Wyjaśniamy, czym jest destylacja, przykłady tej metody separacji i rodzaje destylacji, które można zastosować.
Czym jest destylacja?
Destylacja nazywana jest metodą rozdziału faz, która należy do metody rozdzielania mieszanin. Destylacja polega na następującym po sobie i kontrolowanym wykorzystaniu dwóch procesów fizycznych: odparowanie i kondensacja, używając ich selektywnie do oddzielenia składników a mieszanina zwykle typu jednorodnego, to znaczy, w którym jego składowych nie da się odróżnić gołym okiem.
Mieszaniny, które można rozdzielić na poszczególne składniki za pomocą destylacji, mogą zawierać dwa płyny, a solidny w płynie lub nawet gazy koktajle. Ta metoda separacji opiera się na różnicy temperatur wrzenia (wrodzona właściwość materiał, co to jest temperatura do którego Ciśnienie para cieczy równa się ciśnieniu otaczającemu ciecz) różnych substancji. Substancja o najniższym Temperatura wrzenia mieć, to ta substancja skondensuje się w innym pojemniku i będzie względnie czysta.
W ten sposób, aby destylacja przebiegła prawidłowo, musimy gotować mieszaninę do temperatury wrzenia jednego z Substancje składniki, które następnie staną się parą i będą mogły być kierowane do schłodzonego pojemnika, gdzie skraplają się i ponownie stają się płynne.
Z drugiej strony, druga substancja składowa pozostanie w pojemniku bez zmian; ale w obu przypadkach będziemy mieli czyste substancje, wolny od początkowej mieszanki.
Prawo Raoula
Kiedy mamy idealną mieszaninę cieczy (mieszaninę, w której interakcje między cząstki różne są uważane za równe oddziaływania między równymi cząstkami) Prawo Raoulta jest spełnione.
Prawo to stanowi, że cząstkowe ciśnienie pary każdego składnika mieszaniny gazów jest równe ciśnieniu pary czystego składnika pomnożonemu przez jego ułamek molowy w ciekłej mieszaninie.
Całkowita prężność par jest zatem sumą ciśnień cząstkowych składników mieszaniny w fazie gazowej. Z drugiej strony ułamek molowy składnika w mieszaninie jest bezwymiarową miarą jego stężenia. Wspomniane powyżej wielkości można obliczyć za pomocą następujących równań:
Gdzie:
- px Y py są ciśnienia cząstkowe składników x oraz Y odpowiednio w mieszaninie par otaczających ciekłą mieszaninę.
- px * i py * to ciśnienie pary składników x oraz Y.
- XX Y xy są ułamkami molowymi składników x oraz Y w płynnej mieszaninie.
- nx Y ny jest ilość substancji składników x oraz Y w płynnej mieszaninie.
Podniesione powyżej prawo Raoulta obowiązuje dla mieszanin idealnych (które są modelem stworzonym przez człowieka w celu uproszczenia badań), ale w rzeczywistości prawo to ulega odchyleniom, gdy mieszanina jest rzeczywista.
Tak więc, jeśli różne cząstki w mieszaninie mają silniejsze siły międzycząsteczkowe niż cząstki w czystej cieczy, wówczas prężność pary mieszaniny jest mniejsza niż prężność pary czystej cieczy, co powoduje ujemne odchylenie od Prawa Raoulta.
Jeśli, z drugiej strony, siły międzycząsteczkowe między cząstkami w czystej cieczy są większe niż siły cząstek w mieszaninie, cząstki w mieszaninie będą mogły łatwiej uciec do fazy gazowej, tak że prężność pary mieszaniny będzie większa, powodując dodatnie odchylenie od prawa Raoulta
Jeśli chcesz destylować mieszaninę azeotropową (na przykład etanol i wodę), konieczne jest dodanie jakiegoś składnika (w tym przypadku benzenu), aby azeotrop został zmodyfikowany i w ten sposób można było oddzielić składniki mieszanina. Azeotrop jest ciekłą mieszaniną o określonym składzie, która podczas wrzenia powoduje, że powstające pary mają taki sam skład mieszaniny (więc składników mieszaniny azeotropowej nie można rozdzielić przez destylację prostą lub frakcyjną).
Azeotropy mają określoną temperaturę wrzenia, na przykład przy ciśnieniu 1 atm etanol wrze w 78,37 ° C i woda wrze w 100 ° C, podczas gdy azeotrop etanol-woda wrze w 78,2 ° C. Mieszaniny azeotropowe mają ujemne lub dodatnie odchylenia od prawa Raoulta, w zależności od przypadku.
Rodzaje destylacji
Destylacja może przebiegać na różne sposoby:
- Prosta destylacja. Najbardziej elementarna polega na gotowaniu mieszaniny, aż do rozdzielenia różnych składników. Jest to skuteczna metoda separacji, gdy temperatury wrzenia składników mieszaniny znacznie się różnią (najlepiej powinny mieć różnicę co najmniej 25 ° C, w przeciwnym razie nie gwarantuje całkowitej czystości destylowanej substancji).
- Destylacja frakcyjna. Odbywa się to za pomocą kolumny frakcjonującej, która składa się z różnych płyt, w których następuje kolejno odparowywanie i kondensacja, co gwarantuje większą czystość oddzielanych składników.
- Destylacja próżniowa. Zmniejszając ciśnienie aż do wytworzenia próżni, proces jest katalizowany w celu obniżenia temperatury wrzenia składników, ponieważ niektóre mają bardzo wysokie temperatury wrzenia, które można obniżyć, gdy ciśnienie jest znacznie obniżone, a tym samym przyspieszyć proces destylacji.
- Destylacja azeotropowa. Destylacja konieczna jest do rozbicia azeotropu, czyli mieszaniny, której substancje zachowują się jak jeden, nawet dzielą temperaturę wrzenia, więc nie można ich rozdzielić przez destylację prostą lub frakcyjną. Aby oddzielić mieszaninę azeotropową, konieczne jest zmodyfikowanie warunków mieszania, na przykład przez dodanie jakiegoś składnika oddzielającego.
- Destylacja z parą wodną. Składniki lotne i nielotne mieszaniny oddzielane są przez bezpośredni wtrysk pary wodnej.
- Sucha destylacja. Składa się z ogrzewania materiałów stałych bez obecności rozpuszczalniki ciecze, uzyskać gazy, a następnie skondensować je w innym pojemniku.
- Ulepszona destylacja. Nazywana również destylacją naprzemienną lub reaktywną, jest dostosowana do szczególnych przypadków mieszanin, które są trudne do rozdzielenia lub mają taką samą temperaturę wrzenia.
Przykłady destylacji
- Rafinacja ropy naftowej. Oddzielenie różnych węglowodory obecny w Ropa naftowa Przeprowadza się ją przez destylację frakcyjną, przechowywanie w różnych warstwach lub oddzielnych przedziałach kolumny destylacyjnej każdego związku pochodzącego z gotowania ropy naftowej. Gazy te unoszą się i kondensują w górnych warstwach kolumny, podczas gdy gęstsze substancje, takie jak asfalt i parafina, pozostają w dolnych warstwach.
- Kraking katalityczny. Jest to nazwa nadana niektórym typowym destylacji próżniowej w przetwórstwie ropy naftowej, wykorzystującej wieże próżniowe do oddzielania gazów od surowego gotowania. W ten sposób wrzenie węglowodorów jest przyspieszone, a proces. Kraking to rodzaj destylacji destrukcyjnej, w której większe węglowodory są rozbijane (w wysokich temperaturach i przy użyciu katalizatorów) na mniejsze węglowodory o niższych temperaturach wrzenia.
- Oczyszczanie etanolu. Oddzielić alkohole Podobnie jak etanol z wody podczas jego produkcji w laboratorium, stosuje się destylację azeotropową, dodając do mieszaniny benzen lub inne składniki, które promują lub przyspieszają rozdział, i które można następnie łatwo usunąć bez zmiany składu chemicznego produkt.
- Przeróbka węgla. Do otrzymywania ciekłych paliw organicznych węgiel lub drewno wykorzystuje się metodą suchej destylacji, a więc gazy emitowane w spalanie.
- Termoliza soli mineralnych. Za pomocą suchej destylacji uzyskuje się różne substancje mineralne o dużym zastosowaniu przemysłowym, z wydzielania i kondensacji gazów otrzymanych przez spalanie soli mineralnych.
- Alembik. Tak nazwano urządzenie wynalezione w starożytności arabskiej, którego celem jest produkcja perfum, leków i alkoholu ze sfermentowanych owoców. W jego działaniu stosowane są zasady destylacji: substancje są podgrzewane w małym kotle, a powstałe gazy schładzane są w wężownicy, która prowadzi do kolejnego zbiornika, w którym zbierana jest ciecz wytworzona w wyniku kondensacji tych gazów.
- Produkcja perfum. Destylacja z parą wodną służy do otrzymywania perfum, wrzącej wody wraz z konserwowanymi kwiatami, do wytworzenia gazu o pożądanym zapachu, który po skondensowaniu może być następnie użyty jako płyn bazowy w perfumach.