Дистилляция для чего применяется
Чем дистилляция отличается от ректификации?
Дистилляция и ректификация широко используются в промышленности. Этими способами очищают этиловый спирт, из нефти выделяют керосин, бензин, ДТ и прочие компоненты, в парфюмерии получают ароматические вещества и многое другое.
В основу обеих технологий положен один и тот же принцип перегонки жидкости. Тем не менее, различия есть, и довольно серьезные.
Определение, схема устройств и принцип работы
Дистилляция
Дистилляцией называется процесс, в ходе которого жидкость, находящаяся в кубе (емкости) нагревается и испаряется, после чего охлаждается и конденсируется. Пар в итоге может переводиться в жидкость или твердое тело (второй вариант в данной статье не рассматривается). Продукт на выходе называется дистиллят. Или кубовый остаток (так называется жидкость, которая не испарилась), в зависимости от того, с какой целью перегоняли исходную смесь.
Бочка из нержавеющей стали 1А1 45л
Дистиллятор ПЭ-2220
Дистиллятор ДЭ-10М
Дистиллятор ПЭ-2210
Бочка из нержавеющей стали 1Б2 45л
Дистиллятор ДЭ-4М
Дистиллятор ПЭ-2205
Дистиллятор ДЭ-25М
Устройство простейшего аппарата для получения дистиллированной воды. Жидкость находится в кубе 1 с крышкой 2 и термометром 3. После нагрева емкости, вода превращается в пар, который поднимается вверх и попадает в трубку 4 с вентилем 5. А оттуда – в трубку 6, находящуюся в холодильнике 7. Чтобы пар сконденсировался и снова перешел в жидкое состояние, его надо охладить. Для этого трубка 6 омывается проточной ледяной водой. Для повышения эффективности охлаждения, она завита в спираль, чтобы пар дольше находился под действием низкой температуры. Выйдя из холодильника, жидкость попадает в сосуд для сбора дистиллята.
При дистилляции смеси, состоящей из двух компонентов (одним из них является базовая растворяющая жидкость, а второй – в ней растворенный), в пар превращается низкокипящий, то есть тот, у которого более низкая температура кипения. А высококипящий (с более высокой температурой кипения) остается в жидком состоянии. Термометр нужен для регулирования степени нагрева так, чтобы данный параметр находился между указанными температурами.
Отличительной особенностью дистилляции является тот факт, что летучие компоненты испаряются однократно. При таком простом способе невозможно добиться высокой степени разделения составляющих смеси. Кроме того, выделяется только один ингредиент.
Ректификация
Ректификация – это процесс, на начальном этапе которого жидкость, как и при дистилляции, тоже нагревается и испаряется. Но затем пар попадает в ректификационную колонну. В ней, за счет противотока между жидкой и газообразной фазами смеси, происходит тепловой и массовый обмен между паром и сконденсировавшимися каплями. Исходная смесь делится (притом, с высокой степенью очистки) на компоненты с разными температурами кипения за счет того, что жидкость, фактически, многократно испаряется и конденсируется.
Схема простейшего ректификатора, который можно изготовить даже в домашних условиях. Он состоит из куба, подогреваемого на огне или водяной бане. Над ним расположена ректификационная колонна (в бытовых аппаратах – царга, представляющая собой жесткую трубу) с заполняющими ее насадками (на рисунке называются «мочалки», потому что для домашних устройств их нередко делают из дешевых металлических кухонных мочалок). Над ней – дефлегматор. Сбоку, напротив узла отбора дистиллята, находится специальная отводящая трубка (на схеме окрашена красным). Она соединена с холодильником и далее – с приемной емкостью. В лабораторных и бытовых ректификаторах в качестве «мочалок» применяются насадки, которыми заполняется колонна. Самые популярные: спирально призматическая (Селиваненко) и регулярно проволочная (Панченков). Первая дает самую лучшую степень очистки, вторая, при достаточно эффективной работе, наиболее простая по конструкции. Делаются, обычно, из нержавейки или меди. В промышленных установках вместо насадок применяются специальные тарелки.
Аппарат работает следующим образом. Исходная смесь нагревается в перегонном кубе и начинает испаряться. Пар проходит через ректификационную колонну. На узле отбора дистиллята часть пара отводится через красную трубку, попадает в холодильник, конденсируется и стекает в приемную емкость. Другая часть поднимается в дефлегматор. Последний представляет собой, по сути, еще один холодильник с проточной водой в рубашке. В нем эта вторая часть пара тоже конденсируется, после чего в виде капель, которые называются флегмой или орошением, стекает в ректификационную колонну и движется внутри нее сверху вниз. Расход воды для охлаждения дефлегматора можно регулировать, тем самым изменяя количество орошения, поступающего обратно в колонну.
В ректификационной колонне осуществляется противоток двух фаз – пар поднимается вверх, флегма опускается вниз. Между ними происходит массовый и тепловой обмен, в результате которого пар обогащается низкокипящими (легколетучими) компонентами смеси, а капли стекающей жидкости – высококипящими (труднолетучими) ингредиентами. За счет этого, при достаточной высоте колонны, из верхней ее части (узел отбора дистиллята) выводится целевая фракция большой степени чистоты. Насадки в колонне служат для интенсификации массового и теплового обмена, поскольку конденсация пара осуществляется именно на их развитой поверхности. В промышленных установках это происходит на тарелках.
Каждая находящаяся в колонне тарелка, называется физической (ФТ). Она нужна для того, чтобы между жидкой и паровой фазами как можно быстрее достигалось состояние равновесия. Пузырьки пара проходят сквозь находящийся на ФТ слой флегмы. В результате ускоряется массовый и тепловой обмен между фазами. Но, после прохождения пара через одну ФТ равновесия еще не будет, потому что КПД данного элемента колеблется в пределах от 50% до 60%. Таким образом, чтобы получить равновесное состояние фаз, которое бы соответствовало одной теоретической тарелке (ТТ), надо поставить две ФТ. Это значит что, если по расчету требуется колонна на 40ТТ, то в действительности в нее надо ставить 80ФТ.
Установки для ректификации бывают непрерывные и периодические.
В первых жидкая смесь все время подается в колонну, и также постоянно из нее выводятся разделенные ингредиенты. Во вторых в куб сразу загружается определенное количество смеси, после чего аппарат работает до полной ее переработки.
В бытовых устройствах в качестве ректификационной колонны используется царга. Это труба диаметром от 30мм до 50мм, заполненная по всему объему насадками. Чтобы последние не высыпались, по краям ставят проницаемые для пара и капель пыжи. Состояние равновесия фаз достигается в том случае, когда пар проходит через некоторый слой царги, эквивалентный одной ТТ. Его высоту рассчитывают в миллиметрах и называют высотой единицы переноса.
Главные особенности ректификации: выделение нужного ингредиента в чистом виде и возможность разделения исходной смеси сразу на несколько компонентов. Чем выше колонна, тем медленнее идет процесс, но тем чище конечный продукт.
Процессы в виноделии
В отрасли изготовления алкогольных напитков, разница между дистиллированным и ректифицированным спиртом объясняется следующим образом. Дистиллят – это сырье, в котором остается органолептика (вкус и запах) исходного продукта. То есть, если делается напиток зерновой, то зерна, если яблочный – яблока и так далее. При этом в дистиллированном этиловом спирте еще есть множество примесей. Часть из них формируют вкус и запах. От прочих избавляются с помощью различных рецептов. Ректификат – это рафинированно очищенный спирт. Органолептика исходного продукта полностью отсутствует. В нем вкус и запах только спирта, и больше – ничего. На следующих стадиях технологического процесса, с помощью вкусовых добавок и ароматизаторов, в него вносят заданную органолептику, после чего получают широкий ассортимент наливок, настоек и прочего.
Исходя из этого, нельзя говорить, что один способ лучше, а другой – хуже. У каждого свое предназначение. Если, например, делается бренди со вкусом и ароматом винограда, то нужна дистилляция. После ректификации указанные особенности исчезнут. Для получения приятного аромата, дистиллированный спирт выдерживают в дубовых бочках. А для ректифицированного 96%-го спирта это бесполезно, он годится лишь для разведения, например, при изготовлении водки. К этому еще можно добавить, что оборудование для ректификации спирта стоит дороже, чем для дистилляции. К тому же, для проведения ректификации требуется дистиллированная брага.
Теоретические основы дистилляции
В смеси, состоящей из двух ингредиентов (одним из которых является жидкость, как основа раствора), концентрация растворенного вещества в жидкости С1 отличается от концентрации С2 его же в паре этой жидкости. Коэффициент разделения (распределения)
является характеристикой процесса. В некоторых случаях удобней работать с обратной величиной: А = 1 / В, которая называется так же. Данный параметр зависит от условий проведения дистилляции и природы веществ, составляющих смесь.
В зависимости от условий, коэффициент В может быть:
Идеальный. На него влияют только парциальные давления ингредиентов смеси (парциальным называется давление отдельно взятого газа, входящего в смесь из нескольких газов; то есть, это давление одного газа, которое у него было бы, если бы он занимал весь объем, который занимает смесь газов).
Равновесный. В этом случае число молекул газа Н, улетучивающихся из жидкости, равно числу его молекул Н1, которые возвращаются в жидкость за то же время.
На практике на проведение дистилляции влияют перемешивание раствора и наличие в нем примесей. Присутствие последних может оказаться настолько значительным, что по разделению основного вещества и примесей эффективный коэффициент может очень сильно отличаться от идеального.
Не менее важными параметрами процесса являются температура испарения и степень отклонения системы от фазового равновесия между жидкостью и паром. Во время дистилляции:
Где НС – число молекул, переходящих в конденсат. Количественно отклонение определяется соотношением: НС / Н. В этом случае есть два предельных состояния системы. Если НС = 0, то имеет место равновесие, сколько частиц ушло из жидкости за единицу времени, столько же в нее и вернулось. Если НС = Н, то это молекулярная дистилляция, то есть, все частицы, испарившиеся из жидкости, перешли в конденсат. Обычно такое бывает, если процесс проводится в вакууме, давление пара небольшое, а расстояние от поверхности воды до точки конденсации минимальное. В этом случае частицы пара не сталкиваются, ни с молекулами воздуха, ни между собой.
Виды дистилляции
Описанный в начале статьи процесс, при котором жидкость нагревается и частично испаряется, а ее пары непрерывно отводятся в холодильник и там конденсируются, называется простой перегонкой. При работе с многокомпонентной жидкой смесью, применяется дробная перегонка или фракционная дистилляция. В этом случае ингредиенты смеси собирают в конденсат по частям, в зависимости от их летучести, начиная с самого низкокипящего.
Ректификация многими специалистами считается разновидностью дистилляции. Она происходит за счет того, что любая замкнутая система, состоящая из газа и жидкости, стремится к состоянию равновесия. А при ректификации рабочая (фактическая) концентрация ингредиентов паровой фазы отличается от той, которая должна быть, чтобы данная жидкость находилась в равновесии.
Дистилляция и ректификация – это два способа разделения компонентов жидкой смеси, в основе которых лежит один и тот же физический процесс. Но разные технологии их проведения позволяют получить на выходе совершенно различные результаты.
Описание дистилляции. Разновидности
Определение дистилляции
И вновь нам необходимо дать определение дистилляции, разобраться с главными определениями и понятиями в ходе процесса самогоноварения. Итак, дистилляция (латинский distillatio — каплей стекание) – это процесс в ходе которого жидкая смесь разделяется на различные фракции. Дистилляция основывается на разделении жидкостного состава в ходе образования из нее парообразной фазы вещества. Дистилляцией разделяют жидкостную смесь на фракции по температуре кипения. Выполняется в процессе испарения жидкости и дальнейшей конденсацией фазы её парообразного состояния – это и есть основная суть дистилляции. Фракция после перегона насыщена компонентами, являющими более лёгкие или низкокипящие свойства, а оставшаяся часть жидкости – насыщена компонентами с менее лёгкими, высококипящими свойствами. В ходе процесса, при котором из исходной смеси по средствам перегона получается не единственная фракция, а множество, то дистилляция является фракционной или дробной.
Виды дистилляции
Исходя из применяемой технологии разделяют различные виды дистилляции, такие как простая и молекулярная. Рассмотрение данных разновидностей поможет нам понять сущность дистилляции. Молекулярная дистилляция — это всё также разделение жидкой смеси при помощи испарения с образованием глубокого вакуума с температурой, которая получается существенно меньшей, относительно точки при которой начинает кипеть та или иная фракция. Вакуум находится в пределах рабочего диапазона между 10-2 — 10-4 мм.рт.ст., достигается обычно с применением специальных насосов, для создания данного вакуума. Молекулы в созданном вакууме пара стремятся от испаряющей поверхности, являющейся более горячей, к той поверхности, на которой происходит конденсация, то есть более холодной, при этом столкновения происходят с минимальной частотой. Длина траектории без столкновений при движении молекул, с указанными показаниями давления приближается к расстоянию между вышеуказанными поверхностями, то есть поверхностями испарения и конденсации. Перегонкой дистилляцией можно разделять смеси по температуре кипения на отличные жидкостные фракции. В таком случае существенно снизится температура дистилляции спирта. Измениться схема дистилляции.
В обычных условиях глубокие вакуумы пока особо нам недоступны, поэтому давайте на данном этапе сосредоточимся на рассмотрении других вариантов.
Итак, простая дистилляция кратко — это процесс при котором жидкая смесь испаряется в ходе кипения, происходит непрерывное пароотведение и дальнейшая конденсация. В ходе процесса первоначальная жидкая смесь делиться с образованием дистиллята и обогащённой низкокипящей фракцией, так называемым кубовым остатком. Это остаток жидкости в перегонном аппарате обогащён высококипящей фракцией. Простая дистилляция проводится в перегонных кубах или дистилляторах, которые соединены с ёмкостями для сбора дистиллята и конденсатором.
В ходе протекания дистилляции содержащиеся жидкая фаза низкокипящих компонентов непрерывно падает, происходит постепенное уменьшение их количества и пар, образующийся при испарении жидкости, теряет свою насыщенность.
В процессе простой дистилляции нам не удастся добиться получения продукта с высокой степенью частоты. Но возможно проводить дистилляцию последовательно в несколько спиртосборников, при этом в каждом из них состав смеси будет отличным от остальных. В начальном сборнике в большей степени проявится присутствие низкокипящих компонентов, в сборниках, установленных дальше смесь соответственно будет содержать большее количество высококипящих компонентов. Процесс проходящий таким образом называют фракционной дистилляцией или просто разгонкой.
Фракционная дистилляция – процесс, в ходе которого происходит отбор дистиллята из единого конденсатора в несколько один за другим соединённых сборников. Во всех последующем дистилляторах собирается фракция, в которой преобладают компоненты с повышающимися температурами кипения смеси.
Суть дистилляции
Возможно получение фракции, состав смеси которых будет различным, путем конденсации частями выделяющейся парообразной фазы. Во время прохождения конденсации последовательно в несколько приемов, получают фракции различного состава.
Простая дистилляция достаточно хорошо сочетается с дефлегмацией. Во время этого процесса частично пары, уходящие из перегонного аппарата, конденсируется и стекает в каплеобразной форме назад в аппарат. Во время частичной конденсации уходящих паров в них начитают сконденсироваться компоненты, обладающие меньшей легкостью, то есть высококипящие. Такая жидкость называется флегмой. Наш конденсатор, где происходит образование флегмы, обычно должен располагаться над аппаратом, чтобы пары конденсировались, превращались в флегму, которая непрерывно возвращается в перегонный аппарат. При этом происходит большее насыщение дистиллята лёгкими компонентами, то есть происходит более высокое разделение первоначального продукта.
Заострим наше внимание на простой дистилляции и по мере освоения различных технологий применяя дополнительное оборудование, будем пробовать усложнять процессы получения высококачественного продукта. В дальнейшем выберем материал для изготовления дистиллятора и рассчитаем создадим наш первый перегонный куб. Всё только начинается.
Дистилляция воды
Технология дистилляции известна человечеству с глубокой древности. Первые примитивные попытки описаны еще в работах греческих алхимиков I столетия. Упоминает о ней и знаменитый средневековый ученый Авиценна, который использовал дистилляцию для получения целебных эфирных масел. За последние сотни лет наука сделала впечатляющий прорыв, и сегодня процесс дистилляции воды широко используется в химии и разных отраслях промышленности.
Краткое описание и суть метода
Дистилляция воды – перегонка жидкости, включающая процесс испарения с последующим охлаждением, в результате которого пары конденсируются и выпадают в виде капель. В качестве простого и наглядного примера можно привести закипание чайника, в процессе которого вода превращается в пар и затем вновь оседает в жидком виде на остывшую поверхность. При таком испарении жидкость отделяется от нелетучих твердых веществ (посторонних частиц, солей, микроорганизмов), и это делает дистилляцию воды эффективным способом ее очистки от примесей.
В результате выпаривания получают дистиллированную воду (или так называемый аква-дистиллят), обладающую определенными свойствами. Такая жидкость примерно на 99,5% очищена от примесей, в том числе минеральных солей, микроорганизмов, органических включений. При этом она хорошо растворяет любые вещества, не вступая с ними в реакцию и не влияя на их свойства.
Несмотря на то, что дистиллированная вода фактически пригодна для питья, ее не рекомендуют употреблять на протяжении длительного времени. Учитывая то, что такая жидкость практически стерильна, она не содержит жизненно важных для человеческого организма химических элементов. Кроме того, полностью очищенная питьевая вода обладает не самым приятным вкусом.
Применение технологии дистилляции в промышленных целях
Дистилляция используется как в разных отраслях промышленности, так и в лабораторной практике. Перечислим лишь некоторые производственные и технологические процессы, в которых ее задействуют.
Как уже было сказано выше, такой метод может использоваться также для водоочистки. Несмотря на то, что очистка воды дистилляцией не получила широкого применения (преимущественно по причине достаточно дорогого и трудоемкого процесса), она позволяет эффективно отделять жидкость от большинства взвесей, загрязнений, химических микроэлементов.
Что представляет собой промышленный дистиллятор
Аппарат для промышленного получения дистиллированных жидкостей классическим способом – это установка, в конструкцию которой входят большой перегонный куб для нагрева, а также охлаждающая система. В качестве последней используют емкость определенного объема, наполненную холодной водой, в которую помещается спиральный трубопровод из стекла. Независимо от производительности, такое оборудование обычно имеет достаточно крупные габариты и требует практически непрерывного контроля со стороны обслуживающего оператора.
Распространенные промышленные технологии
Классический метод выпаривания (простой или многократной перегонки) – далеко не единственный. В настоящее время существуют различные способы дистилляции воды.
Заключение
Итак, дистилляция воды – это по-настоящему универсальный процесс, который получил применение в самых разных областях, от лабораторных исследований, производства медикаментов и пищевой продукции до опреснения и нефтепромышленности. Многообразие доступных методов позволяет подобрать оптимальную технологию, в зависимости от поставленных целей и бюджета.
Суть дистилляции и ее применение
Процесс, когда начинают испаряться пары или летучие компоненты из подготовленной и успевшей перебродить смеси, а затем конденсируются, преобразуясь в спирт или самогон, называется дистилляцией или как говорят в народе «перегонкой». Очень важно соблюсти технологию, чтобы сделать правильным процесс дистилляции. Нюансы этой операции мы рассмотрим ниже.
Дистилляция спирта, в чем особенности процесса?
Такой процесс, как дистилляция спирта является несложным, во время перегонки вода имеет плюсовую температуру в 100 С, а спирт – 78С. Спирт испаряется достаточно быстро между этими температурами, если сравнивать с водой. А когда спирт охлаждается – он конденсируется. Вот почему перегонять конденсат можно несколько раз – это увеличивает содержание спирта.
Именно первые 100 грамм самогона, которые получены, таким образом, имеют не только самый высокий процент крепости, но и вредных примесей – эфиров, летучих кислот, альдегидов. Вот почему эти первые капли не пригодны к употреблению и называются они «головой», и ее необходимо отсекать от хорошего дистиллята.
Также непригодными к употреблению будет и та часть спирта, которая называется «хвосты» имеет в своем содержании такие вреднее компоненты, как метанол и сивушные масла. Отличительная черта – неприятный запах. Употреблять такую жидкость нельзя, и появляется она тогда, когда крепость алкоголя становится ниже 40С. Эта, хвостовая часть используются при вторичной перегонки. А вот «головы» для этого процесса непригодны, и их используют только в технических целях.
Дистилляция спирта, виды и нюансы
Перегонка бывает нескольких видов и имеет свои некоторые отличия. Простой перегонкой называется способ, когда не происходит разделение на основную самогонную массу, «голову» и «хвосты». Такая бражная смесь (не испарённая до конца) называют кубовым остатком либо бардой.
Фракционной дистилляцией считается такая, когда происходит деление дистиллята на части (фракции), когда для употребления остаётся только «сердце» смеси. Такой спирт имеет высокую крепость, от 50 до 70С, а степень очистки – очень высокая.
Процесс дистилляции также можно разделить на паровую, вакуумную и двойную перегонку. Для использования парового способа необходим парогенератор. Этот агрегат совместно с многоступенчатой дистилляцией в итоге выпускают продукт высочайшего качества. Единственным минусом, и то только для домашнего использования, можно назвать то, что установка парогенератора требует много места.
Вакуумная дистилляция применяется в основном в промышленности, как в нефтяной, так и в химической. Двойная перегонка, как бы включает в себя и паровую и вакуумную дистилляцию. Если осуществляется только простая перегонка продукта, тогда необходим вторичный процесс. Чем больше будет перегонок, тем выше градус будет у спирта. С каждым последующим перегоном чистота конечного продукта будет всё время увеличиваться, соответственно и градусы будут достигать промышленных значений. Таким образом, при многократной дистилляции можно получить 96-процентное содержание спирта в самогоне.
Процесс дистилляция, примеры разделения смесей или где еще используется такой процесс?
Но, стоит отметить, что дистилляция применяется не только, чтобы получить спирт или самогон. Такой процесс используется и в лабораториях, и в промышленности – он помогает разделять и рафинировать различные сложные вещества. В этом сегменте тоже находит применение такой процесс как дистилляция, примеры разделения смесей при дистилляции могут быть такими:
Следует ещё понимать, что после того, как произойдет дистилляция вещества, речь конечно же об этиловом спирте, употреблять продукт еще преждевременно. Поскольку самогон требует очищения, а спирт следует разбавлять, но все будет зависеть от поставленных целей. И именно с помощью дистилляции получается ароматный дистиллят, в котором чувствуются нотки использованного сырья.