Destilación fraccionada
Destilación fraccionada es la separación de un mezcla en sus componentes, o fracciones, como en el caso de separación compuestos químicos por su punto de ebullición por calentamiento a una temperatura en el cual una o más fracciones del compuesto será vaporizar. Es un tipo especial de destilación. Generalmente los componentes hervir a menos de 25 ° C entre sí bajo una presión de una ambiente. Si la diferencia de puntos de ebullición es superior a 25 ° C, una destilación simple se utiliza.
Contenido
- 1 Configuración de laboratorio
- 1.1 Aparato de
- 1.2 Discusión
- 2 Destilación industrial
- 2.1 Diseño de columnas de destilación industriales
- 3 Véase también
- 4 Referencias
- 5 Enlaces externos
Configuración de laboratorio
Destilación fraccionada en un laboratorio hace uso de común cristalería de laboratorio y aparatos, típicamente incluyen un Mechero de Bunsen, un matraz de fondo redondo y un condensador, así como el único propósito columna de fraccionamiento.
Aparato de
- fuente de calor como un placa caliente con un baño e idealmente con un agitador magnético.
- matraz de destilación típicamente un matraz fondo redondo
- recepción de frasco, a menudo también un matraz de fondo redondo
- columna de fraccionamiento
- cabeza de destilación
- termómetro y el adaptador si es necesario
- condensador, como un Condensador de Liebig, Condensador de Graham o Condensador de Allihn
- adaptador de vacío (no utilizado en imagen a la derecha)
- hervir patatas fritas, también conocido como anti-topar gránulos
- Estándar cristalería de laboratorio con juntas de vidrio esmerilado, p. ej. aparato de QuickFit.
Discusión
Como ejemplo considere la destilación de una mezcla de agua y etanol. Etanol hierve a 78,4 ° C mientras que el agua hierve a 100 ° C. Así, calentando la mezcla, el componente más volátil (etanol) se concentrará en mayor grado en el vapor dejando el líquido. Alguna forma mezclas azeotropos, donde la mezcla se hierve a una temperatura más baja que cualquiera de los dos componentes. En este ejemplo, una mezcla de 96% de etanol y 4% agua hierve a 78,2 ° C; la mezcla es más volátil que el etanol puro. Por esta razón, etanol no puede ser purificada totalmente por destilación fraccionada directa de mezclas de etanol-agua.
El aparato está montado como en el diagrama. (El diagrama representa un aparato de lote frente a un aparato de continuo). La mezcla se coloca en el matraz de fondo redondo junto con algunos gránulos de anti-bumping (o una barra de teflón cubierto agitador magnético si utilizando agitación magnética), y la columna de fraccionamiento se cabe en la parte superior. La columna de destilación fraccionada se configura con la fuente de calor en la parte inferior de la olla todavía. A medida que aumenta la distancia de la stillpot, se forma un gradiente de temperatura en la columna; es más fresca en la parte superior y más calientes en la parte inferior. Como el vapor mixto asciende el gradiente de temperatura, el vapor se condensa y revaporizes a lo largo de la gradiente de temperatura. Cada vez que el vapor se condensa y evapora, la composición del componente más volátil en el vapor aumenta. Este destila el vapor a lo largo de la longitud de la columna, y finalmente el vapor está compuesto únicamente de un azeotrope (o el componente más volátil). El vapor de se condensa en las plataformas de cristal, conocido como bandejas de, dentro de la columna y de funcionamientos detrás en el líquido abajo, refundir destilado. Puede mejorarse la eficiencia en términos de la cantidad de calefacción y el tiempo requerido para obtener el fraccionamiento mediante el aislamiento de la parte exterior de la columna en un aislante como lana, papel de aluminio o preferiblemente una chaqueta vacío. La bandeja más caliente está en el fondo y es la más fresca en la parte superior. En condiciones de estado estacionario, el vapor y el líquido en cada bandeja son en equilibrio. El componente más volátil de la mezcla sale como un gas en la parte superior de la columna. El vapor en la parte superior de la columna luego pasa en el condensador que enfría hasta que licua. La separación es más pura con la adición de más bandejas (a una limitación práctica del calor, flujo, etc.). Inicialmente, el condensado estará cerca de la composición azeotrópica, pero cuando mucho del etanol ha sido, el condensado se convierte gradualmente más rico en agua.[citación necesitada] El proceso continúa hasta que todo el etanol hierve de la mezcla. Este punto se puede reconocer por la fuerte subida de temperatura se muestra en la termómetro.
La explicación anterior refleja el fraccionamiento de manera teórica trabaja. Columnas de fraccionamiento de laboratorio normales serán tubos de vidrio simple (a menudo con camisa de vacío y a veces plateada) con un embalaje, a menudo pequeñas hélices de vidrio de 4 a 7 mm de diámetro. Dicha columna puede ser calibrada por la destilación de un sistema de mezcla conocido para cuantificar la columna en cuanto a número de bandejas teóricas. Para mejorar el fraccionamiento el aparato se fija hasta retorno condensado a la columna mediante el uso de algún tipo de separador de reflujo (reflujo wire, gago, magnético oscilante cubo, etc.) - un típico fraccionamiento cuidadoso emplearía una relación de reflujo de aproximadamente 4:1 (4 partes volvieron condensado a toma de agua de condensación 1 parte).
De destilación de laboratorio, varios tipos de condensadores se encuentran comúnmente. El Condensador de Liebig es simplemente un tubo recto en un chaqueta de agua, y es la forma más simple (y relativamente menos cara) de condensador. El Condensador de Graham es un tubo espiral dentro de una chaqueta de agua y la Condensador de Allihn tiene una serie de grandes y pequeñas constricciones en el interior del tubo, cada aumento de la superficie sobre la cual los componentes del vapor pueden condensar.
Montajes alternativos pueden utilizar un matraz de receptor de destilación multi – salida (que se refiere como una "vaca" o "cerdo") para conectar tres o cuatro recibiendo frascos en el condensador. Girando la vaca o el cerdo, los destilados pueden canalizarse en cualquier receptor elegido. Porque el receptor no tiene que ser quitado y reemplazado durante el proceso de destilación, este tipo de aparato es útil cuando la destilación bajo atmósfera inerte para aire-sensible productos químicos o a presión reducida. A Triángulo de Perkin es que un aparato alternativo se utiliza a menudo en estas situaciones ya que permite el aislamiento del receptor del resto del sistema, pero requiere retirar y reinstalar un receptor único para cada fracción.
Destilación al vacío los sistemas operan a una presión reducida, bajando así los puntos de ebullición de los materiales. Gránulos de anti-bumping, sin embargo, se convierten en ineficaces a presiones reducidas.
Destilación industrial
Destilación fraccionada es la forma más común de la tecnología de separación utilizada en refinerías de petróleo, Petroquímica y fábricas de productos químicos, procesamiento de gas natural y separación criogénica del aire plantas.[2][3] En la mayoría de los casos, la destilación es operada en un continua estado estacionario. Nueva alimentación siempre se añade a la columna de destilación y productos siempre están siendo eliminados. A menos que el proceso se altera debido a cambios en la alimentación, calor, temperatura o de condensación, la cantidad de alimento se agrega y la cantidad de producto se eliminan son normalmente iguales. Esto se conoce como destilación fraccionada continua, de estado estacionario.
Destilación industrial se realiza típicamente en las columnas cilíndricas grandes, verticales conocidas como "Torres de destilación o fraccionamiento" o "columnas de la destilación" con diámetros que van desde cerca de 65 centímetros a 6 metros y alturas que van desde unos 6 metros a 60 metros o más. Las torres de destilación tienen enchufes líquidos en los intervalos encima de la columna que permiten el retiro de diferentes fracciones o productos que tengan diferentes puntos de ebullición o rangos de ebullición. Al aumentar la temperatura del producto dentro de las columnas, están separados los diferentes hidrocarburos. Los productos "más ligeros" (ésos con el punto de ebullición más bajo) la salida de la parte superior de las columnas y los productos "más pesados" (ésas con el más alto punto de ebullición) la salida de la parte inferior de la columna.
Por ejemplo, la destilación fraccionada se utiliza en refinerías de petróleo para separar petróleo crudo en sustancias útiles (o fracciones) con diferentes hidrocarburos de diferentes puntos de ebullición. Las fracciones de petróleo crudo con puntos de ebullición más altos:
- tienen más átomos de carbono
- tienen mayor pesos moleculares
- son más ramificados de cadena alkanes
- son más oscuros en color
- son más viscosos
- son más difíciles de encender y quemar
Usan a gran escala industriales Torres reflujo para lograr una separación más completa de productos. Reflujo se refiere a la porción del producto arriba líquido condensado de una torre de destilación o fraccionamiento que se devuelve a la parte superior de la torre como se muestra en el diagrama esquemático de un típico, a gran escala industrial destilación de la torre. Dentro de la torre, abajo el reflujo que fluye líquido proporciona el enfriamiento necesario para condensar los vapores que fluyen hacia arriba, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. El más reflujo se proporciona para un número determinado de platos teóricos, mejor separación de la torre de baja ebullición materiales de materiales punto de ebullición más altos. Como alternativa, más reflujo siempre para una separación deseada dada, se requiere de las pocas placas teóricas.
Destilación fraccionada también se utiliza en la separación del aire, produciendo oxígeno líquido, nitrógeno líquidoy altamente concentrado argón. Destilación de CLOROSILANOS también permiten la producción de alta pureza silicio para su uso como un semiconductor.
En usos industriales, a veces un material de embalaje se utiliza en la columna en vez de las bandejas, especialmente cuando las gotas de presión baja a través de la columna se requieren, como al funcionar bajo vacío. Este material de embalaje puede ser al azar arrojados (1-3" de ancho) del embalaje tales como Anillos de Raschig o metal de hoja estructurado. Fabricantes típicos son Koch, Sulzer y otras empresas. Líquidos tienden mojar la superficie del embalaje y los vapores pasan a través de esta superficie mojada, donde transferencia de masa se lleva a cabo. A diferencia de la destilación convencional de la bandeja en la cual cada bandeja representa un punto separado del equilibrio líquido vapor la curva de equilibrio líquido vapor en una columna embalada es continua. Sin embargo, al modelar columnas embaladas es útil computar un número de "platos teóricos" para denotar la eficacia de la separación de la columna embalada con respecto a bandejas más tradicionales. Packings diferentemente formadas tienen diversas áreas superficiales y espacio vacío entre envases. Ambos de estos factores afectar al rendimiento del embalaje.
Diseño de columnas de destilación industriales
Diseño y operación de una columna de destilación depende de la alimentación y productos deseados. Dado un simple, componente binario de la alimentación, métodos analíticos tales como la Método de McCabe-Thiele[3][4][5] o la Ecuación de Fenske[3] puede ser utilizado. Para una alimentación de multicomponente, simulación modelos son utilizados tanto para el diseño y operación.
Por otra parte, la eficiencia de los dispositivos de contacto vapor y líquido (conocidos como placas de o bandejas de) utilizada en columnas de destilación son típicamente más bajos que el de un teórico 100% eficiente etapa de equilibrio. Por lo tanto, una columna de destilación necesita más placas que el número de etapas teóricas del equilibrio vapor – líquido.
Reflujo se refiere a la porción del producto arriba condensado se devuelve a la torre. El reflujo que fluye hacia abajo proporciona la refrigeración necesaria para condensar los vapores que fluyen hacia arriba. La relación de reflujo, que es la relación entre el reflujo (interna) para el producto arriba, por el contrario se relaciona con el número teórico de etapas requeridas para la separación eficiente de los productos de la destilación. Torres de destilación fraccionada o columnas están diseñadas para lograr la separación requerida eficientemente. El diseño de columnas de fraccionamiento se hace normalmente en dos pasos; un proceso de diseño, seguido de un diseño mecánico. El propósito del diseño del proceso es calcular el número de etapas teóricas necesarias y la corriente fluye incluyendo la relación de reflujo, reflujo de calor y otros deberes de calor. El propósito del diseño mecánico, por el contrario, es seleccionar el funcionamiento interno de la torre, columna de diámetro y altura. En la mayoría de los casos, el diseño mecánico de las torres de fraccionamiento no es sencillo. Para la selección eficiente de funcionamiento interno de la torre y el cálculo exacto del diámetro y altura de la columna, muchos factores deben tenerse en cuenta. Algunos de los factores que intervienen en los cálculos de diseño incluyen tamaño de alimentación carga y propiedades y el tipo de columna de destilación utilizado.
Los dos principales tipos de columnas de destilación utilizadas son columnas de la bandeja y el embalaje. Columnas de embalaje se utilizan normalmente para torres pequeñas y cargas que son corrosivas o sensibles a la temperatura o para servicio de vacío donde la caída de presión es importante. Columnas de la bandeja, por otro lado, se utilizan para grandes columnas con altas cargas de líquidos. Primero aparecieron en la escena en la década de 1820. En operaciones de refinería de petróleo más, columnas de la bandeja se utilizan principalmente para la separación de fracciones de petróleo en las diferentes etapas de la refinación de petróleo.
En el aceite refinado industrial, el diseño y operación de torres de fraccionamiento se logra en gran parte sobre una base empírica. Los cálculos involucrados en el diseño de columnas de fraccionamiento de petróleo requieren en la práctica habitual el uso de numerables gráficos, tablas y ecuaciones empíricas complejas. En los últimos años, sin embargo, una considerable cantidad de trabajo realizada para desarrollar procedimientos eficientes y confiables de diseño asistido por computadora para destilación fraccionada.[6]
Véase también
- Destilación azeotrópica
- Destilación por lotes
- Destilación extractiva
- Congelación de destilación
- Destilación de vapor
Referencias
- ^ Laurence M. Harwood, Christopher J. Moody (13 de junio de 1989). Química orgánica experimental: principios y práctica (Ilustrado Ed.). págs. 145-147. ISBN978-0-632-02017-1.
- ^ Kister, Henry Z. (1992). Diseño de la destilación (1ª ed.). McGraw-Hill. ISBN0-07-034909-6.
- ^ a b c Perry, Roberto H. y verde, Don W. (1984). Manual de los ingenieros químicos de la Perry (6ª Ed.). McGraw-Hill. ISBN0-07-049479-7.
- ^ Beychok, Milton (mayo de 1951). "La solución algebraica del diagrama de McCabe-Thiele". Curso de ingeniería química.
- ^ Seader, J. D. y Henley, Ernest J. (1998). Principios del proceso de separación. Nueva York: Wiley. ISBN0-471-58626-9.
- ^ Ibrahim, Hassan Al-Haj (2014). "Capítulo 5". En Bennett, Kelly. MATLAB: Aplicaciones para el ingeniero práctico. Sciyo. págs. 139-171. ISBN978-953-51-1719-3.
Enlaces externos
- Validar los datos VLE binario
- Actividad de química: destilación fraccionada
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