분수 증류

Fractional distillation

부분 증류는 혼합물을 성분 부분 또는 분수로 분리하는 것입니다.화합물은 혼합물의 하나 또는 여러 부분이 증발하는 온도로 가열함으로써 분리된다.증류법을 사용하여 분류합니다.일반적으로 구성 요소 부품의 비등점은 한 기압에서 서로 25°C(45°F) 미만으로 차이가 납니다.끓는점의 차이가 25 °C 이상이면 보통 간단한 증류를 사용한다.그것은 원유를 정제하는 데 사용된다.

실험실 설치

실험실에서의 부분 증류에는 일반적으로 분젠 버너, 둥근 바닥 플라스크 및 응축기, 단일 목적 분화 컬럼을 포함한 일반적인 실험실 유리 기구와 장치가 사용됩니다.

분수 증류

예를 들어 물과 에탄올 혼합물의 증류를 고려합니다.에탄올은 78.4°C(173.1°F)에서 끓고 물은 100°C(212°F)에서 끓습니다.따라서 혼합물을 가열함으로써 가장 휘발성이 높은 성분(에탄올)이 액체를 빠져나가는 증기에 더 많이 농축됩니다.일부 혼합물은 공황체(azeotrope)를 형성하며, 혼합물은 어느 성분보다 낮은 온도에서 끓는다.이 예에서 96% 에탄올과 4% 물의 혼합물은 78.2°C(172.8°F)에서 끓습니다. 혼합물은 순수한 에탄올보다 휘발성이 높습니다.이 때문에 에탄올-물 혼합물의 직접 분별 증류로는 에탄올을 완전히 정제할 수 없다.

기기는 그림과 같이 조립되어 있습니다.(그림은 연속 장치가 아닌 배치 장치를 나타냅니다.)혼합물은 몇 개의 방범 과립(또는 자기 교반을 사용하는 경우 테프론 코팅된 자기 교반 바)과 함께 둥근 바닥 플라스크에 넣어지고 분류 칼럼이 상단에 장착됩니다.부분 증류 컬럼은 열원과 함께 스틸 포트 하단에 설치됩니다.스틸 포트와의 거리가 커짐에 따라 기둥에 온도 구배가 형성되며, 맨 위가 가장 차갑고 맨 아래가 가장 뜨겁습니다.혼합 증기가 온도 구배를 오르면 일부 증기가 응축되어 온도 구배를 따라 증발합니다.증기가 응축되어 기화될 때마다 증기의 휘발성 성분이 증가합니다.이것은 기둥의 길이를 따라 증기를 증류시키고, 결국 증기는 휘발성이 더 높은 성분(또는 공기로프)으로만 구성됩니다.증기는 트레이라고 알려진 유리 플랫폼 위에서 응축되어 아래 액체로 흘러 내려가 증류액을 역류시킵니다.열량과 분리에 필요한 시간 측면에서 효율은 양털, 알루미늄 호일 또는 가급적 진공 재킷과 같은 절연체로 기둥의 외부를 단열함으로써 개선할 수 있습니다.가장 뜨거운 쟁반은 맨 아래에 있고 가장 차가운 쟁반은 맨 위에 있다.정상 상태 조건에서는 각 트레이의 증기와 액체가 평형 상태에 있습니다.혼합물의 가장 휘발성이 높은 성분은 기둥의 맨 위에 있는 기체로 배출됩니다.기둥의 꼭대기에 있는 증기는 응축기로 들어가 액상화될 때까지 응축기를 냉각시킵니다.더 많은 트레이를 추가하면 분리가 더 순수해집니다(열, 흐름 등의 실질적인 제한).처음에는 응축수가 공생성 조성에 가깝지만, 에탄올이 많이 제거되면 응축수는 점차 [citation needed]물로 풍부해집니다.그 과정은 모든 에탄올이 혼합물에서 끓어오를 때까지 계속된다.이 점은 온도계에 나타난 급격한 온도 상승으로 알 수 있습니다.

위의 설명은 분류가 작동하는 이론적인 방식을 반영한다.일반 실험실 분류 컬럼은 직경 4~7mm(0.16~0.28인치)의 작은 유리 나선형 패킹으로 채워진 단순한 유리 튜브(진공재킷으로 종종 내부 은도금)입니다.이러한 컬럼은 알려진 혼합물 시스템을 증류하여 이론적인 트레이의 수로 컬럼을 정량화함으로써 보정할 수 있습니다.분류를 개선하기 위해 장치는 일종의 환류 스플리터(환류 와이어, 가고, 자기 흔들림 버킷 등)를 사용하여 응축수를 칼럼으로 되돌리도록 설정됩니다. 전형적인 신중한 분류는 약 4:1의 환류비(4부분이 응축수를 1부분 이륙)를 사용합니다.

실험실 증류에서는 일반적으로 여러 유형의 응축기가 발견됩니다.Liebig 콘덴서는 워터 재킷 내의 단순한 튜브이며, 가장 단순한(상대적으로 저렴한) 콘덴서 형태입니다.Graham 콘덴서는 워터 재킷 내의 나선형 튜브이며, Alyn 콘덴서는 내부 튜브에 크고 작은 일련의 협착이 있어 각각 증기 성분이 응축될 수 있는 표면적을 증가시킵니다.

대체 장치에서는 멀티 아웃렛 증류 리시버 플라스크("소" 또는 "돼지"라고 함)를 사용하여 3개 또는 4개의 수용 플라스크를 콘덴서에 연결할 수 있습니다.소 또는 돼지를 회전시킴으로써 증류액을 임의의 선택된 리시버로 채널링할 수 있다.증류 과정에서 리시버를 분리 및 교체할 필요가 없기 때문에 이러한 유형의 장치는 공기에 민감한 화학 약품을 위해 불활성 분위기 하에서 증류하거나 압력을 줄일 때 유용합니다.Perkin 삼각형은 수신기를 시스템의 나머지 부분으로부터 분리할 수 있지만, 각 부분마다 하나의 수신기를 분리하여 다시 연결해야 하기 때문에 이러한 상황에서 자주 사용되는 대체 장치입니다.

진공 증류 시스템은 감소된 압력으로 작동하므로 재료의 비등점이 낮아집니다.그러나 압력이 감소하면 방충 과립이 효과가 없어집니다.

공업용 증류

전형적인 산업용 분획 증류탑

부분 증류는 석유 정제, 석유 화학 및 화학 공장, 천연 가스 처리 및 극저온 공기 분리 [1][2]공장에서 사용되는 가장 일반적인 분리 기술입니다.대부분의 경우 증류는 연속적인 정상 상태에서 동작한다.증류탑에는 항상 새로운 피드가 추가되고 제품들은 항상 제거된다.공급, 열, 주변 온도, 응축 등의 변화로 인해 공정이 방해받지 않는 한, 첨가되는 공급량과 제거되는 제품의 양은 일반적으로 동일합니다.이것은 연속적인 정상 상태 분수 증류라고 알려져 있습니다.

산업용 증류는 일반적으로 직경이 약 0.65~6m(2~20ft)이고 높이가 약 6~60m(20~197ft) 이상인 "증류탑" 또는 "증류탑"으로 알려진 대형 수직 원통형 기둥에서 수행됩니다.증류탑에는 다양한 분율 또는 끓는점이나 끓는 범위가 다른 제품을 추출할 수 있는 액체 배출구가 기둥 위로 일정 간격으로 있습니다.칼럼 내부의 제품 온도를 높임으로써 다른 제품을 분리한다."가장 가벼운" 제품(비등점이 가장 낮은 제품)은 열 상단에서 나오고 "가장 무거운" 제품(비등점이 가장 높은 제품)은 열 하단에서 나옵니다.

예를 들어, 정유 공장에서는 원유를 다른 끓는점의 탄화수소를 가진 유용한 물질(또는 부분)로 분리하기 위해 부분 증류를 사용합니다.비등점이 높은 원유 분율:

전형적인 산업용 증류탑의 도표

대규모 산업용 타워는 [3]환류를 사용하여 제품의 완전한 분리를 실현합니다.환류란 전형적인 대규모 산업용 증류탑의 도식도와 같이 증류탑 또는 분화탑에서 응축된 가공액 생성물이 주탑 상부로 되돌아오는 부분을 말한다.타워 내부는 아래쪽으로 흐르는 환류액이 위쪽으로 흐르는 증기를 응축하는 데 필요한 냉각을 제공하여 증류탑의 효과를 높인다.주어진 수의 이론적인 판에 더 많은 환류가 제공될수록, 낮은 비등 재료와 높은 비등 재료를 더 잘 분리할 수 있습니다.또는 원하는 분리에 더 많은 환류가 제공될수록 필요한 이론 플레이트는 줄어듭니다.

원유를 분쇄 증류에 의해 분쇄한다.분류 열의 맨 위에 있는 분수는 맨 아래에 있는 분수에 비해 끓는점이 낮습니다.모든 분수는 다른 정제 단위에서 추가로 처리됩니다.

액체 산소, 액체 질소 및 고농도 아르곤을 생성하는 부분 증류도 공기 분리에도 사용됩니다.클로로실란의 증류도 반도체로 사용할 수 있는 고순도 실리콘의 생산을 가능하게 한다.

산업용도에서는 특히 진공상태에서 작동할 때처럼 기둥 전체에 걸쳐 저압 강하가 필요한 경우 트레이 대신 기둥에 패킹 재료를 사용하는 경우가 있습니다.이 포장재는 Raschig 링이나 구조화된 판금 등의 랜덤 덤프 포장(1~3인치(25~76mm))일 수 있습니다.대표적인 제조사는 Koch, Sulzer 등입니다.액체는 패킹의 표면을 적시는 경향이 있으며 증기는 이 젖은 표면을 통과하여 질량 전달이 이루어집니다.모든 트레이가 증기 액체 평형의 별도 지점을 나타내는 기존의 트레이 증류와 달리 충전 컬럼 내의 기액 평형 곡선은 연속적이다.그러나 충전된 기둥을 모델링할 때 여러 개의 "이론 플레이트"를 계산하여 보다 전통적인 트레이에 대한 충전된 기둥의 분리 효율을 나타내는 것이 유용합니다.다른 형태의 패킹은 표면적과 다공성이 다릅니다.이 두 요인 모두 포장 성능에 영향을 미칩니다.

산업용 증류탑 설계

증류탑 내 일반적인 버블캡 트레이의 화학공학적 도식

증류탑의 설계와 작동은 사료와 원하는 제품에 따라 달라집니다.McCabe와 같은 단순하고 2진수 구성 요소 피드, 분석 방법 -틸법[2][4][5] 또는 펜스케[2] 방정식을 사용할 수 있습니다.멀티 컴포넌트 피드의 경우 시뮬레이션 모델은 설계와 운용에 모두 사용됩니다.

또한 증류탑에 사용되는 기액 접촉 장치(플레이트 또는 트레이라고 함)의 효율은 이론적으로 100% 효율적인 평형 단계보다 일반적으로 낮다.따라서 증류탑은 이론적인 기액 평형 단계 수보다 더 많은 플레이트를 필요로 한다.

환류란 압축된 오버헤드 제품 중 타워로 반환되는 부분을 말합니다.아래로 흐르는 환류는 위로 흐르는 증기를 응축하는 데 필요한 냉각을 제공합니다.간접 생성물에 대한 (내부) 환류 비율인 환류 비율은 반대로 증류 생성물의 효율적인 분리에 필요한 이론적인 단계 수와 관련이 있습니다.부분 증류탑 또는 기둥은 필요한 분리를 효율적으로 달성하도록 설계되어 있습니다.구분 열의 설계는 일반적으로 공정 설계와 기계 설계, 두 단계로 이루어집니다.공정 설계의 목적은 환류비, 열 환류 및 기타 열 작업을 포함하여 필요한 이론적 단계와 흐름의 수를 계산하는 것입니다.반면 기계설계의 목적은 주탑 내부, 기둥 직경 및 높이를 선택하는 것입니다.대부분의 경우 분류탑의 기계적 설계는 간단하지 않다.주탑 내부를 효율적으로 선택하고 기둥 높이와 직경을 정확하게 계산하기 위해서는 많은 요소를 고려해야 한다.설계 계산에 관련된 요인으로는 사료 하중 크기 및 특성, 사용된 증류 컬럼 유형이 있습니다.

사용되는 증류 기둥의 두 가지 주요 유형은 트레이 기둥과 패킹 기둥입니다.패킹 칼럼은 일반적으로 부식성이 있거나 온도에 민감한 작은 타워 및 부하 또는 압력 강하가 중요한 진공 서비스에 사용됩니다.반면 트레이 기둥은 액체 부하가 높은 큰 기둥에 사용됩니다.그들은 1820년대에 현장에 처음 나타났다.대부분의 정유 공장에서 트레이 기둥은 정유 공정의 여러 단계에서 석유 분율을 분리하는 데 주로 사용됩니다.

정유업계에서는 아직도 분화탑의 설계와 운용이 대부분 실증적으로 이루어지고 있다.석유 분류 컬럼의 설계에 관련된 계산에서는 통상적으로 계산 가능한 차트, 표 및 복잡한 경험 방정식을 사용해야 한다.그러나 최근에는 부분 증류를 [6]위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 컴퓨터 지원 설계 절차를 개발하기 위해 상당한 양의 작업이 수행되었습니다.

역사

예를 들어 크레모나의 제라드 (c.1114–1187)가 셉타구라는 제목으로 [7]라틴어로 번역한 키타브 알사빈 ('70의 서')에서와 같이, 유기 물질의 부분 증류는 이슬람 연금술사 자비르 이븐 헤이얀의 9세기 작품에서 중요한 역할을 했다.동물과 식물 물질의 부분 증류, 그리고 미네랄 물질의 낮은 정도에 대한 자비르 실험은 아르테 알키미아에 있는 데 아니마의 주요 주제를 형성했습니다, 원래 아랍어로 잘못 번역된 아비세나에 기인하고 계속해서 가장 중요한 알케나에게 화학적인 원천을 형성할 것입니다.로저 c.베이컨 (1220–1292).[8]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (1st ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
  2. ^ a b c Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
  3. ^ "Reflux drum". Alutal. Retrieved 2020-09-18.
  4. ^ Beychok, Milton (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.
  5. ^ Seader, J. D.; Henley, Ernest J. (1998). Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.
  6. ^ Ibrahim, Hassan Al-Haj (2014). "Chapter 5". In Bennett, Kelly (ed.). Matlab: Applications for the Practical Engineer. Sciyo. pp. 139–171. ISBN 978-953-51-1719-3.
  7. ^ 크라우스, 폴(1942–1943).Jâbir 이븐 Hayyân:기여 분석 아 l'histoire 데 idées scientifiques dans l'Islam.나 르 황체(écrits jâbiriens.II. Jâbir 것은 라 과학 그레크.카이로:승인하는 프랑세 d'Archéologie Orientale.아이 에스비엔 9783487091150.온라인 컴퓨터 도서관 센터 468740510.Vol.II. 라틴어 번역의 제라드 크레모나의 귀인에, 버넷, 찰스(2001년)를 참조하십시오 5p.."그 Arabic-Latin 번역 프로그램의 톨레도의 열두번째세기의 일관성이".조직에 수학이다. 14(1–2):249–288. doi:10.1017/S0269889701000096.S2CID 143006568. 우편 280, Moureau, 세바스 티앵(2020년)."민al-kīmiyāʾ 광고 alchimiam.그 전송 연금술의 Arab-Muslim 월드의 라틴어는 서양이 중학교 Ages"에서Micrologus.28:87–141. hdl:2078.1/211340.를 대신하여 서명함. 106,111.
  8. ^ Newman, William R. (2000). "Alchemy, Assaying, and Experiment". In Holmes, Frederic L.; Levere, Trevor H. (eds.). Instruments and Experimentation in the History of Chemistry. Cambridge: MIT Press. pp. 35–54. ISBN 9780262082822. 페이지 44.