение Фенске Метод Маккейба – Тиле Теоретическая пластина Парциальное давление Равновесие пар-жидкость
Промышленные процессы	Периодическая перегонка Непрерывная дистилляция Фракционирующая колонна Вращающийся конус
Лабораторные методы	Перегонный куб Шаровая трубка Роторный испаритель Вращающаяся ленточная дистилляция Все еще
Техники	Азеотропный Каталитический Разрушительный Сухой Добывающий Дробный Реактивный Солевой эффект на основе Steam Вакуумный