Tislaus ( lat. stillare - " tippaus" lat . stilla - "pisara" ja etuliite "de-", mikä tarkoittaa "poistoa" [1] ) - tislaus, nesteen haihdutus , jota seuraa jäähdytys ja höyryjen kondensaatio . Tislausta pidetään ensisijaisesti teknologisena prosessina monikomponenttisten aineiden erottamiseksi ja jalostamiseksi - useissa muissa prosesseissa, joissa on faasimuunnos ja massasiirto: sublimaatio , kiteytys, nesteuutto ja joissakin muissa. Erotetaan tislaus kondensoimalla höyry nesteeksi (jossa syntyvällä tisleellä on keskimääräinen koostumus sekoittumisen vuoksi) ja tislauksen välillä, jossa höyry kondensoidaan kiinteään faasiin (jossa tapahtuu komponenttien pitoisuuden jakautuminen kondensaatissa). Tislaustuote on tisle tai jäännös (tai molemmat) riippuen tisleestä ja prosessin tarkoituksesta. Tislauslaitteen pääosat ovat lämmitetty säiliö (kuutio) tislattua nestettä varten, jäähdytetty lauhdutin (jääkaappi) ja niitä yhdistävä lämmitetty höyryputki.
Ensimmäiset tiedot tislauksesta ovat peräisin 1. vuosisadalta, ja ne mainitaan kreikkalaisten alkemistien teoksissa Aleksandriassa (Egypti) [2] . 1000-luvulla Avicennassa tislaus mainittiin menetelmänä eteeristen öljyjen saamiseksi . 1800-luvun puolivälistä lähtien oikaisua on kehitetty .
Tislausta käytetään teollisuudessa ja laboratoriokäytännössä monimutkaisten aineiden erottamiseen ja jalostukseen: orgaanisten aineiden seosten erottamiseen (esim. öljyn erottaminen bensiiniksi , kerosiiniksi , dieselpolttoaineeksi jne.; tuoksuaineiden saaminen hajuvedessä; etyylin puhdistus alkoholi ) ja erittäin puhtaiden epäorgaanisten aineiden saamiseksi (esimerkiksi metallit : beryllium , lyijy , sinkki , magnesium , kadmium , elohopea ; ja ei-metallit : rikki , seleeni jne.).
Tislausteoriassa tarkastellaan ensisijaisesti kahden aineen seosten erottamista [1] . Tislausperiaate perustuu siihen, että tietyn komponentin pitoisuus nesteessä poikkeaa sen pitoisuudesta tämän nesteen höyryssä. Suhde = on prosessin ominaisuus, ja sitä kutsutaan erotustekijäksi (tai jakaumaksi) tislauksen aikana. (Myös erotuskerrointa tislauksen aikana kutsutaan arvoksi ). Erotuskerroin riippuu erotettavien komponenttien laadusta ja tislausolosuhteista. Tislausolosuhteista riippuen on olemassa ideaali (määritetään vain puhtaiden komponenttien osittaisilla höyrynpaineilla), tasapaino (kun nesteestä poistuvien hiukkasten määrä aikayksikköä kohti on yhtä suuri kuin nesteeseen palaavien hiukkasten määrä samanaikaisesti) ja tehokkaat erotuskertoimet. Käytännössä aineiden tislaus riippuu voimakkaasti nesteen sekoittumisen intensiteetistä sekä epäpuhtauksien vuorovaikutuksesta pääkomponentin ja muiden epäpuhtauskomponenttien kanssa muodostaen yhdisteitä (jonka yhteydessä tislausta pidetään fysikaalis-kemiallisena prosessina) . "Perusaine-epäpuhtaus" -seoksen tehollinen erotuskerroin voi poiketa useita suuruusluokkia ihanteellisesta erotuskertoimesta.
Tislausmuodoille on tunnusomaista haihdutuslämpötila ja poikkeama neste-höyryfaasitasapainosta. Yleensä tislausprosessissa , jossa on aineen hiukkasten määrä, joka siirtyy aikayksikköä kohti nesteestä höyryksi, on hiukkasten lukumäärä, jotka palaavat samanaikaisesti höyrystä nesteeseen, on hiukkasten lukumäärä, jotka siirtyvät kondensaatiksi tällä hetkellä . Suhde on indikaattori prosessin poikkeamasta tasapainosta. Rajoittavia ovat tilat, joissa (neste-höyryjärjestelmän tasapainotila) ja (molekyylitislaus).
Kaksikomponenttisen aineen ihanteellinen erotuskerroin voidaan ilmaista paineena ja puhtaina komponentteina prosessilämpötilassa: . Ottaen huomioon komponenttien aktiivisuuskertoimet ja , jotka heijastavat komponenttien vuorovaikutusta nesteessä, erotuskerroin . Aktiivisuuskertoimilla on lämpötila- ja pitoisuusriippuvuuksia (katso aktiivisuus (kemia) ). Lämpötilan laskiessa erotuskertoimen arvo yleensä siirtyy pois yksiköstä, eli erotustehokkuus kasvaa.
Kellossa kaikki haihtuvat hiukkaset siirtyvät kondensaatiksi (molekyylitislaustila). Tässä tilassa erotustekijä on , missä ja ovat vastaavasti ensimmäisen ja toisen komponentin molekyylipainot. Tislauksen molekyylitason määrittäminen on mahdollista arvolla , jossa on etäisyys haihduttimesta lauhduttimeen, on tislatun aineen molekyylien keskimääräinen vapaa reitti, on vakio riippuen laitteen suunnittelusta. Klo , molekyylin haihtuminen havaitaan, klo , dynaaminen tasapaino muodostuu nesteen ja höyryn välille, ja muissa arvoissa haihtuminen on luonteeltaan välimuotoista. Molekyylitislaustilaa voidaan käyttää erilaisissa tislausprosesseissa, mukaan lukien rektifikaatio . Tyypillisesti molekyylitislaus suoritetaan tyhjössä alhaisessa höyrynpaineessa ja kondensaatiopinnan ollessa lähellä haihdutuspintaa (mikä estää höyryhiukkasia törmäämästä toisiinsa ja ilmakehän hiukkasten kanssa). Metallit tislataan tavalla, joka on lähellä molekyylitislausta. Koska erotustekijä molekyylitislauksessa ei riipu vain komponenttien osapaineista, vaan myös niiden molekyyli- (tai atomi-) massoista, voidaan molekyylitislauksella erottaa seoksia, jotka ovat atseotrooppisia seoksia , mukaan lukien seokset. isotoopeista . _
Yleisessä tapauksessa tislauksen (ja sublimoinnin) matemaattinen kuvaus esitetään yhtälöjärjestelmänä, joka sisältää kaksi parametria: tehollisen erotuskertoimen β ja Pecletin diffuusioluvun Pe=w(T)X / ρD(T) , missä w on aineen haihtumisnopeus pinnoilta; D on epäpuhtauksien diffuusiokerroin; X on haihdutetun materiaalin kokokerroin (esimerkiksi haihdutetun materiaalin kerroksen paksuus); ρ on aineen tiheys. Yhtälöiden monimutkaisuuden vuoksi niiden ratkaisu voidaan löytää vain numeerisilla menetelmillä. Yksinkertaisessa tapauksessa, kun tislaus suoritetaan olosuhteissa, joissa haihdutettua nestettä (ja kondensaattia) sekoitetaan voimakkaasti, kun Pe = 0 tai pieni, yhtälöt yhdistävät toisen komponentin pitoisuuden kondensaatissa ja jäännöksessä fraktioon. tislauksesta tai jäännöksen osuudella tietyissä prosessiolosuhteissa ja tunnetuilla alkunestekonsentraatioilla ( ja ovat kondensaatin ja jäännöksen massat sekä vastaavasti tislatun aineen alkumassa) on yksinkertainen muoto, jossa yksi parametri β.
Tislattaessa ainetta, jossa on suuri komponenttipitoisuus (jossa höyry tiivistyy nesteeseen), komponenttien aktiivisuuskertoimien vähäinen riippuvuus niiden pitoisuuksista, arvojen välinen suhde ja prosenttipitoisuuksia käytettäessä , on muotoa:
Tislaukseen höyry-nestekondensaatiolla alhaisella epäpuhtauspitoisuudella
=missä on erotuskerroin.
Yhtälöt johdetaan myös komponenttien jakautumiselle kiinteässä kondensaatissa, joka on saatu tislaamalla kondensaatin suunnatulla jähmetyksellä tai vyöhyketislauksella.
On huomattava, että tislausyhtälöt eivät kuvaa vain komponenttien jakautumisprosesseja "neste-höyry" -järjestelmissä, vaan myös muita kosketusfaaseja (esim. "nestekide-kide", "nestekide-neste", "kaasu- plasma"-siirtymät, ja myös kvanttimekaanisiin tiloihin liittyvät siirtymät - superneste , Bose-Einstein-kondensaatti ) - kun niihin korvataan sopivat erotustekijät.
Yksinkertainen tislaus on nesteseoksen osittainen haihduttaminen poistamalla ja kondensoimalla syntyneet höyryt jääkaapissa. Syntynyttä kondensaattia kutsutaan tisleeksi ja haihtumatonta nestettä kutsutaan pohjaksi.
Jakotislaus (tai jakotislaus) on monikomponenttisten nestemäisten seosten erottamista koostumukseltaan erilaisiksi osiin, jakeisiin keräämällä kondensaatti osiin, joilla on erilainen haihtuvuus, alkaen ensimmäisestä, rikastettuna matalalla kiehuvalla komponentilla. Loput nesteestä on rikastettu korkealla kiehuvalla komponentilla. Fraktioiden erottelun parantamiseksi käytetään palautusjäähdytintä .
Rektifikaatio on tislausmenetelmä, jossa osa nestemäisestä kondensaatista (flegma) palaa jatkuvasti kuutioon siirtyen kohti kolonnissa olevaa höyryä . Tämän seurauksena höyryn sisältämät epäpuhtaudet siirtyvät osittain limaan ja palaavat kuutioon, samalla kun höyryn (ja kondensaatin) puhtaus kasvaa.
Tislaus höyrykondensaatiolla lämpötilagradientissa on tislausprosessi, jossa kondensaatio kiinteäksi faasiksi suoritetaan lämpötilagradientilla varustetulla pinnalla haihduttamalla höyryhiukkasia toistuvasti. Vähemmän haihtuvat komponentit saostuvat korkeammissa lämpötiloissa. Tämän seurauksena epäpuhtaudet jakautuvat kondensaatin lämpötilagradienttiin ja kondensaatin puhtain osa voidaan eristää tuotteena. Höyrykomponenttien erottelu uudelleenhaihdutuksen aikana noudattaa omia lakejaan. Joten molekyylitislauksessa ensimmäisen ja toisen komponentin lauhduttimessa olevien määrien suhde ilmaistaan yhtälöllä:
missä ja ovat ensimmäisen komponentin haihtumisnopeudet sulasta ja uudelleenhaihdutuspinnasta, vastaavasti, ja ovat samat toiselle komponentille, ja ovat ensimmäisen ja toisen komponentin kondensaatiokertoimet, vastaavasti, on kerroin, joka riippuu haihtumispinta sekä haihtumisen ja uudelleenhaihtumisen kulmat. Uudelleenhaihdutus lisää puhdistuksen tehokkuutta vaikeasti irrotettavista vähän haihtuvista epäpuhtauksista kertoimella 2–5 ja erittäin haihtuvista epäpuhtauksista suuruusluokan tai enemmän (verrattuna yksinkertaiseen tislaukseen). Tämän tyyppistä tislausta on käytetty erittäin puhtaan berylliumin teollisessa tuotannossa.
Tislaus kondensaatin suunnatulla kiinteytymisellä (tislaus tisleen vetämällä) on tislausprosessi pitkänomaisessa astiassa, jossa tislattu aine sulaa täydellisesti ja höyry kondensoituu kiinteäksi faasiksi, kun kondensaatti vedetään kylmälle alueelle. Prosessi on suunniteltu teoreettisesti.
Syntyvässä lauhteessa esiintyy epätasaista epäpuhtauksien jakautumista ja kondensaatin puhtain osa voidaan eristää tuotteena. Prosessi on normaalin suuntakiteytymisen tislausanalogi. Epäpuhtauksien jakautumista kondensaatissa kuvaa yhtälö:
missä on epäpuhtauspitoisuus tisleessä etäisyyden päässä alusta, on kondensaatin korkeus, kun tislattu materiaali on täysin haihtunut.
Vyöhyketislaus on tislausprosessi pitkänomaisessa astiassa, jossa vain nestevyöhykkeellä olevan puhdistetun aineen yläosan sulaminen liikkuu alaspäin, jolloin höyry tiivistyy kiinteäksi faasiksi, kun kondensaatti poistuu kylmälle alueelle. Prosessi on suunniteltu teoreettisesti.
Kun vyöhykelämmitin liikkuu säiliötä pitkin ylhäältä alas, säiliöön muodostuu kiinteää lauhdetta, jossa epäpuhtaudet jakautuvat epätasaisesti ja lauhteen puhtain osa voidaan eristää tuotteena. Prosessi voidaan toistaa useita kertoja, jolloin edellisessä prosessissa saatu lauhde on siirrettävä (ilman kaatumista) säiliön pohjalle jauhettavan aineen tilalle. Epätasainen epätasainen jakautuminen kondensaatissa (eli puhdistusteho) kasvaa prosessin toistokertojen lisääntyessä.
Vyöhyketislaus on vyöhykkeen uudelleenkiteyttämisen tislausanalogi. Epäpuhtauksien jakautumista kondensaatissa kuvataan tunnetuilla vyöhykkeen uudelleenkiteytysyhtälöillä tietyllä määrällä vyöhykekulkuja - kun kiteytyksen jakautumiskerroin korvataan tislauksen erotuskertoimella . Siis yhden vyöhykkeen läpikulun jälkeen
missä on epäpuhtauspitoisuus lauhteessa etäisyyden päässä lauhteen alusta, ja on nestevyöhykkeen pituus.
Tislauspuhdistuksen tehokkuutta voidaan lisätä lisäämällä emäs-epäpuhtausjärjestelmään lisäkomponentti (yleensä pitoisuutena 0,5 ... 10 %), joka muuttaa epäpuhtauden suhteellista haihtuvuutta. Menetelmän muunnelma on vaikuttavan aineen, pääasiassa vesihöyryn, tislaus atmosfäärissä.
Myös muita erikoistekniikoita yksittäistislauksen tehokkuuden lisäämiseksi käytetään - kuten kuumalauhdutin, lauhdutin lämpötilagradientilla ja oksidikerroksen luominen haihdutetun nesteen pinnalle.
On huomattava, että erityisten tislaustekniikoiden käytön tehokkuus riippuu ihanteellisen erotuskertoimen arvosta tislatussa binäärijärjestelmässä: se on pienempi järjestelmissä, joissa ihanteellinen erotuskerroin on lähempänä yksikköä.
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Kemialliset erotusmenetelmät | |
---|---|
Tislaus | ||
---|---|---|
Teoria | ||
Teollisuudessa | ||
Laboratoriossa | ||
Lajikkeet |