Τι είναι η απόσταξη; Αυτή είναι η διαδικασία μετατροπής ενός υγρού σε ατμό, ο οποίος στη συνέχεια συμπυκνώνεται και πάλι σε υγρή μορφή. Το απλούστερο παράδειγμα είναι η απόσταξη νερού, όπου ο ατμός από ένα βραστήρα εναποτίθεται ως σταγονίδια σε μια κρύα επιφάνεια.
Εφαρμογή και ιστορικό
Η απόσταξη χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό υγρών από μη πτητικά στερεά, όπως στην απόσταξη οινοπνευματωδών ποτών από υλικά που έχουν υποστεί ζύμωση, ή για τον διαχωρισμό δύο ή περισσότερων υγρών με διαφορετικά σημεία βρασμού, όπως στην κατασκευή βενζίνης, κηροζίνης και λιπαντικών από πετρέλαιο. Άλλες βιομηχανικές εφαρμογές περιλαμβάνουν την επεξεργασία χημικών ουσιών όπως φορμαλδεΰδη και φαινόλη και αφαλάτωση θαλασσινού νερού.
Η διαδικασία απόσταξης πιθανότατα χρησιμοποιήθηκε από αρχαίους πειραματιστές. Ο Αριστοτέλης (384-322 π. Χ.) ανέφερε ότι καθαρό νερό μπορεί να ληφθεί με την εξάτμιση του θαλασσινού νερού. Ο Πλίνιος ο Πρεσβύτερος (23-79 μ. Χ.) περιέγραψε μια πρωτόγονη μέθοδο συμπύκνωσης κατά την οποία το λάδι που λαμβάνεται με θέρμανση κολοφωνίου συλλέγεται σε μαλλί που τοποθετείται στην κορυφή τουalembic.
Απλή απόσταξη
Οι περισσότερες από τις μεθόδους απόσταξης που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία και την εργαστηριακή έρευνα είναι παραλλαγές της απλής απόσταξης. Αυτή η βασική τεχνολογία χρησιμοποιεί έναν κύβο ή έναν αποστακτήρα στον οποίο θερμαίνεται το υγρό, έναν συμπυκνωτή για την ψύξη του ατμού και ένα δοχείο για τη συλλογή του αποστάγματος. Όταν ένα μείγμα ουσιών θερμαίνεται, πρώτα αποστάζεται η πιο πτητική από αυτές ή αυτή με το χαμηλότερο σημείο βρασμού και μετά οι άλλες αποστάζονται ή δεν αποστάζονται καθόλου. Μια τέτοια απλή συσκευή είναι εξαιρετική για τον καθαρισμό υγρών που περιέχουν μη πτητικά συστατικά και είναι αρκετά αποτελεσματική για τον διαχωρισμό ουσιών με διαφορετικά σημεία βρασμού. Για εργαστηριακή χρήση, τα μέρη της συσκευής είναι συνήθως κατασκευασμένα από γυαλί και συνδέονται με πώματα, ελαστικούς σωλήνες ή γυάλινους σωλήνες. Σε βιομηχανική κλίμακα, ο εξοπλισμός είναι κατασκευασμένος από μέταλλο ή κεραμικό.
Κλασματική απόσταξη
Μια μέθοδος που ονομάζεται κλασματική ή διαφορική απόσταξη αναπτύχθηκε για τη διύλιση λαδιού επειδή η απλή απόσταξη για διαχωρισμό υγρών των οποίων τα σημεία βρασμού διαφέρουν ελάχιστα είναι αναποτελεσματική. Σε αυτή την περίπτωση, οι ατμοί συμπυκνώνονται επανειλημμένα και εξατμίζονται σε ένα μονωμένο κατακόρυφο δοχείο. Ιδιαίτερο ρόλο παίζουν εδώ οι ξηροί ατμομηχανές, οι κλασματικές στήλες και οι συμπυκνωτές, που επιτρέπουν την επιστροφή μέρους του συμπυκνώματος πίσω στον αποστακτήρα. Ο στόχος είναι να επιτευχθεί στενή επαφή μεταξύ των ανερχόμενων διαφορετικών φάσεων του μείγματος έτσι ώστεμόνο τα πιο πτητικά κλάσματα με τη μορφή ατμού έφτασαν στον δέκτη και τα υπόλοιπα επέστρεψαν με τη μορφή υγρού προς τον κύβο. Ο καθαρισμός των πτητικών συστατικών ως αποτέλεσμα της επαφής μεταξύ τέτοιων αντίθετων ρευμάτων ονομάζεται διόρθωση ή εμπλουτισμός.
Πολλαπλή απόσταξη
Αυτή η μέθοδος ονομάζεται επίσης εξάτμιση φλας πολλαπλών σταδίων. Αυτό είναι ένα άλλο είδος απλής απόσταξης. Χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, για την απόσταξη νερού σε μεγάλες εμπορικές μονάδες αφαλάτωσης. Η μετατροπή υγρού σε ατμό δεν απαιτεί θέρμανση. Απλώς ρέει από ένα δοχείο με υψηλή ατμοσφαιρική πίεση σε ένα δοχείο με χαμηλότερη πίεση. Αυτό οδηγεί σε ταχεία εξάτμιση, συνοδευόμενη από συμπύκνωση του ατμού σε υγρό.
Απόσταξη κενού
Μία παραλλαγή της διαδικασίας μειωμένης πίεσης χρησιμοποιεί μια αντλία κενού για τη δημιουργία κενού. Αυτή η μέθοδος, που ονομάζεται "απόσταξη υπό κενό", χρησιμοποιείται μερικές φορές με ουσίες που συνήθως βράζουν σε υψηλές θερμοκρασίες ή αποσυντίθενται όταν βράζονται υπό κανονικές συνθήκες.
Οι αντλίες κενού δημιουργούν πίεση στη στήλη, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική πίεση. Εκτός από αυτά, χρησιμοποιούνται ρυθμιστές κενού. Ο προσεκτικός έλεγχος των παραμέτρων είναι πολύ σημαντικός επειδή η απόδοση διαχωρισμού εξαρτάται από τη διαφορά στη σχετική πτητικότητα σε μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση. Η αλλαγή αυτής της ρύθμισης μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την πρόοδο της διαδικασίας.
Η απόσταξη υπό κενό είναι πολύ γνωστή στα διυλιστήρια. Οι συμβατικές μέθοδοι απόσταξης χωρίζονταιελαφρούς υδρογονάνθρακες και ακαθαρσίες από βαρείς υδρογονάνθρακες. Το υπολειμματικό προϊόν υποβάλλεται σε απόσταξη υπό κενό. Αυτό καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό υδρογονανθράκων υψηλού βρασμού, όπως λάδια και κεριά, σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης στον διαχωρισμό των ευαίσθητων στη θερμότητα οργανικών χημικών ουσιών και στην ανάκτηση οργανικών διαλυτών.
Τι είναι η απόσταξη με ατμό;
Η απόσταξη με ατμό είναι μια εναλλακτική μέθοδος απόσταξης σε θερμοκρασίες κάτω από το κανονικό σημείο βρασμού. Χρησιμοποιείται όταν η απεσταγμένη ουσία είναι μη αναμίξιμη και δεν αντιδρά χημικά με το νερό. Παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι τα λιπαρά οξέα και το σογιέλαιο. Κατά την απόσταξη, εισάγεται ατμός στο υγρό, ο οποίος το θερμαίνει και προκαλεί εξάτμιση.
Απόσταξη σε συσκευασμένη στήλη
Αν και οι συσκευασμένες στήλες χρησιμοποιούνται συχνότερα για απορρόφηση, χρησιμοποιούνται επίσης για την απόσταξη μιγμάτων ατμού-υγρού. Αυτός ο σχεδιασμός παρέχει μεγάλη επιφάνεια επαφής, η οποία αυξάνει την απόδοση του συστήματος. Ένα άλλο όνομα για μια τέτοια δομή είναι μια στήλη απόσταξης.
Η αρχή λειτουργίας είναι η εξής. Το ακατέργαστο μείγμα συστατικών με διαφορετική πτητικότητα τροφοδοτείται στο κέντρο της στήλης. Το υγρό ρέει προς τα κάτω μέσα από το ακροφύσιο και ο ατμός κινείται προς τα πάνω. Το μείγμα στο κάτω μέρος της δεξαμενής μπαίνει στον προθερμαντήρα και εξέρχεται με ατμό. Το αέριο ανεβαίνει ορμητικά μέσα από τη συσκευασία, συλλέγοντας τα πιο πτητικά συστατικά του υγρού, εξέρχεται από τη στήλη και εισέρχεται στον συμπυκνωτή. Μετά την υγροποίηση, το προϊόν εισέρχεταιστον συλλέκτη φλεγμάτων, όπου διαχωρίζεται σε ένα απόσταγμα και ένα κλάσμα που χρησιμοποιείται για άρδευση.
Διαφορετικές συγκεντρώσεις αναγκάζουν λιγότερο πτητικά συστατικά να περάσουν από τη φάση ατμού στην υγρή φάση. Το ακροφύσιο αυξάνει τη διάρκεια και την περιοχή επαφής, γεγονός που αυξάνει την απόδοση διαχωρισμού. Στην έξοδο, ο ατμός περιέχει τη μέγιστη ποσότητα πτητικών συστατικών, ενώ η συγκέντρωσή τους στο υγρό είναι ελάχιστη.
Τα ακροφύσια γεμίζονται χύμα και συσκευασίες. Το σχήμα του πληρωτικού μπορεί να είναι είτε τυχαίο είτε γεωμετρικά δομημένο. Είναι κατασκευασμένο από αδρανές υλικό όπως πηλό, πορσελάνη, πλαστικό, κεραμικό, μέταλλο ή γραφίτη. Το πληρωτικό τυπικά έχει διαστάσεις από 3 έως 75 mm και έχει μεγάλη επιφάνεια σε επαφή με το μίγμα ατμού-υγρού. Η χύδην πλήρωση έχει το πλεονέκτημα της υψηλής απόδοσης, της αντοχής σε υψηλή πίεση και του χαμηλού κόστους.
Τα μεταλλικά πληρωτικά έχουν υψηλή αντοχή και καλή διαβρεξιμότητα. Τα κεραμικά έχουν ακόμη μεγαλύτερη διαβρεξιμότητα, αλλά δεν είναι τόσο ισχυρά. Τα πλαστικά είναι αρκετά δυνατά, αλλά δεν βρέχονται καλά σε χαμηλές ροές. Δεδομένου ότι τα κεραμικά πληρωτικά είναι ανθεκτικά στη διάβρωση, χρησιμοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες που το πλαστικό δεν μπορεί να αντέξει.
Τα ακροφύσια συσκευασίας είναι ένα δομημένο πλέγμα, οι διαστάσεις του οποίου αντιστοιχούν στη διάμετρο της στήλης. Παρέχει μακριά κανάλια για ροές υγρών και ατμών. Είναι πιο ακριβά, αλλά σας επιτρέπουν να μειώσετε τις πτώσεις πίεσης. Τα ακροφύσια πακέτων προτιμώνται σε χαμηλούς ρυθμούς ροής και υπό συνθήκες χαμηλής πίεσης. Συνήθως κατασκευάζονται από ξύλο, λαμαρίνα ή υφαντό πλέγμα.
Χρησιμοποιείται σε βιομηχανίες ανάκτησης διαλυτών και πετροχημικών.
Απόσταξη στη στήλη απόσταξης
Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος στήλης. Ο αριθμός των πλακών εξαρτάται από την επιθυμητή καθαρότητα και την πολυπλοκότητα του διαχωρισμού. Επηρεάζει το ύψος της στήλης απόσταξης.
Η αρχή της λειτουργίας του είναι η εξής. Το μείγμα τροφοδοτείται στη μέση του ύψους της στήλης. Η διαφορά στη συγκέντρωση προκαλεί τα λιγότερο πτητικά συστατικά να περάσουν από το ρεύμα ατμού στο ρεύμα υγρού. Το αέριο που εξέρχεται από τον συμπυκνωτή περιέχει τις πιο πτητικές ουσίες, ενώ οι λιγότερο πτητικές ουσίες εξέρχονται μέσω του θερμαντήρα στο ρεύμα του υγρού.
Η γεωμετρία των πλακών στη στήλη επηρεάζει τον βαθμό και τον τύπο επαφής μεταξύ των διαφορετικών καταστάσεων φάσης του μείγματος. Δομικά, είναι κόσκινο, βαλβίδα, καπάκι, πλέγμα, καταρράκτη κ.λπ. Οι δίσκοι κόσκινου, οι οποίοι έχουν τρύπες για τον ατμό, χρησιμοποιούνται για να παρέχουν υψηλή απόδοση με χαμηλό κόστος. Οι φθηνότεροι δίσκοι βαλβίδων, στους οποίους τα ανοίγματα είναι εφοδιασμένα με βαλβίδες ανοίγματος και κλεισίματος, είναι επιρρεπείς σε φράξιμο λόγω συσσώρευσης υλικού. Τα καπάκια είναι εξοπλισμένα με καπάκια που επιτρέπουν στον ατμό να περάσει μέσα από το υγρό μέσω μικροσκοπικών οπών. Αυτή είναι η πιο προηγμένη και ακριβή τεχνολογία, αποτελεσματική σε χαμηλούς ρυθμούς ροής. Το υγρό ρέει από τον ένα δίσκο στον άλλο στους κατακόρυφους σωλήνες αποχέτευσης.
Οι στήλες του πίνακα χρησιμοποιούνται συχνά για την ανάκτηση διαλυτών από τα απόβλητα διεργασιών. Χρησιμοποιούνται επίσης για την ανάκτηση μεθανόλης σε μια διαδικασία ξήρανσης. Το νερό βγαίνει ως υγρό προϊόν και τα πτητικά οργανικά απόβλητα πηγαίνουν στη φάση των ατμών. Αυτό είναι η απόσταξη σε μια αποστακτική στήλη.
Κρυογονική απόσταξη
Κρυογονική απόσταξη είναι η εφαρμογή γενικών μεθόδων απόσταξης σε αέρια που ψύχονται σε υγρή κατάσταση. Το σύστημα λειτουργεί σε θερμοκρασίες κάτω των -150 °C. Για αυτό, χρησιμοποιούνται εναλλάκτες θερμότητας και πηνία. Ολόκληρη η δομή ονομάζεται κρυογονικό μπλοκ. Τα υγροποιημένα αέρια εισέρχονται στη μονάδα και αποστάζονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι στήλες κρυογονικής απόσταξης μπορούν να συσκευαστούν και να συσκευαστούν. Ο σχεδιασμός παρτίδας προτιμάται καθώς το χύμα υλικό είναι λιγότερο αποτελεσματικό σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Μία από τις κύριες εφαρμογές της κρυογονικής απόσταξης είναι ο διαχωρισμός του αέρα στα αέρια που τον αποτελούν.
Εκχυλιστική απόσταξη
Η εκχυλιστική απόσταξη χρησιμοποιεί πρόσθετες ενώσεις που δρουν ως διαλύτες για να αλλάξουν τη σχετική πτητότητα ενός από τα συστατικά του μείγματος. Στην εκχυλιστική στήλη, ένας διαλύτης προστίθεται στις προς διαχωρισμό ουσίες. Το συστατικό του προς ανάκτηση ρεύματος τροφοδοσίας συνδυάζεται με τον διαλύτη και εξέρχεται στην υγρή φάση. Το άλλο συστατικό εξατμίζεται και μπαίνει στο απόσταγμα. Δεύτερο τρέξιμο προςμια άλλη στήλη επιτρέπει τον διαχωρισμό της ουσίας από τον διαλύτη, ο οποίος στη συνέχεια επιστρέφει στο προηγούμενο στάδιο για να επαναλάβει τον κύκλο.
Η εκχυλιστική απόσταξη χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό ενώσεων με κοντινά σημεία βρασμού και αζεοτροπικών μειγμάτων. Η εκχυλιστική απόσταξη δεν είναι τόσο διαδεδομένη στη βιομηχανία όσο η συμβατική απόσταξη λόγω της πολυπλοκότητας του σχεδιασμού. Ένα παράδειγμα είναι η διαδικασία λήψης κυτταρίνης. Ο οργανικός διαλύτης διαχωρίζει την κυτταρίνη από τη λιγνίνη και μια δεύτερη απόσταξη παράγει μια καθαρή ουσία.
