Ректификация и возгонка

Тематика работы представляет интерес не только для ученых химических отраслей, но и для промышленников и людей, связанных с экономическими вопросами какого-либо производства, в котором используются те или иные методы очистки и переработки сырья. ...

"Возгонкой называют процесс испарения твердого вещества с последующей конденсацией (сублимацией) паров в твердую фазу, минуя жидкую. При конденсации пара происходит непосредственно образование твёрдой фазы в виде оседающих на холодной поверхности кристаллов.
Возгонке подвергаются лишь те вещества, упругость пара которых в твердом состоянии достаточно велика при температуре ниже их температуры плавления. Температура, при которой давление пара над твердым веществом равно внешнему давлению, называется температурой возгонки. Давление паров увеличивается при нагревании, поэтому скорость возгонки возрастает с повышением температуры. Однако повышать температуру нужно с осторожностью во избежание разложения вещества. Снизить температуру возгонки можно, проводя процесс в вакууме. Вещества, имеющиеотносительно высокую упругость пара, при нагревании могут приобрести давление пара, равное атмосферному, при температуре, меньшей температуры плавления. В этом случае температура плавления при нагревании вещества не достигается, и оно непосредственно переходит в парообразное состояние, т.е. возгоняется.

Введение.

В окружающем нас мире протекают естественные явления и процессы, сложные и разнообразные по своей структуре. На основе данных, полученных в результате изучения естественных процессов, осуществляются многочисленные промышленные процессы с целью переработки сырья в средства производства.
Изучение технологических процессов и отыскание наиболее эффективных способов их проведения составляет суть технологии, как науки. В свою очередь химическая технология рассматривает не только процессы, в которых происходит изменение внешней формы материала или физических свойств, а в которых сырье претерпевает глубокие превращения, связанные с химическим составом и агрегатным состоянием вещества.
Так, например, в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленност и часто возникает необходимость разделить смеси двух или большего числа жидкостей на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями. Процесс разделения основан на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря, - разные температуры кипения при одинаковом внешнем давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются обогащенными парами более летучих компонентов. Если смесь таких паров отделить от жидкой фазы и полностью сконденсировать, то состав полученного конденсата будет таким же, что и состав паров. Следовательно, новая жидкая смесь окажется в большей степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью. Для этого широко применяют ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Для очищения сырья широко применяются и другие методы, более подробно рассмотренные ниже

Преимущества  непрерывной ректификации по сравнению с периодической [4]:
1. условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса;
2. отсутствуют простои между операциями, что приводят к повышению производительности установки;
3. расход тепла меньше, причем возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике.
Благодаря перечисленным преимуществам в  производствах крупного масштаба применяют главным образом непрерывную ректификацию, периодические процессы ректификации находят применение лишь в небольших, неравномерно работающих производствах. 
     
1.4 Ректификация многокомпонентных  смесей.
Разделение  многокомпонентных смесей, как и  двойных, производитсяпериодически или  непрерывно. Периодическая ректификация проводится в одной  колонне путём последовательного (по времени) отбора отдельных фракций. [4] При этом наряду с фракциями, содержащими чистые продукты, получается большое  количество промежуточных фракций, содержащих смеси различных продуктов. Промежуточные фракции собирают отдельно и присоединяют к смеси, подаваемой на следующую операцию, или по мере накопления фракций подвергают их отдельной ректификации, что сильно усложняет ведение  процесса.
Для непрерывной ректификации многокомпонентных  смесей применяют установки, состоящие  из нескольких колонн. В каждой колонне  отделяется одна из составных частей смеси или же смесь вначале  разделяется на более простые  по составу смеси, из которых в  последующих по ходу процесса колоннах выделяются отдельные компоненты.
     
1.5 Ректификация под различным давлением.
В зависимости от температуры кипения  разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением. При температурах кипения от 30 до 150 С обычно применяют ректификацию под атмосферным давлением.[4] Ректификацию в вакууме применяют при разделении высококипящих жидкостей для снижения температур их кипения.
Ректификацию под давлением проводят при разделении жидкостей с низкой температурой кипения, в частности при разделении сжиженных газов.
Давление  в кубе всегда больше давления наверху колонны на величину ее гидравлического сопротивления. [3] Это имеет особенно большое значение для процесса ректификации, проводимого в вакууме, так как  в случае большого гидравлического  сопротивления колонны разрежение в кубе может оказаться недостаточным  даже при очень глубоком вакууме  наверху колонны. Поэтому гидравлическое сопротивление колонн, работающих при  разрежении, должно быть возможно меньше. 
1.6 Дефлегмация.
Дефлегмацию ведут при частичной или полной конденсации паров. При частичной конденсации в  дефлегматоре конденсируется часть  паров, требуемая для образования  флегмы (сгущенного остатка от фракционной перегонки жидкой смеси). Остальная часть паров поступает в конденсатор, где образуют дистиллят, который затем охлаждается в холодильнике. При частичной конденсации происходит некоторое обогащение пара НК и получается дистиллят с меньшим содержанием ВК, чем в парах, выходящих из колонны. Частичная конденсация применяется при простой перегонке. При ректификации частичная конденсация также применяется часто, но в этом случае она не даёт особых преимуществ, так как укрепляющее действие дефлегматора незначительно. [1]
При полной конденсации поступающие из колонны пары полностью конденсируются в дефлегматоре. Конденсат стекает в стакан, где делится на две части. Одна часть стекает в холодильник и далее в сборник дистиллята. Другая часть вытекает из стакана через переливную трубу и возвращается в колонну в качестве флегмы. Количество отбираемого дистиллята регулируется при помощи вентиля. Основное  преимущество полной конденсации заключается  в возможности более простого и точного регулирования процесса. 
   
1.7 Использование тепла при ректификации.
При ректификации тепло расходуется  на испарение флегмы и дистиллята, а также на нагревание остатка. Тепло испарения отводится с охлаждающей  водой в дефлегматоре, тепло остатка  теряется вместе с ним или отводится  в холодильнике, в котором обычно охлаждают остаток. [4]
При непрерывной ректификации тепло остатка может быть использовано для предварительного подогрева исходной смеси до температуры кипения. Для этого горячий остаток  пропускают через теплообменник, в котором подогревается смесь, поступающая на ректификацию. Можно также охлаждать исходной смесью дефлегматор; нагретая в дефлегматоре смесь поступает затем в теплообменник, где подогревается остатком. Для подогрева смеси можно использовать и конденсат водяного пара, обогревающего кипятильник колонны.
1.8 Конструкции ректификационных  колонн.
Ректификационные  колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой  фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём  барботирования (пузырения) пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой. [2]
В ректификационных установках применяют три основных типа колонн:
     1) колпачковые,
     2) ситчатые,
     3) насадочные,
     4) барботажные.
2. Возгонка и экстрагирование.
2.1 Возгонка.
Возгонкой называют процесс испарения твердого вещества с последующей конденсацией (сублимацией) паров в твердую фазу, минуя жидкую. При конденсации пара происходит непосредственно образование твёрдой фазы в виде оседающих на холодной поверхности кристаллов. [5]
Возгонке подвергаются лишь те вещества, упругость пара которых в твердом состоянии достаточно велика при температуре ниже их температуры плавления. Температура, при которой давление пара над твердым веществом равно внешнему давлению, называется температурой возгонки. Давление паров увеличивается при нагревании, поэтому скорость возгонки возрастает с повышением температуры. Однако повышать температуру нужно с осторожностью во избежание разложения вещества. Снизить температуру возгонки можно, проводя процесс в вакууме. Вещества, имеющие относительно высокую упругость пара, при нагревании могут приобрести давление пара, равное атмосферному, при температуре, меньшей температуры плавления. В этом случае температура плавления при нагревании вещества не достигается, и оно непосредственно переходит в парообразное состояние, т.е. возгоняется.
Органические соединения с относительно высоким давлением паров могут возгоняться при атмосферном давлении при температуре ниже их температуры плавления. Их относительно немного, и подавляющее большинство сублимируется только при сильно пониженном давлении. [1] Этот метод лучше всего подходит в случае неполярных соединений, которые обычно более летучи, чем полярные с аналогичной молекулярной массой; метод особенно ценен для соединений, которые гигроскопичны или расплавляются.
Возгонка – эффективный способ очистки веществ в тех случаях, когда загрязнения обладают иной летучестью, чем само вещество. Преимущества возгонки заключаются в простоте, легкости исполнения и минимальных потерях вещества. Нередки случаи, когда выход чистого продукта достигает 98–99 %. Применение возгонки особенно желательно при работе с малыми количествами веществ в качестве конечной операции при получении образцов для анализа.
Главный недостаток возгонки в том, что процесс разделения зависит от разности в давлении паров, поэтому соединения со сходной летучестью будут возгоняться вместе, то есть твердое вещество можно очистить возгонкой только в том случае, если оно имеет более высокое, чем примеси, давление пара. [5] Очищенное таким образом вещество свободно от примесей.
2.2 Экстрагирование.
Для очистки веществ от примесей и для разделения смеси веществ часто применяют метод экстрагирования (извлечения). В основе экстракции, как метода разделения и очистки веществ лежит различие в растворимости извлекаемых компонентов в двух несмешивающихся фазах. [5] В зависимости от особенностей проведения процесса различают следующие разновидности:
1) экстракция водой для удаления из смеси водорастворимого вещества (обычно неорганического);
2) экстракция водным раствором кислоты или щелочи, чтобы удалить из органического слоя соответственно органические основания или органические кислоты. 
Простейшим прибором для жидкостной экстракции является делительная воронка, в которую наливают раствор, содержащий экстрагируемое вещество и экстрагирующую жидкость –экстрагент, т.е. растворитель, в котором это вещество хорошо растворяется. Знание факторов, влияющих на растворимость данного химического соединения, существенно облегчает выбор оптимального экстрагента. Растворитель для экстракции должен отвечать следующим условиям [5]:
- взаимная растворимость фаз. Наиболее эффективны те растворители, которые лишь ограниченно растворимы друг в друге (например, бензол–вода, хлороформ–вода, петролейный эфир–метанол);
- растворимость данного вещества и селективность растворителя. Как правило, вещества, в которых преобладают гидрофобные группы (длинные алифатические цепи, бензольные ядра и т.д.), лучше растворимы в неполярных растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью. Напротив, вещества с гидрофильными группами (гидроксильной группой, карбоксильной, сульфогруппой и т.д.) обычно хорошо растворимы в полярных растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью;
- простота в обращении и безопасность (такие растворители, как эфир, сероуглерод и углеводороды, очень легко воспламеняются);
- легкость удаления растворителя из экстракта;
Наиболее распространенные экстрагирующие растворители:
а) легче воды – диэтиловый эфир (низкая температура кипения, легко воспламеняется, несколько растворим в воде), бензол (токсичен), петролейный эфир (огнеопасен) и др.;
б) тяжелее воды – метиленхлорид (низкая температура кипения: +410С), хлороформ, четыреххлористый углерода. [1]
2.3 Экстракция твердых веществ. 
Эффективность экстрагирования твердого вещества жидкостью определяется, прежде всего, растворимостью и скоростью перехода вещества из одной фазы в другую. Растворимость можно изменить, подбирая нужный растворитель. [5] Для увеличения скорости перехода вещества из твердой фазы в жидкую необходимо увеличить поверхность соприкосновения фаз, что достигается тонким измельчением вещества перед экстракцией, перемешиванием, подачей свежего растворителя на границу фаз. В зависимости от особенностей проведения процесса различают следующие разновидности: