II.Вторую группу составляют факторы, хотя и зависящие от конструкции колонки, но в некоторой степени зависящие и от режима работы, a) пропускная способность, б) задержка колонки в) перепад давлений.
III. К третьей группе относятся факторы, которые можно менять произвольно в процессе работы - флегмовое число.
Вопрос 30: Отгонка раствора
Процесс обратный адсорбции.
Вопрос 31: Какой закон лежит в основе дистилляционных методов разделения.
В
теории дистилляции в первую очередь
рассматривается разделение смесей двух
веществ. Принцип дистилляции основан
на том, что концентрация
некоторого
компонента в жидкости отличается от
его концентрации
в паре этой жидкости. Отношение
=
является характеристикой процесса и
называется коэффициентом разделения
(или распределения) при дистилляции.
(Также коэффициентом разделения при
дистилляции называют величину α=1/β).
Коэффициент разделения зависит от
природы разделяемых компонентов и
условий дистилляции. В зависимости от
условий дистилляции различают идеальный
(определяемый только парциальными
давлениями паро́в чистых компонентов),
равновесный
(когда число частиц, покидающих в единицу
времени жидкость, равно числу частиц,
возвращающихся в это же время в жидкость)
и эффективный
коэффициенты разделения. Практически
дистилляция веществ сильно зависит от
интенсивности перемешивания жидкости,
а также от взаимодействия примесей с
основным компонентом и с другими
примесными компонентами с образованием
соединений (в связи с чем дистилляция
считается физико-химическим процессом).
Эффективный коэффициент разделения
смеси «основное вещество — примесь»
может на несколько порядков отличаться
от идеального коэффициента разделения.
Режимы
дистилляции характеризуются температурой
испарения и степенью отклонения от
фазового равновесия жидкость-пар. Обычно
в дистилляционном процессе n=
+
,
где n — число частиц вещества, переходящих
в единицу времени из жидкости в пар,
— число частиц, возвращающихся в это
же время из пара в жидкость,
— число частиц, переходящих в это время
в конденсат. Отношение
/n
является показателем отклонения процесса
от равновесного. Предельными являются
режимы, в которых
=0
(равновесное состояние системы
жидкость-пар) и
=n
(режим молекулярной дистилляции).
Идеальный
коэффициент разделения двухкомпонентного
вещества может быть выражен через
давления
и
чистых компонентов при температуре
процесса:
=
.
С учётом коэффициентов активности
компонентов
и
,
отражающих взаимодействие компонентов
в жидкости, равновесный коэффициент
.
Коэффициенты активности имеют
температурную и концентрационную
зависимости (см. активность (химия)). С
понижением температуры значение
коэффициента разделения обычно удаляется
от единицы, то есть эффективность
разделения при этом увеличивается.
При
=n
все испаряющиеся частицы переходят в
конденсат (режим молекулярной дистилляции).
В этом режиме коэффициент разделения
,
где
и
— молекулярные массы первого и второго
компонентов соответственно. Определение
молекулярного режима дистилляции
возможно по величине N=h/(Kλ), где h —
расстояние от испарителя до конденсатора,
λ — длина свободного пробега молекул
дистиллируемого вещества, K — константа,
зависящая от конструкции аппарата. При
N<0,25 наблюдается молекулярное испарение,
при N>4 между жидкостью и паром
устанавливается динамическое равновесие,
а при других значениях N испарение имеет
промежуточный характер. Режим молекулярной
дистилляции может применяться в различных
дистилляционных способах, включая
ректификацию. Обычно молекулярная
дистилляция осуществляется в вакууме
при низком давлении пара и при близком
расположении поверхности конденсации
к поверхности испарения (что исключает
столкновение частиц пара друг с другом
и с частицами атмосферы). В режиме,
близком к молекулярной дистилляции,
проводится дистилляция металлов. В
связи с тем, что коэффициент разделения
при молекулярной дистилляции зависит
не только от парциальных давлений
компонентов, но и от их молекулярных
(или атомных) масс, молекулярная
дистилляция может применяться для
разделения смесей, для которых β=1, —
азеотропных смесей, включая смеси
изотопов.
Для
различных режимов дистилляции выведены
уравнения, связывающие содержание
второго компонента в конденсате
и в остатке
с долей перегонки
или с долей остатка
при заданных условиях процесса и
известной начальной концентрации
жидкости (
,
и
— масса конденсата и остатка, а также
начальная масса дистиллируемого вещества
соответственно). Расчёты проводятся в
предположении идеального перемешивания
дистиллируемой жидкости, а также жидкого
конденсата. Также выведены уравнения
распределения компонентов в твёрдом
конденсате, получаемого дистилляцией
с направленным затвердеванием конденсата
или зонной дистилляцией. Параметром
этих уравнений является коэффициент
разделения β для заданных условий
дистилляции.
При дистилляции вещества с большой концентрацией компонентов с конденсацией пара в жидкость при несильной зависимости коэффициентов активности компонентов от их концентраций взаимосвязь величин , и , когда используются концентрации в процентах, имеет вид:
.
Для дистилляции с конденсацией пара в жидкость при малом содержании примеси
,
=
,
где β — отношение концентраций примеси в паре и в жидкости.
Приведённые дистилляционные уравнения описывают не только процессы равновесия компонентов в системах газ-жидкость, но и при описании распределения компонентов двух контактирующих фаз при интенсивном перемешивании (например, переходы жидкий кристалл-кристалл, жидкий кристалл-жидкость, газ-плазма, а также в переходах, связанных с квантово-механическими состояниями — сверхтекучая жидкость, конденсат Бозе — Эйнштейна) — при подстановке в них соответствующих коэффициентов разделения. Зачастую они пригодны для теоретического описания сублимации
Дистилляция
с конденсацией пара в градиенте
температуры — дистилляционный процесс,
в котором конденсация в твёрдую фазу
осуществляется на поверхности, имеющей
градиент температуры, с многократным
реиспарением частиц пара. Менее летучие
компоненты осаждаются при более высоких
температурах. В результате в конденсате
возникает распределение примесей вдоль
температурного градиента, и наиболее
чистая часть конденсата может быть
выделена в качестве продукта. Разделение
компонентов пара при реиспарении
подчиняется собственным закономерностям.
Так, при молекулярной дистилляции
соотношение между количествами
и
осаждённых в конденсаторе первого и
второго компонентов, соответственно,
выражается равенством:
,
где
и
— скорости испарения первого компонента
из расплава и с поверхности реиспарения
соответственно,
и
— то же для второго компонента,
и
— коэффициенты конденсации первого и
второго компонентов соответственно, μ
— коэффициент, зависящий от поверхности
испарения и углов испарения и реиспарения.
Реиспарение повышает эффективность
очистки от трудноудаляемых малолетучих
примесей в 2—5 раз, а от легколетучих —
на порядок и более (по сравнению с простой
перегонкой). Этот вид дистилляции нашёл
применение в промышленном производстве
высокочистого бериллия.
Дистилляция с направленным затвердеванием конденсата (дистилляция с вытягиванием дистиллята) — дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c полным расплавлением дистиллируемого вещества и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере вытягивания конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.
В получаемом конденсате возникает неравномерное распределение примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс является дистилляционным аналогом нормальной направленной кристаллизации. Распределение примеси в конденсате описывается уравнением:
,
где С — концентрация примеси в дистилляте на расстоянии х от начала, L — высота конденсата при полностью испарившемся дистиллируемом материале.
Зонная дистилляция — дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c частичным расплавлением рафинируемого вещества в перемещаемой жидкой зоне и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере выхода конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.
При движении зонного нагревателя вдоль контейнера сверху вниз в контейнере формируется твёрдый конденсат с неравномерным распределением примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс может быть повторён многократно, для чего конденсат, полученный в предыдущем процессе, должен быть перемещён (без переворота) в нижнюю часть контейнера на место рафинируемого вещества. Неравномерность распределения примесей в конденсате (то есть эффективность очистки) растёт с увеличением числа повторений процесса.
Зонная дистилляция является дистилляционным аналогом зонной перекристаллизации. Распределение примесей в конденсате описывается известными уравнениями зонной перекристаллизации с заданным числом проходов зоны — при замене коэффициента распределения k для кристаллизации на коэффициент разделения α для дистилляции. Так, после одного прохода зоны
,
где С — концентрация примеси в конденсате на расстоянии х от начала конденсата, λдлина жидкой зоны.