ДЕСТИЛАЦИЯ И РЕКТИФИКАЦИЯ
Дестилацията и ректификацията, използвани в различни варианти, са най-разпространените методи за разделяне на течни смеси или втечнени газове на съставните им части. Тези два процеса се основават на това, че компонентите на сместа имат различна летливост, т.е. при една и съща температура имат различно налягане на парите.
Течните еднородни смеси, състоящи се от два или повече летливи компоненти, се разделят чрез проста дестилация или ректификация. Ако изходната смес, съдържаща течности с различна температури на кипене, частично се изпари, а след това образувалите се пари се кондензират, в получената течност (дестилат или ректификат) ще има повече леснолетливи (нискокипящи) компоненти. В остатъка ще се съдържат повече труднолетлив и (висококипящи) компоненти.
Течните еднородни смеси, състоящи се от два или повече летливи компоненти, се разделят чрез проста дестилация или ректификация. Ако изходната смес, съдържаща течности с различна температури на кипене, частично се изпари, а след това образувалите се пари се кондензират, в получената течност (дестилат или ректификат) ще има повече леснолетливи (нискокипящи) компоненти. В остатъка ще се съдържат повече труднолетлив и (висококипящи) компоненти.
Дестилация
Дестилацията е процес на разделяне на течна еднородна смес на съставните й компоненти в резултат на разпределянето им между течността и контактуващата с нея парна фаза. Процесът се основава на различната летливост на парите на отделните компоненти при една и съща температура. Така например, при атмосферно налягане спиртът във водно-спиртните разтвори е нискокипящ (78,3оС), а водата е висококипящ компонент. Температурата на кипене на такава смес зависи от процентното съдържание на двата компонента. Ако тази смес се подложи на кипене, по-летливият компонент (с по-ниска температура на кипене) ще премине в по-голямо количество в парната фаза. Ако тези пари се втечнят, ще се получи течна смес, в която спиртът ще бъде в по-голямо количество, отколкото в изходната смес. Това се използва при дестилацията за получаване на смеси с по-високо процентно съдържание на нискокипяща компонента(н.к.к.)
Дестилацията се състои в това, че при изпаряване на течна смес, концентрацията на н.к.к. в образуваната парна фаза е по-висока от концентрацията му в изходната течна фаза. Налице са две фази – течна и парова с различно съдържание на н.к.компоненти. Парите се отвеждат в кондензатор и се втечняват, а останалата в изпарителя смес ще кипи при по-висока температура, тъй като тя е обедняла на летливия компонент. Следователно при частично изпаряване на течна смес в парите преминават предимно нискокипящите компоненти от сместа. С напредване на кипенето съдържанието на н.к.компонент намалява както в течната смес, така и в паровата фаза. Ако се изпари всичката смес, ще се получат пари, които ще имат еднакъв състав с изходната смес. Затова при дестилация изходната смес никога не се изпарява докрай.
Кондензация(втечняване) на парите на сместа. При бавното и непълно втечняване на получените пари се наблюдават също промени в състава им. При частичното им втечняване се получава кондензат, който стои в равновесие с тях. При частичната кондензация на парите се втечняват предимно висококипящите компоненти. Затова невтечнения остатък от парите ще бъде по-богат на н.к. компонент, отколкото преди започване на втечняването.
Следователно не само частичното изпаряване на двукомпонентни смеси, но и частичното втечняване на парите им дава възможност да се получават смеси, по-богати на летливи вещества, и по този начин да се постигне разделяне.
Ако течност, състояща се от два взаимно разтворими компонента, поставим в затворено пространство и нагряваме при постоянно налягане, образуващите се пари непрекъснато ще се обогатяват на леснолетливия компонент. Затова при кондензиране на парите, в получения дестилат съдържанието на този компонент нараства. Съответно нараства и концентрацията на по-труднолетливият компонент в течността. Във връзка с това температурата на кипене на течността се повишава, а температурата на кондензиране на парите.
Изпаряването може да се проведе еднократно, като в резултат на продължителното съприкосновение на кипящата течност и парите става частично разделяне на компонентите. Такъв процес се нарича еднократно изпаряване и се използва главно като метод за физическо изследване.
По важно значение има постепенното изпаряване на течната смес, кипяща в дестилационен казан, с непрекъснато отстраняване от системата на образуващите се пари. Този начин на частично разделяне на компонентите се нарича п р о с т а д е с т и л а ц и я. Тя се състои в последователно частично изпарение, отвеждане на получените пари и следваща кондензация, в резултат на което изходната течна смес се разделя на фракции с определени концентрации на компонентите. Полученият кондензат се нарича дестилат, а неизпарената част от течната смес – казанен остатък.
Дестилацията се състои в това, че при изпаряване на течна смес, концентрацията на н.к.к. в образуваната парна фаза е по-висока от концентрацията му в изходната течна фаза. Налице са две фази – течна и парова с различно съдържание на н.к.компоненти. Парите се отвеждат в кондензатор и се втечняват, а останалата в изпарителя смес ще кипи при по-висока температура, тъй като тя е обедняла на летливия компонент. Следователно при частично изпаряване на течна смес в парите преминават предимно нискокипящите компоненти от сместа. С напредване на кипенето съдържанието на н.к.компонент намалява както в течната смес, така и в паровата фаза. Ако се изпари всичката смес, ще се получат пари, които ще имат еднакъв състав с изходната смес. Затова при дестилация изходната смес никога не се изпарява докрай.
Кондензация(втечняване) на парите на сместа. При бавното и непълно втечняване на получените пари се наблюдават също промени в състава им. При частичното им втечняване се получава кондензат, който стои в равновесие с тях. При частичната кондензация на парите се втечняват предимно висококипящите компоненти. Затова невтечнения остатък от парите ще бъде по-богат на н.к. компонент, отколкото преди започване на втечняването.
Следователно не само частичното изпаряване на двукомпонентни смеси, но и частичното втечняване на парите им дава възможност да се получават смеси, по-богати на летливи вещества, и по този начин да се постигне разделяне.
Ако течност, състояща се от два взаимно разтворими компонента, поставим в затворено пространство и нагряваме при постоянно налягане, образуващите се пари непрекъснато ще се обогатяват на леснолетливия компонент. Затова при кондензиране на парите, в получения дестилат съдържанието на този компонент нараства. Съответно нараства и концентрацията на по-труднолетливият компонент в течността. Във връзка с това температурата на кипене на течността се повишава, а температурата на кондензиране на парите.
Изпаряването може да се проведе еднократно, като в резултат на продължителното съприкосновение на кипящата течност и парите става частично разделяне на компонентите. Такъв процес се нарича еднократно изпаряване и се използва главно като метод за физическо изследване.
По важно значение има постепенното изпаряване на течната смес, кипяща в дестилационен казан, с непрекъснато отстраняване от системата на образуващите се пари. Този начин на частично разделяне на компонентите се нарича п р о с т а д е с т и л а ц и я. Тя се състои в последователно частично изпарение, отвеждане на получените пари и следваща кондензация, в резултат на което изходната течна смес се разделя на фракции с определени концентрации на компонентите. Полученият кондензат се нарича дестилат, а неизпарената част от течната смес – казанен остатък.
Фиг.1 Инсталация за проста дестилация
|
В уредбата за проста дестилация(фиг. 1) сместа се поставя в затворения казан 1, в който се нагрява до кипене. При нагряване с водна пара казанът най-често има змиевик. Отделящите се пари се улавят, отвеждат се н кондензатор-охладител 2, където се охлаждат, за да се кондензират. Обикновено кондензаторът представлява топлообменник тип”змиевик” или „тръба в тръба”. Дестилатът се събира в резервоар 3. Първоначално се получава дестилат с най-голямо съдържание на н.к.компонент. С напредването на процеса качеството му се влошава и дестилацията се спира, когато се достигне желания състав.
|
Според начина на провеждане на процеса фракционната проста дестилация бива периодична и непрекъсната. В първия случай се поставя определено количество смес и се дестилира, докато се получи дестилат с желания състав. При непрекъснатата проста дестилация сместа постъпва непрекъснато, като остатъкът се отвежда също така непрекъснато.
Непрекъснатото изменение на състава на дестилата позволява в известни случаи да се събират отделни части (фракции) от него. Тогава простата дестилация се нарича ф р а к ц и о н н а.
За да се повиши степента на разделяне, понякога простата дестилация се провежда при допълнително обогатяване на дестилата чрез дефлегмация (фиг. 2). За целта непосредствено над казана се поставя змиевиков охладител 3 (дефлегматор), в който се поддържа определена температура, по-ниска от тази на кипене на висококипящия компонент. Преминавайки през него парната смес частично се втечнява (предимно по-малко летливия компонент) и кондензата се връща като флегма обратно в казана. В резултат на това преминалите пари, без да се втечнят, остават с по-високо съдържание на летлив компонент. Пълното втечняване на парите се осъществява в охладителя 4. Този процес е подобрена проста дестилация или с дестилация с частична дефлегмация.
Непрекъснатото изменение на състава на дестилата позволява в известни случаи да се събират отделни части (фракции) от него. Тогава простата дестилация се нарича ф р а к ц и о н н а.
За да се повиши степента на разделяне, понякога простата дестилация се провежда при допълнително обогатяване на дестилата чрез дефлегмация (фиг. 2). За целта непосредствено над казана се поставя змиевиков охладител 3 (дефлегматор), в който се поддържа определена температура, по-ниска от тази на кипене на висококипящия компонент. Преминавайки през него парната смес частично се втечнява (предимно по-малко летливия компонент) и кондензата се връща като флегма обратно в казана. В резултат на това преминалите пари, без да се втечнят, остават с по-високо съдържание на летлив компонент. Пълното втечняване на парите се осъществява в охладителя 4. Този процес е подобрена проста дестилация или с дестилация с частична дефлегмация.
Фиг. 2 Инсталация за проста дестилация с дефлегмация
|
1 – дестилатор;
2 – нагревател; 3 – дефлегматор; 4 – кондензатор - охладител |
На проста дестилация се подлагат смеси, чиито компоненти нямат близки температури на кипене. Използва за предварително очистване на течни продукти от нежелателни примеси или грубо разделяне на течни смеси, които по-нататък се разделят чрез други методи на дестилация.
Течни смеси от висококипящи компоненти често не могат да се подложат на дестилация поради термичната им нестабилност. Ето защо, за да се понижи работната температура на процеса, най-често се поддържа изкуствено ниско външно налягане над повърхността на течната смес, т.е. провежда се дестилация под вакуум. Тогава цялата уредба е херметически затворена и резервоара за дестилат е свързан с вакуумсъздаващото устройство за изсмукване на некондензираните газове.
Течни смеси от висококипящи компоненти често не могат да се подложат на дестилация поради термичната им нестабилност. Ето защо, за да се понижи работната температура на процеса, най-често се поддържа изкуствено ниско външно налягане над повърхността на течната смес, т.е. провежда се дестилация под вакуум. Тогава цялата уредба е херметически затворена и резервоара за дестилат е свързан с вакуумсъздаващото устройство за изсмукване на некондензираните газове.
Ректификация
Ректификацията е широко разпространен начин за най-пълно разделяне на смеси от летливи течности, частично или напълно разтворими една в друга. Наименованието произлиза от латинските думи restos – правилен и facio – правя. В сравнение с простата дестилация, която е позната от преди 2000 години, ректификацията е приложена за пръв път в началото на ХIХ век във Великобритания за отделяне на етанол от ферментирал малц.
Ректификацията е процес, при който от течна смес се отделят един или няколко компонента с близки температури на кипене. Тя представлява многостепенна последователната дестилация, която се съпровожда от взаимодействие на издигащите се пари със стичащата се насреща им течност (флегма), получена при частичната кондензация на парите. Разделянето се осъществява чрез многократен контакт между течна и парова фаза, при което между фазите се извършва топло- и масообмен. В резултат едновременното многократно частично изпарение и кондензация, парите се обогатяват на леснолетливия компонент, а течността – на труднолетливия.
Следователно за осъществяване на процеса ректификация са необходими два насрещни потока – от пари и от течност, както и място за взаимодействие между тях. Затова се провежда в специален апарат, разделен на много малки казанчета чрез специални хоризонтални прегради или тарелки.
Ректификацията е процес, при който от течна смес се отделят един или няколко компонента с близки температури на кипене. Тя представлява многостепенна последователната дестилация, която се съпровожда от взаимодействие на издигащите се пари със стичащата се насреща им течност (флегма), получена при частичната кондензация на парите. Разделянето се осъществява чрез многократен контакт между течна и парова фаза, при което между фазите се извършва топло- и масообмен. В резултат едновременното многократно частично изпарение и кондензация, парите се обогатяват на леснолетливия компонент, а течността – на труднолетливия.
Следователно за осъществяване на процеса ректификация са необходими два насрещни потока – от пари и от течност, както и място за взаимодействие между тях. Затова се провежда в специален апарат, разделен на много малки казанчета чрез специални хоризонтални прегради или тарелки.
Фиг. 3. Физичен смисъл на ректификацията
|
Същността на този процес се разбира лесно, като си представим следната апаратура : няколко дестилационни казана са разположени едни над друг, като всеки е свързан с казана, който се намира под и над него (фиг. 3).
1 – дестилатор 2 – нагревател 3 – дефлегматор 4 – кондензатор - охладител |
Казанът, който се намира най-ниско, е снабден с нагревател, а изходът на най-горния казан е свързан с кондензатор. Двукомпонентната смес, която искаме да разделим, се намира в най-ниско разположение казан 4. След запълването му започваме да нагряваме до кипене при което се отделят пари, обогатени на н.к.компонент. Парите се придвижват последователно през всички казани и се втечняват в кондензатора. За да може процесът на последователна и многократна дестилация да протича гладко и равномерно и да се постигне добро разделяне, необходимо е в най-горния казан да постъпва непрекъснато течност със състав, какъвто имат издигащите се от него пари, или близък до тях състав, а известна част от сместа в него да се връща в казан 2, а от 2 – 3. Тази течност се нарича флегма. Когато първата порция от нея постъпи в казан 1 се среща със следващата порция пари. Двете фази са с различна температура, защото температурата на кипене на течната част спада с увеличаване на концентрацията на н.к.компонент в нея. Следователно парната фаза в най-горния казан е с по-висока температура от течността, която постъпва от кондензатора. В резултат на топлообмена между тях, част от парите се втечняват и за сметка на топлината, отделена при кондензация им се изпарява еквивалентно количество течност. Компонентите се преразпределят между двете фази, като от парната фаза се кондензира в.к.компонент, а от течната се изпарява н.к.компонент и преминава в парната. В идеалния случай се установява равновесие, при което температурата на двете фази се изравнява. Този еднократен контакт между парна и течна фаза се нарича равновесна степен или теоретична тарелка. След установяване на равновесието течността от най-горния казан 1 се стича в казан 2, разположен отдолу. В него протичат същите процеси, които водят до ново обогатяване на течната фаза с в.к.к. и на парната с н.к.к. При същите условия течността постъпва в следващия казан и т.н. Така в резултат на описания процес, парите постъпващи в кондензатора са обогатени на н.к.к., а течността, събирана в най-долния казан – на в.к.к., т.е. постига се разделяне на течната смес.
Следователно ректификацията е процес на последователно многократно частично изпаряване и втечняване на една и съща порция от течната смес, който е съпроводен с връщане на част от кондензата като флегма.
В промишлеността, за да се опрости конструкцията и поевтини процесът, отделните казани са поставени един над друг и събрани в един апарат, наречен ректификационна колона.
Ректификацията може да протече при атмосферно налягане, под вакуум или при свръхналягане периодично или непрекъснато. Повишеното налягане се използва в тези случаи, когато разделяната смес е в газообразно състояние при атмосферно налягане. Ректификация под вакуум се използва за разделяне на висококипящи смеси.
Ректификационните колони представляват вертикални цилиндрични апарати, в които отделните казани от фиг. 3 са заменени от барботажни устройства (тарелки) или подходящ пълнеж. Тези контактни устройства са предназначени да създават условия за по-добро взаимодействие между издигащите се в колоната пари и стичащата се флегма. Тези два потока се създават съответно чрез нагряване на дъното и охлаждане на върха на колоната. Чистотата на крайните продукти зависи от относителната скорост на движение на парите и течността и от височината на колоната. Диаметърът (от 0,2 до 3 м) зависи от дебита на разделяната смес и скоростта на парите в тях, а височината (от 2 до 30-40 м) – от свойствата на разделяната смес, степента на разделянето, количеството на флегмата и скоростта на парите. Една колона е толкова по-висока, колкото компонентите на сместа имат по-близки температури на кипене, ректификатът е по-чист, количеството на флегмата е по-малко и скоростта на парите е по-голяма.
За да се създаде непрекъснат обратен течен поток, отгоре колоната се оросява с течност, получена чрез кондензиране на част от парите, напускащи колоната, в специален кондензатор, наричан дефлегматор. Течността, която се стича от дефлегматора обратно в колоната, и тук, както при дестилацията, се нарича ф л е г м а. Кондензатът, получен след втечняване на парите, излизащи от върха на колоната, и отвеждан в отделен резервоар, се нарича р е к т и ф и к а т.
Ректификационната колона с пълнеж (фиг. 4) представлява цилиндрично тяло, във вътрешността на което са поставени опорни решетки (скари). Върху тях е насипан пълнежа 3. Пълнежът представлява рашигови пръстени, пръстени с прегради, спирални пръстени, топки от керамика, пластмаса или метал с различни размери. Той е разделен на няколко слоя или пакета. Флегмата се стича по повърхността на пълнежа на тънък слой. В противоток се движат парите, които си взаимодействат с нея. Казанът представлява изпарителен апарат със змиевик или тръбна нагревателна камера 1.
Следователно ректификацията е процес на последователно многократно частично изпаряване и втечняване на една и съща порция от течната смес, който е съпроводен с връщане на част от кондензата като флегма.
В промишлеността, за да се опрости конструкцията и поевтини процесът, отделните казани са поставени един над друг и събрани в един апарат, наречен ректификационна колона.
Ректификацията може да протече при атмосферно налягане, под вакуум или при свръхналягане периодично или непрекъснато. Повишеното налягане се използва в тези случаи, когато разделяната смес е в газообразно състояние при атмосферно налягане. Ректификация под вакуум се използва за разделяне на висококипящи смеси.
Ректификационните колони представляват вертикални цилиндрични апарати, в които отделните казани от фиг. 3 са заменени от барботажни устройства (тарелки) или подходящ пълнеж. Тези контактни устройства са предназначени да създават условия за по-добро взаимодействие между издигащите се в колоната пари и стичащата се флегма. Тези два потока се създават съответно чрез нагряване на дъното и охлаждане на върха на колоната. Чистотата на крайните продукти зависи от относителната скорост на движение на парите и течността и от височината на колоната. Диаметърът (от 0,2 до 3 м) зависи от дебита на разделяната смес и скоростта на парите в тях, а височината (от 2 до 30-40 м) – от свойствата на разделяната смес, степента на разделянето, количеството на флегмата и скоростта на парите. Една колона е толкова по-висока, колкото компонентите на сместа имат по-близки температури на кипене, ректификатът е по-чист, количеството на флегмата е по-малко и скоростта на парите е по-голяма.
За да се създаде непрекъснат обратен течен поток, отгоре колоната се оросява с течност, получена чрез кондензиране на част от парите, напускащи колоната, в специален кондензатор, наричан дефлегматор. Течността, която се стича от дефлегматора обратно в колоната, и тук, както при дестилацията, се нарича ф л е г м а. Кондензатът, получен след втечняване на парите, излизащи от върха на колоната, и отвеждан в отделен резервоар, се нарича р е к т и ф и к а т.
Ректификационната колона с пълнеж (фиг. 4) представлява цилиндрично тяло, във вътрешността на което са поставени опорни решетки (скари). Върху тях е насипан пълнежа 3. Пълнежът представлява рашигови пръстени, пръстени с прегради, спирални пръстени, топки от керамика, пластмаса или метал с различни размери. Той е разделен на няколко слоя или пакета. Флегмата се стича по повърхността на пълнежа на тънък слой. В противоток се движат парите, които си взаимодействат с нея. Казанът представлява изпарителен апарат със змиевик или тръбна нагревателна камера 1.
Фиг.4 Схема на колона с пълнеж
|
1-нагревателна камера;
2-люкове за подмяна на пълнежа; 3-пълнеж; 4-корпус; 5-оросително устройство; 6-устройство за подаване на суровината. |
Фиг. 5 Схема на колона със звънчеви тарелки
|
Голямо приложение намират колоните със звънчеви тарелки. Те са разположени на разстояние 0,1 – 0,6м една от друга и играят ролята на отделни апарати във фиг. 2. Обикновено те представляват дискове 1, които имат тръби за преминаване на парите (парни тръби) 2, калпак или звънец 3, който създава хидравличен затвор и принуждава парите да барботират през намиращата се на диска флегма и тръба за стичане на флегмата 4. Парите които се издигат по колоната, навлизат в парната тръба, срещат калпака, минават през прорезите му и барботират през флегмата като си взаимодействат с нея. В резултат на топлообмена между тях от парите се втечнява в.к.к, а от флегмата се изпарява н.к.к. На всяка тарелка флегмата образува няколко сантиметров течен слой и се стича пред преливните тръби от тарелка на тарелка.
|
Дестилационните апарати в дестилерия „Луда страст“ са от
комбиниран тип, включващи дестилационен казан, колона с 4 звънчеви тарелки,
дефлегматор и охладител кожухотръбен вид.
Това са идеалните дестилатори за производство на качествена ракия и качествена дестилирана вода.
Това са идеалните дестилатори за производство на качествена ракия и качествена дестилирана вода.
