Способы разделения смесей
Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.
| Способы разделения смесей | |
|---|---|
| неоднородных (гетерогенных) | однородных (гомогенных) |
| — Отстаивание — Фильтрование — Действие магнитом — Центрифугирование | — Выпаривание. Кристаллизация. — Дистилляция (перегонка) |
Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.
Отстаивание
Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.
Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.
Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):
На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.
Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:
Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.
Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):
Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).
Центрифугирование
Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.
Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.
Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.
С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.
Фильтрование
Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.
Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.
Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:
При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.
Действие магнитом
С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.
Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:
Выпаривание. Кристаллизация
Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.
Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:
Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.
Дистилляция (перегонка)
Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.
Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:
Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.
Источник
ОСОБЕННОСТИ ДИСТИЛЛЯЦИИ СМЕСЕЙ
В переводе с латинского термин «дистилляция» — это способ разделения однородных жидких смесей на отдельные фракции. Процесс осуществляется за счет разницы температур кипения разделяемых компонентов.
В лабораторной практике применение и условия дистилляции отдельных продуктов имеют жесткие стандарты — такие, как, например, ГОСТ 2177(ASTM D86) — разделение 100 мл продукта с температурой кипения до 400 о С под воздействием атмосферного давления. Этот стандарт делает возможной воспроизводимость результатов тестов керосина, нефтепродуктов и всевозможных растворителей.
Сфера применения дистилляции смесей
Разделение смесей на фракции методом дистилляции применяется во многих промышленных отраслях:
- Металлургия . В этой сфере способ примечателен тем, что объединяет в себе одновременно и химический, и физический процессы — окислительно-восстановительную реакцию и испарение с последующим выпадением конденсата соответственно. Восстанавливаемый металл переходит в парообразное агрегатное состояние и конденсируется. Восстановление металла производится двумя способами: металлотермическим и с участием углеродистых восстановителей.
- В лесной, химической и фармацевтической отраслях промышленности метод дистилляции применяется в одинаковых целях — грубое разделение однородных смесей на фракции. Жесткие требования к чистоте получаемых продуктов отсутствуют, как и к отсутствию в них нелетучих и/или малолетучих примесей.
- Нефтеперерабатывающая промышленность и лабораторная практика . В этих сферах дистилляция часто применяется с последующей дефлегмацией — частичной конденсации фракций с высокой температурой кипения при охлаждении.
- В нефтехимической и парфюмерной отраслях используют дистилляцию с водяным паром. Такой способ позволяет отделить высококипящие компоненты от смесей с высоким содержанием твердых и/или малолетучих жидких веществ.
- В алкогольной промышленности посредством одно- и многократной перегонки получают сырье для изготовления крепких напитков. В быту таким образом изготавливают самогон.
Однако у большинства термин «дистилляция» ассоциируется с глубоким очищением воды.
Дистиллированная вода применяется повсеместно в большинстве промышленных отраслей, научно-исследовательских лабораториях и медицинских учреждениях.
В быту дистилляция не нашла применения. Дистиллированная вода практически лишена полезных веществ и имеет низкие вкусовые качества.
Виды дистилляции смесей
В зависимости от характера разделяемых смесей и особенностей проведения процедуры различается пять видов дистилляции:
- Простая дистилляция — умеренное испарение кипящей смеси, сопровождающееся тщательным отводом образующихся паров с последующей их конденсацией. Поскольку последние характеризуются большим содержанием низкокипящих компонентов по сравнению жидкостью, то дистиллят (коим и является выпавший конденсат) обогащается ими, а кубовый остаток (жидкая неиспарившаяся смесь), напротив, обедняется. Это довольно простой способ дистилляции , и чтобы ускорить процесс ее проведения, процедуру делают полу непрерывной, регулярно доливая в дистилляционный куб свежую исходную смесь. Масса последней идентична массе уходящих паров.
- Фракционная дистилляция (дробная перегонка) — разновидность простой дистилляции. При ней конденсируемые компоненты (фракции), отличающиеся по составу, отводятся в разные конденсатосборники. В первый сборник поступает фракция с максимальным количеством низкокипящих элементов. Во второй — с меньшим содержанием, и далее — по убывающей. В каждой из фракций превалирует один или несколько элементов исходной жидкой смеси с небольшой разницей температур кипения.
- Равновесная дистилляция заключается в однократном испарении небольшой части кипящей жидкой смеси. Причем пары контактируют с исходной смесью до достижения фазового равновесия.
Технология примечательна сложностью конструкции используемого оборудования. Исходная смесь идет по трубкам, закипает под воздействием топочных газов и направляется в сепаратор, в котором происходит разделение на пар и жидкость. Последняя отводится в отдельный сборник. Пар поступает в конденсатосборник, где образуется дистиллят, который стекает в приемник.
Равновесная дистилляция — оптимальный вариант для разделения многокомпонентных однородных жидких смесей, поскольку позволяет получить много чистых и сильно различающихся по составу компонентов (фракций). Работать таким образом с двухкомпонентными смесями попросту нецелесообразно.
Дистилляция в токе водяного пара или инертных газов подразумевает возможность понижения температуры процесса отгонки, точного разделения фракций трех типов: нетермостойких, с высокой и низкой температурами испарения.
Пузырьки образующихся в процессе кипения жидкости паров и газов барботируют сквозь жидкостный слой. Получившаяся газообразная смесь выводится в специальный сборник, где конденсируется.
Молекулярная дистилляция . В ее процессе однородные жидкие смеси делятся путем свободного испарения в условиях высокого вакуума. Температура при этом не достигает точки кипения. Таким образом можно работать со смесями, имеющих в составе компоненты, характеризующиеся равным давлением паров.
Чтобы добиться максимально качественного разделения смесей простую дистилляцию в большинстве случаев используют в сочетании с противоточной дефлегмацией (частичной конденсацией). Такая технология позволяет обогатить дистиллят низкокипящими элементами.
Источник
Дистилляция. Справка
Дистилляция (от лат. distillatio – стекание каплями) – перегонка, разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Процесс основан на различии температур кипения компонентов смеси.
Процесс дистилляции был известен в Древнем Китае и Риме во втором тысячелетии до нашей эры и применялся главным образом для выделения душистых веществ из ароматических растений. Египтяне, постигнув тайны дистилляции вина, изобрели перегонный аппарат (аламбик), получивший впоследствии большое распространение у других народов.
Описание способа дистилляции и его использования в лечебных целях приводится в трудах персидского ученого Авиценны (930–1037).
В Древней Руси упоминание о постройке винокурни для получения «хлебного вина» водки относится к 1174 году.
Определенная роль в совершенствовании процесса дистилляции принадлежит алхимикам средневековья, но наибольшее развитие она получила в конце 19 – начале 20 веков в связи с внедрением в промышленности (спиртовой, нефтеперерабатывающей и др.) высокопроизводительных колонных аппаратов.
В зависимости от физических свойств компонентов разделяемых жидких смесей применяют различные способы дистилляции.
Простая дистилляция проводится частичным испарением кипящей жидкой смеси, непрерывным отводом и последующей конденсацией образовавшихся паров. Так как пары над кипящей жидкой смесью содержат низкокипящих компонентов больше, чем жидкость, то конденсат (называемый дистиллятом) обогащается, а неиспарившаяся жидкость (кубовый остаток) обедняется ими. При простой дистилляции содержание низкокипящих компонентов в паровой и жидкой фазах непрерывно падает. Поэтому состав дистиллята меняется во времени. Простая дистилляция – периодический процесс. Для ускорения процесса применяют полунепрерывную дистилляцию, при которой в дистилляционный куб непрерывно поступает исходная смесь, равная массе уходящих паров.
Фракционная дистилляция, называемая также дробной перегонкой, – одна из разновидностей простой дистилляции. Такую дистилляцию применяют для разделения смеси жидкостей на фракции, кипящие в узких интервалах температур. При этом дистилляты разных составов отводят (последовательно во времени) в несколько сборников. В каждом из этих дистиллятов (фракциях) преобладает один или несколько компонентов исходной смеси с близкими температурами кипения. Простую дистилляцию для улучшения разделения смесей часто комбинируют с противоточной дефлегмацией (частичная конденсация). При этом образующиеся в кубе пары частично конденсируются в дефлегматоре, конденсат (флегма) непрерывно возвращается в куб, а остаток паров после дефлегматора поступает в конденсатор, откуда дистиллят стекает в сборник. Этим способом достигается большее обогащение дистиллята низкокипящими компонентами, т.к. при дефлегмации паров преимущественно конденсируются высококипящие компоненты.
Равновесная дистилляция (однократное испарение) характеризуется испарением части жидкости и продолжительным контактом паров с неиспарившейся жидкостью до достижения фазового равновесия. Разделяемая смесь проходит по трубам, обогреваемым снаружи топочными газами. Образовавшаяся при этом парожидкостная смесь, близкая к равновесному состоянию, поступает в сепаратор для механического отделения жидкости от пара. Пары из сепаратора поступают в конденсатор, откуда дистиллят стекает в приемник, а оставшаяся в сепараторе жидкость отводится в сборник. В этом процессе соотношение между паром и жидкостью определяется материальным балансом и условиями фазового равновесия. Равновесная дистилляция редко применяется для двухкомпонентных смесей; хорошие результаты получают в основном в случае многокомпонентных смесей, из которых можно получить фракции, сильно различающиеся по составу.
Дистилляцию в токе водяного пара или инертных газов применяют, когда необходимо понизить температуру процесса отгонки, в случае разделения нетермостойких компонентов, а также для отгонки веществ с низкой температурой испарения от компонентов с высокой температурой испарения. Пузырьки водяного пара или инертного газа барботируют (продавливают) через слой жидкости. При дистилляции с водяным паром образовавшаяся смесь паров воды и летучего компонента отводится из аппарата и подвергается конденсации и охлаждению. Состав образующихся в кубе паров не зависит от состава жидкости, а температура кипения смеси всегда ниже температуры кипения каждого из компонентов при данном давлении. При дистилляции с инертным газом компоненты раствора испаряются в поток газа, даже если раствор не кипит, а парообразование при испарении может происходить при любых температурах, вне зависимости от внешнего давления, что позволяет вести процесс при низких температурах.
Молекулярная дистилляция основана на разделении жидких смесей свободным их испарением в высоком вакууме 133–13,3 мн/м2 (10–3–10–4 мм ртутного столба) при температуре ниже точки их кипения. Процесс проводят при взаимном расположении поверхностей испарения и конденсации на расстоянии, меньшем длины свободного пробега молекул перегоняемого вещества. Благодаря вакууму молекулы пара движутся от испаряющей поверхности к конденсирующей с минимальным числом столкновений. При молекулярной дистилляции изменение состава пара по сравнению с составом жидкости определяется различием скоростей испарения компонентов. Поэтому этим способом можно разделять смеси, компоненты которых обладают одинаковым давлением паров. При данной температуре жидкости и соответствующем ей давлении паров скорость молекулярной дистилляции растет с понижением давления в аппарате.
Для молекулярной дистилляции применяют аппараты с горизонтальными и вертикальными поверхностями испарения, а также получившие наибольшее промышленное применение центробежные аппараты. В последних процесс характеризуется наименьшими толщиной жидкой пленки (в среднем 0,05 мм) и временем ее пребывания на поверхности нагрева (0,03м–1,2 сек). В центробежных аппаратах на испаритель, представляющий собой быстровращающийся конус (иногда диск), подается разделяемая смесь. Центробежная сила перемещает жидкость от центра к периферии (вверх). Пары перегоняемого вещества собираются на неподвижном конденсаторе, расположенном параллельно поверхности испарителя, откуда дистиллят непрерывно отводится. Остаток после перегонки сбрасывается в кольцевой желоб и выводится из куба. Для увеличения эффекта разделения устанавливают несколько аппаратов последовательно.
Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки высокомолекулярных и термически нестойких органических веществ, например для очистки эфиров себациновой, стеариновой, олеиновой и других кислот, для выделения витаминов из рыбьего жира и различных растительных масел, при производстве медицинских препаратов, вакуумных масел и др.
В металлургии понятие дистилляции объединяет пирометаллургические процессы, основанные на переводе восстанавливаемого металла в парообразное состояние с последующей конденсацией. Металлургическая дистилляция – сочетание химического (окислительно-восстановительной реакции) и физического (испарения и конденсации) процессов. Восстановление проводят с использованием углеродистых восстановителей или металлотермическим способом. Возможно выделение свободного металла при окислительном обжиге сульфидных концентратов. Степень разделения при дистилляции определяется различием состава перегоняемой смеси и ее пара. Полнота перехода металла в газовую фазу при дистилляции определяется восстановлением металлов при температурах и давлениях, обеспечивающих получение восстановленного металла в парообразном агрегатном состоянии.
Дистилляция применяется также в химической, лесохимической, фармацевтической и других отраслях промышленности для грубого разделения смесей на фракции, когда не предъявляются высокие требования к чистоте получаемых продуктов, а также для очистки жидких смесей от нелетучих или малолетучих примесей.
Дистилляцию с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лабораторной практике, дистилляция с водяным паром – в химической, нефтехимической, парфюмерной и других отраслях промышленности для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значительные количества твердых или малолетучих жидких веществ. Также путем перегонки (однократной или многократной) на ликеро-водочных заводах получают полуфабрикат для множества алкогольных напитков: коньяка, рома, виски, а в домашних условиях – самогон.
В лабораторной практике условия дистилляции для некоторых видов продуктов стандартизованы. Наиболее известными являются ГОСТ 2177(ASTM D86) – перегонка 100 мл продукта с температурой кипения от комнатной до 400°С при атмосферном давлении. Это сделано для воспроизводимости результатов тестирования бензина, керосина, дизельного топлива, нефти, а также различных растворителей.
Дистилляция является давно известным и проверенным способом глубокой очистки воды.
Хорошо всем известный пример использования дистиллированной воды – заливка в аккумуляторы автомобиля. В быту же дистилляторы не нашли широкого применения.
И дело здесь совсем не в непригодности дистиллированной воды для питья. Вредность такой воды из-за отсутствия в ней «полезных» минеральных веществ – это, скорее, укоренившийся предрассудок. Дистиллированная вода действительно имеет невысокие вкусовые качества, часто ее вкус характеризуют как «затхлый». Однако с точки зрения влияния на здоровья нет никаких свидетельств того, что дистиллированная вода непригодна для питья.
Ограниченность же применения дистилляторов в быту объясняется следующими причинами:
Во-первых, бытовые дистилляторы имеют малую производительность (около одного литра в час).
Во-вторых, в бойлере дистиллятора постоянно образуются осадок, накипь и т.п., которые надо вычищать.
В-третьих, дистилляторы излучают тепло и в довольно значительных количествах.
В-четвертых, дистилляторы потребляют значительное количество электроэнергии, что для многих применений делает их использование менее рентабельным, чем обратный осмос (способ очистки воды, при котором вода, проходит через специальную полупроницаемую мембрану) или деминерализация на ионообменных смолах.
Источник
