Chưng cất là gì? Đây là quá trình chuyển đổi chất lỏng thành hơi, sau đó ngưng tụ lại thành dạng lỏng. Ví dụ đơn giản nhất là chưng cất nước, trong đó hơi nước từ ấm đun nước đọng lại thành những giọt nhỏ trên bề mặt lạnh.
Ứng dụng và lịch sử
Chưng cất được sử dụng để tách chất lỏng khỏi chất rắn không bay hơi, như trong chưng cất rượu mạnh từ vật liệu lên men, hoặc để tách hai hoặc nhiều chất lỏng có điểm sôi khác nhau, như trong sản xuất xăng, dầu hỏa và chất bôi trơn từ dầu mỏ. Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm xử lý các hóa chất như formaldehyde và phenol và khử mặn nước biển.
Quá trình chưng cất có lẽ đã được sử dụng bởi các nhà thí nghiệm cổ đại. Aristotle (384-322 TCN) đã đề cập rằng nước tinh khiết có thể thu được bằng cách làm bay hơi nước biển. Pliny the Elder (23-79 SCN) đã mô tả một phương pháp cô đặc nguyên thủy, trong đó dầu thu được bằng cách đốt nóng nhựa thông được thu thập trên len được đặt trên đầualembic.
Chưng cất đơn giản
Hầu hết các phương pháp chưng cất được sử dụng trong công nghiệp và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm là các biến thể của phương pháp chưng cất đơn giản. Công nghệ cơ bản này sử dụng một khối lập phương hoặc nồi chưng cất trong đó chất lỏng được làm nóng, một bình ngưng để làm mát hơi và một bình để thu lấy dịch chưng cất. Khi một hỗn hợp các chất được đun nóng, chất dễ bay hơi nhất hoặc chất có nhiệt độ sôi thấp nhất sẽ được chưng cất trước, sau đó các chất khác được chưng cất, hoặc hoàn toàn không được chưng cất. Một thiết bị đơn giản như vậy rất phù hợp để làm sạch chất lỏng có chứa các thành phần không bay hơi, và khá hiệu quả để tách các chất có nhiệt độ sôi khác nhau. Để sử dụng trong phòng thí nghiệm, các bộ phận của thiết bị thường được làm bằng thủy tinh và được kết nối bằng nút, ống cao su hoặc ống thủy tinh. Ở quy mô công nghiệp, thiết bị được làm bằng kim loại hoặc gốm.
Chưng cất phân đoạn
Một phương pháp được gọi là chưng cất phân đoạn, hoặc vi phân, được phát triển để lọc dầu vì chưng cất đơn giản để tách các chất lỏng có điểm sôi khác nhau một chút là không hiệu quả. Trong trường hợp này, hơi nhiều lần ngưng tụ và bay hơi trong một bình chứa thẳng đứng cách nhiệt. Một vai trò đặc biệt ở đây được thực hiện bởi tủ hấp khô, cột phân đoạn và thiết bị ngưng tụ, cho phép đưa một phần nước ngưng trở lại trạng thái tĩnh. Mục đích là để đạt được sự tiếp xúc chặt chẽ giữa các giai đoạn khác nhau tăng lên của hỗn hợp đểchỉ những phần dễ bay hơi nhất ở dạng hơi đến được bình nhận, và phần còn lại quay trở lại dưới dạng chất lỏng về phía khối lập phương. Việc làm sạch các thành phần dễ bay hơi do tiếp xúc giữa các dòng ngược như vậy được gọi là chỉnh lưu hoặc làm giàu.
Chắt lọc nhiều lần
Phương pháp này còn được gọi là bay hơi chớp nhiều giai đoạn. Đây là một loại chưng cất đơn giản khác. Ví dụ, nó được sử dụng để chưng cất nước trong các nhà máy khử muối thương mại lớn. Chuyển thể lỏng thành hơi không cần đun nóng. Nó chỉ đơn giản là chảy từ bình chứa có áp suất khí quyển cao sang bình chứa có áp suất thấp hơn. Điều này dẫn đến bay hơi nhanh, kèm theo hơi nước ngưng tụ thành chất lỏng.
Chưng cất chân không
Một biến thể của quá trình giảm áp suất sử dụng bơm chân không để tạo chân không. Phương pháp này, được gọi là "chưng cất chân không", đôi khi được sử dụng với các chất thường sôi ở nhiệt độ cao hoặc bị phân hủy khi đun sôi ở điều kiện bình thường.
Bơm chân không tạo ra áp suất trong cột, thấp hơn nhiều so với áp suất khí quyển. Ngoài chúng, bộ điều chỉnh chân không được sử dụng. Việc kiểm soát cẩn thận các thông số là rất quan trọng vì hiệu quả tách phụ thuộc vào sự khác biệt về độ bay hơi tương đối ở nhiệt độ và áp suất nhất định. Việc thay đổi cài đặt này có thể ảnh hưởng xấu đến tiến độ của quá trình.
Chưng cất chân không nổi tiếng trong các nhà máy lọc dầu. Các phương pháp chưng cất thông thường riêng biệthydrocacbon nhẹ và tạp chất từ hydrocacbon nặng. Sản phẩm còn lại được chưng cất chân không. Điều này làm cho nó có thể tách các hydrocacbon sôi cao như dầu và sáp ở nhiệt độ thấp. Phương pháp này cũng được sử dụng để tách các hóa chất hữu cơ nhạy cảm với nhiệt và thu hồi dung môi hữu cơ.
Chưng cất hơi nước là gì?
Chưng cất bằng hơi nước là một phương pháp chưng cất thay thế ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường. Nó được sử dụng khi chất chưng cất không thể trộn lẫn và không phản ứng hóa học với nước. Ví dụ về các nguyên liệu như vậy là axit béo và dầu đậu nành. Trong quá trình chưng cất, hơi nước được đưa vào chất lỏng, làm nóng nó và gây bay hơi.
Chưng cất trong một cột đóng gói
Mặc dù cột đóng gói thường được sử dụng để hấp thụ, chúng cũng được sử dụng để chưng cất hỗn hợp hơi-lỏng. Thiết kế này mang lại diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, giúp tăng hiệu quả của hệ thống. Một tên gọi khác của cấu trúc như vậy là cột chưng cất.
Nguyên lý hoạt động như sau. Hỗn hợp thô gồm các thành phần có độ bay hơi khác nhau được đưa vào tâm của cột. Chất lỏng chảy xuống qua vòi phun và hơi di chuyển lên trên. Hỗn hợp ở đáy thùng đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và thoát ra ngoài cùng với hơi nước. Khí đi lên qua lớp bao gói, lấy các thành phần dễ bay hơi nhất của chất lỏng, thoát ra khỏi cột và đi vào thiết bị ngưng tụ. Sau khi hóa lỏng, sản phẩm đi vàovào thiết bị thu gom đờm, nơi nó được tách thành sản phẩm chưng cất và một phần dùng để tưới.
Nồng độ khác nhau làm cho các thành phần ít bay hơi hơn chuyển từ pha hơi sang pha lỏng. Vòi phun tăng thời gian và diện tích tiếp xúc, giúp tăng hiệu quả phân tách. Tại cửa ra, hơi chứa lượng tối đa các thành phần dễ bay hơi, trong khi nồng độ của chúng trong chất lỏng là tối thiểu.
Kim phun được làm đầy với số lượng lớn và gói. Hình dạng của chất độn có thể là ngẫu nhiên hoặc cấu trúc hình học. Nó được làm từ vật liệu trơ như đất sét, sứ, nhựa, gốm, kim loại hoặc than chì. Chất độn thường có kích thước từ 3 đến 75 mm và có diện tích bề mặt lớn tiếp xúc với hỗn hợp hơi-lỏng. Đổ đầy số lượng lớn có lợi thế là thông lượng cao, khả năng chịu áp suất cao và chi phí thấp.
Chất độn kim loại có độ bền cao và khả năng thấm ướt tốt. Gốm sứ có khả năng thấm ướt cao hơn, nhưng chúng không bền bằng. Những chất dẻo đủ chắc chắn, nhưng không thấm ướt tốt ở tốc độ dòng chảy thấp. Vì chất độn gốm có khả năng chống ăn mòn, chúng được sử dụng ở nhiệt độ cao mà nhựa không thể chịu được.
Đầu phun gói là một lưới có cấu trúc, kích thước của chúng tương ứng với đường kính của cột. Cung cấp các kênh dài cho các dòng chất lỏng và hơi. Chúng đắt hơn, nhưng cho phép bạn giảm áp suất giảm. Vòi phun gói được ưa thích ở tốc độ dòng chảy thấp và trong điều kiện áp suất thấp. Chúng thường được làm từ gỗ, kim loại tấm hoặc lưới dệt.
Được sử dụng trong các ngành công nghiệp thu hồi dung môi và hóa dầu.
Chưng cất trong cột chưng cất
Loại cột được sử dụng rộng rãi nhất. Số lượng đĩa phụ thuộc vào độ tinh khiết mong muốn và độ phức tạp của quá trình phân tách. Nó ảnh hưởng đến chiều cao của cột chưng cất.
Nguyên tắc hoạt động của nó như sau. Hỗn hợp được nạp vào giữa chiều cao của cột. Sự khác biệt về nồng độ làm cho các thành phần ít bay hơi hơn đi từ dòng hơi sang dòng lỏng. Khí ra khỏi bình ngưng chứa các chất dễ bay hơi nhất, trong khi các chất ít bay hơi hơn thoát ra qua bộ gia nhiệt thành dòng chất lỏng.
Hình dạng hình học của các tấm trong cột ảnh hưởng đến mức độ và kiểu tiếp xúc giữa các trạng thái pha khác nhau của hỗn hợp. Về mặt cấu tạo, chúng là sàng, van, nắp, lưới, tầng, … Các khay sàng, có lỗ thoát hơi, được sử dụng để mang lại hiệu suất cao với chi phí thấp. Các khay van rẻ hơn, trong đó các khe hở được cung cấp các van đóng mở, dễ bị tắc nghẽn do tích tụ vật liệu. Mũ được trang bị nắp cho phép hơi đi qua chất lỏng thông qua các lỗ nhỏ. Đây là công nghệ tiên tiến và đắt tiền nhất, hiệu quả với tốc độ dòng chảy thấp. Chất lỏng chảy từ khay này sang khay khác xuống các đường ống thẳng đứng của cống.
Cột bảng thường được sử dụng để thu hồi dung môi từ chất thải của quá trình. Chúng cũng được sử dụng để thu hồi metanol trong quá trình sấy khô. Nước thoát ra dưới dạng sản phẩm lỏng và chất thải hữu cơ dễ bay hơi sẽ chuyển sang pha hơi. Đây là quá trình chưng cất trong cột chưng cất.
Chưng cất đông lạnh
Chưng cất đông lạnh là ứng dụng của các phương pháp chưng cất nói chung đối với các chất khí được làm lạnh ở trạng thái lỏng. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ dưới -150 ° C. Đối với điều này, bộ trao đổi nhiệt và cuộn dây được sử dụng. Toàn bộ cấu trúc được gọi là khối đông lạnh. Khí hóa lỏng đi vào thiết bị và được chưng cất ở nhiệt độ rất thấp. Các cột chưng cất đông lạnh có thể được đóng gói và đóng gói. Thiết kế theo lô được ưu tiên vì vật liệu dạng khối kém hiệu quả ở nhiệt độ thấp.
Một trong những ứng dụng chính của chưng cất đông lạnh là tách không khí thành các khí cấu thành của nó.
Chưng cất chiết xuất
Chưng cất chiết xuất sử dụng các hợp chất bổ sung hoạt động như một dung môi để thay đổi độ bay hơi tương đối của một trong các thành phần của hỗn hợp. Trong cột chiết, một dung môi được thêm vào các chất cần tách. Thành phần của dòng thức ăn được thu hồi kết hợp với dung môi và thoát ra ngoài trong pha lỏng. Thành phần khác bay hơi và đi vào dịch cất. Lần thứ hai chạy đếnmột cột khác cho phép chất được tách ra khỏi dung môi, sau đó quay trở lại giai đoạn trước đó để lặp lại chu trình.
Chưng cất chiết xuất được sử dụng để tách các hợp chất có nhiệt độ sôi gần nhau và các hỗn hợp có tính đẳng hướng. Chưng cất chiết xuất không phổ biến trong công nghiệp như chưng cất thông thường do sự phức tạp của thiết kế. Một ví dụ là quá trình thu được xenlulozơ. Dung môi hữu cơ tách xenluloza khỏi lignin và quá trình chưng cất thứ hai tạo ra chất tinh khiết.
