Desztilláció

A Desztilláció vagy lepárlás egy ősidők óta használt laboratóriumi technika is, meg a kémiai ipar folyadékelegyeinek is a leggyakrabban használt elválasztási művelete. A desztilláció a diffúziós vegyipari műveletek csoportjába tartozik. A vegyipari művelet egy különböző kémiai folyamatokban használható egység, vagyis bármely folyamat a műveletek összessége.

A szétválasztás lehetősége az elegy összetevőinek különböző volatilitásán, vagyis illékonyságán alapszik. Pontosabban azon, hogy egy forrásban levő folyadékelegy összetétele (kivételes esetektől eltekintve) nem egyezik meg a vele egyensúlyban levő gőz összetételével. Az elvek több komponensből álló, ún. multikomponens elegyek szétválasztására egyaránt érvényesek, de egyszerűsítés kedvéért csak két komponensből álló biner folyadékelegyet tekintve a gőzfázisban az illékonyabb, alacsonyabb hőmérsékleten forró komponens (általában) feldúsul. Hogy mennyire dúsul fel azt az elegyrendszer gőz-folyadék egyensúlyának meghatározásával tudjuk kísérletileg meghatározni.

A desztilláció tehát a folyadékelegy forrásban tartásán és a gőz cseppfolyósításán, lecsapatásán alapszik. Az elegy forráspontja csakis annak összetételétől és a forrásban levő elegyre gyakorolt külső nyomástól függ. Ha például atmoszferikus nyomás alatt dolgozunk, akkor akár mennyire is hevítenénk az elegyet ezt a hőmérsékletet nem tudnánk emelni, és a forrási hőmérséklet csak annak eredményeképpen emelkedhet ha az illékonyabb komponensben feldúsult gőzt lecsapatjuk és eltávolítjuk, de ez azt jelenti, hogy a forrásban levő folyadék összetételét is megváltoztattuk.

A desztilláció, vagy lepárlás műveletét lényegben folyadékok elválasztására használjuk. Azt a műveletet, ami szilárd anyagokat válasz ki egy folyadékból és az elpárologtatott anyag az értékes elpárologtatásnak nevezzük, ha a desztilláció szilárd maradéka fontos a művelet neve bepárlás.

A desztilláció fő változatai

Munkafolyamat szerint

Egyszeri (batch) desztilláció

Az egyszeri desztilláció legegyszerűbb módszere esetén a folyadékelegyet egy forralóedénybe (forralóba, vagy üstbe) tesszük és a lecsapatott gőzt a forráspontot figyelve kívánalmak szerint külön gyüjtőedényekben (szedőkben) összegyűjtjük. Az egyszeri desztillációnak ez a legegyszerűbb esete a differenciáldesztilláció, aminek alkalmazásakor a betáplált folyadék összetételének folyamatos változása miatt az azzal egyensúlyban lévő gőzfázis összetétele is változik tehát minden kondenzáló csepp összetétele is vele változik.

Laboratóriumi desztilláció példa: 1: Hőforrás 2: Forraló lombik 3: Forraló lombik feje 4: Hőmérő/Forráspont 5: Cseppfolyósító (kondenzer) 6: Hűtővíz bemenet 7: Hűtővíz kimenet 8: Desztillátum/szedőpalack 9: Vákuum/atmoszféra kapcsolat10: Kondenzer-szedő kapcsolócső 11: Fűtésszabályozás 12: Kavarássebesség szabályozása 13: Kavaró/Forró lap 14: Melegítő (olaj/homok)-fürdő 15: Kavaró botocska/szemcsék döcögtetés ellen 16: Hűtőfürdő.

Ilyen a jól ismert laboratóriumi desztilláció

A forraló lombik töltése után a folyadékelegyet forralni kezdjük és a párlato(ka)t a szedő(k)ben felfogjuk. A forralóba a hirtelen gőzfejlődés okozta rázkódás/döcögés megakadályozására inert darabos/szemcsés anyagot tehetünk. Az ábra egy modern laboratóriumi desztilláció esetét mutatja, ahol a villanyrezsón forró elegyet kívülről meghajtott mágneses botocska keveri. A laboratóriumi desztilláció esetén a célunk lehet a folyadék összetételének forráspont szerinti analízise is, de a folyadékelegy részekre bontása is. Az első esetben a forrásban levő folyadéknak (a gőzfázis hőmérséklete útján mért és azzal azonos) folyadékfázis hőmérséklete és az összegyűlt kondenzátum mennyisége közötti összfüggést kell feljegyeznünk, a másik esetben adott forráspontok elérésével a gyüjtő edényeket váltjuk.

Az egyszeri (batch) üzemi desztilláció egyik változata rektifikáló toronnyal (lásd a folyamatos desztilláció leírását)

Az egyszeri desztillációhoz azonban élességének és hatásfokának megjavítása céljából mind laboratóriumi, mind üzemi használatban csatolni lehet egy, a forraló és a kondenzáló (csappfolyósító) edény közé iktatott, többszörös elpárologtatásra és lecsapatásra szolgáló, speciális töltéssel ellátott henger alakú berendezést, aminek a neve desztilláló torony, vagy desztilláló kolonna. A torony minden szakaszán más más összetételű gőz és folyadék érintkezik, a folyadék egy része elpárolog, a gőz egy része lecsapódik, ami új egyensúlyt és azzal új egyensúlyi összetételt hoz létre. Így a módszert szakaszos desztillációnak is nevezzük.

Az üzemi (batch) desztilláció célja általában a folyadékelegyek több részre bontása, vagy tisztítása, például az elpárologtatható folyadékrész elválasztása azon alkotórészektől, amelyekben a hőmérséklet további emelése azok kémiai összetételét károsan megváltoztatná.

Egyensúlyi desztilláció
Az egyensúlyi desztilláció (Flash evaporation, vagyis lobbanásszerű elpárologtatás) az egyszeri desztillációnak egy másik külön esete. Ez a részleges elpárologtatás a desztilláció olyan módszere, amely a folyadékelegy hőmérsékletét nyomás alatt forráspontja fölé emeli, majd egy nyomáscsökkentő szelepen keresztül egy nagytérfogatú edénybe ereszti. A lépés persze nemcsak térfogat és nyomásváltozással, hanem a homérséklet lecsökkenésével is jár, de a folyadék egy része elpárolog és ezt külön cseppfolyósítva a folyadékelegy két részre oszlik.

Folyamatos desztilláció

Mivel az egyszeri desztilláció alkalmával minden feltöltés és lepárlás elkezdésekor a forraló edényt/üstöt fel kell tölteni, lepárlás után pedig a forralást leállítani és az edényt kitisztítani, majd ismét feltölteni, ez a módszer nagy mennyiségű termelés (high throughput) esetére nem alkalmas, tehát csak az ilyen megkötéssel nem rendelkező iparág, (pl. az élelmiszeripar egyes ágazata és a gyógyszeripar) használja, ami nem azt jelenti, hogy ez az alkalmazási módszer ritka.

A folyamatos módszer gazdaságosabb, mint az egyszeri, mert ennek alkalmazása esetén a termelés 24 órán keresztül, nemcsak hónapokig, hanem modern üzemek esetén 2-3 évig, minden megszakítás nélkül folytatódhat, és az üzemet csak tisztítás, karbantartás, vagy üzemzavar esetén kell leállítani. A módszerre műszerezés és automatizálás is jobban alkalmazható, ami ugyancsak munkamegtakarítást jelent

Egy két-komponenst tartalmazó (biner) folyadékelegy folyamatos desztillációjának vegyészmérnöki vázlata. A műveletnek ez a változata a folyadékot két frakcióra bontja: az egyik, a desztillátum, vagy fejtermék, a másik a maradék, vagy fenéktermék.

Itt az elválasztandó elegy betáplálása folyamatos. A betáplálás leggyakrabban szívattyúval történik: a szívattyú a folyadékot egy zárt csőrendszerrel ellátott hevítő berendezésen keresztül nyomja be a desztilláló kolonnába vagyis a szívattyú munkája végzi a betáplálást: de olyan eset is van ahol a betáplálandó anyag egy előző desztilláció egyik részlegesen felbontott termékeként, hűtés nélkül egyenesen egy második kolonnába megy gőz, vagy folyadék alakjában ami hőtakarékosságot jelent és külön szívattyúra nincs szükség.

A fűtőcsövekben túlnyomás biztosítja, hogy a folyadék ott ne kerüljön forrásba, mert a hőátadás is lelassúlna és a csövek is veszélyesen túlhevűlhetnének.

A desztilláló kolonnában az elegy nagy része elpárolog; részeire bomlik azok volatilitása (illékonysága) szerint. A legillékonyabb, legalacsonyabb forráspontú komponens a kolonna tetejére kerül a legalacsonyabb illékonyságú, legmagasabb forráspontú pedig, a residuummal (nem-elpárolgó komponenssel) együtt annak aljára. A folyamatos betáplálással egyetemben a termékeltávolítás is folyamatos a fejtermék lecsapatása (kondenzáció) és az ezt követő hűtése után és a fenéktermék annak hűtése után.

Egy tipikus ipari desztilláló toronycsoport

Alkalmazás szerint

A laboratóriumi desztilláció változatai

Vákuum desztilláció

Vákuum desztillációt akkor használunk amikor a desztillálandó anyag, vagy annak egy része hevítésre kényes, vagyis hevítésre az kémiailag megváltozna. Ez azért alkalmazható, mert a forráspont a nyomás csökkentésével lecsökken. Figyelem: a berendezés jól legyen méretezve, hogy ellenálljon vákuum hatásának.

Vízgőzdesztilláció

Ez a kényes anyagok szétválasztásának egy másik alternatívája. Azon a jelenségen alapszik, hogy egymásban nem oldódó folyadékok hevítésekor azok forráspontja nem függ a folyadékösszetételtől, hanem csakis a forrási hőmérséklettől és a komponensek egyedül mért ún. tiszta komponens gőznyomásától az adott hőmérsékleten, ami révén a forráspont lecsökken.

Nyomás alatti desztilláció

Nyomás alatti desztillációt akkor alkalmazunk amikor cseppfolyósított gázkeveréket akarunk részekre bontani. A berendezés nyomás ellenállása itt is nagyon fontos.

Rotációs elpárologtatás

Ez egy laboratóriumi technika ami általában egy vákuummal működő készülékkel magas forráspontú oldószerek eltávolítására szolgál. Speciális esete a kugelrohr (németből szószerint golyócső) desztilláció.

Reaktív desztilláció

Ez a technika elpárologtató/forraló üstként egy kémiai reaktort használ ahonnan az illanó reakciótermékek egyenesen a cseppfolyósítóba mennek. Ennek speciális esete a destruktív desztilláció, ami a kiinduló anyagot elpusztítja; jó példája a fa száraz desztillációja. A kémiai reakciót termolízisnek, vagy pirolízisnek nevezzük. A fa pirolízise például metanol előállítására használható, bár ez erre nem a leggazdaságosbb módszer.

Azeotróp desztilláció

Ezt a módszert akkor alkalmazzuk, amikor a komponensek azeotróp elegyet képeznek, amire az jellemző, hogy az általánosságtól eltérően forrás alkalmával a folyadék és a gőzösszetétel azonos. Az azeotróp desztilláció olyan manipuláció ami ezt az állapotot egy harmadik komponens hozzáadásával szünteti meg. Jó példa erre az etanol vizes oldata, amiből közönséges desztillációval csak kb. 96mól%-os alkoholt állíthatunk elő. Benzol hozzáadása a problémát megoldja, ami másodlagos desztillációval elválasztható.

Extraktív desztilláció, vagy oldószeres desztilláció

Ez egy olyan elegy elválasztására használható amelyet vagy komponensei forráspontjainak egymáshoz való közelsége vagy azeotróp elegy képződése miatt nehezen , vagy egyáltalán nem lehet elvégezni. A módszer egy olyan viszonylag alacsony volatilitású, illékonyságú (kevésbé illanó) harmadik folyadékkomponens jelenlétében való desztilláció, amely egyik eredeti komponenssel sem képez azeotrópot.

A harmadik komponenst, bár a másik két komponensnél alacsonyabb hőmérsékleten forr, oldószernek tekintjük. Ebben az egyik eredeti komponens jobban oldódik mint a másik, vagyis az oldószer az egyik komponenst szelektíven jobban oldja, amire azt mondjuk, hogy erre nagyobb a szelektivitása. A következmény az egymáshoz közeli forrásponttal rendelkező komponensekből álló folyadékelegy esetében az, hogy a két komponens illanóságai közötti különbség megnő, ami a desztilláció gazdaságosságát növeli, mert az elválasztásra kisebb desztilláló tornyot használhatunk. Amikor a közönséges desztilláció esetén egy azeotróp összetétel állna elő, ami az elválasztást teljesen megakadályozná, akkor a módszer az elválasztást egyszerűen lehetővé teszi, mert ebben az esetben egy azeotróp létrejöttét elkerüljük. Ennek alkalmazására jó példa a benzol-ciklohexán elegy egymástól való elválasztása, amire számos oldószer használata ismeretes .

Fagyasztó desztilláció

Ez lényegében a fagyasztás általi folyadékrészrebontás analógiája, amit jeges sör és jeges bor előállítására használnak. Ez nem tekinthető valódi desztillációnak, mert az elegyek fagyasztás alapján való kompnensekre bontása nem a desztilláció elvein alapszik.

Ko-desztilláció

Ez az egymással nem-elegyedő vegyületek keverékének együttes lepárlása. Lényegében ezt a módszert alkalmazza az extraktív desztilláció módszere is, de ott a nem elegyedő fázis egyike két komponensből áll. A módszer lényegében azonos a heteroazeotróp desztillációval.

Heteroazeotróp desztilláció

Ez a neve annak a módszernek ami egy biner folyadékelegyhez egy harmadik azokkal nem elegyedő vegyület hozzáadásával a forrási hőmérsékletet lecsökkenti és a biner elegy komponensei közötti illandóságkülönbséget megnöveli

Az ipari desztilláció változatai

Folyamatos atmoszférikus desztilláció

Egy kémiai iparban használt buboréktányéros desztilláló torony vázlatos vegyészmérnöki elrendezési rajza
Distillation column --- Disztilláló kolonna
Condenser --- Kondenzer
Offgas --- gáz (esetleges)
Reflux drum --- Reflux hordó
Pump --- Visszatápláló reflux szívattyú
Reflux --- Reflux
Overhead product --- Fejtermék
Feed --- Betáplálás
Bottoms liquid --- Fenéktermék (Kolonna alja)
Bottoms product --- Fenéktermék szedőbe
Kettle reboiler --- Folyamatos kiforraló üst
Vapor --- Visszatérő gőzök
Steam to & from reboiler tube bundle --- Kiforraló csőköteg bemenet és kimenet

Az ipari folyamatos desztilláció leggyakoribb alkalmazási formája az, ami atmoszférikus nyomás alatt történik. Ez használatos mind biner mind multikomponens elegyek szétválasztására. A biner elegyek desztillációja esetén egyedi vegyületek előállítására törekszünk. Abszolút tisztaság csak megközelíthető, de el nem érhető. A tisztaság ún. tisztasági fokkal írható le, de még a spektroszkopikus tisztaságú vegyületek is tartalmaznak szennyezést: ilyenkor a tisztaságot az analízis (test) által talált szennyezőanyagok mennyiségi felsorolásával jelzik.

Ipari desztilláció esetén a berendezést a termék(ek) felhasználási céljától függően méretezzük és általában 1-2%-os maximális szennyezéssel számolunk, ami főleg a másik komponensből áll, de a finomító elválasztás még (többször is) megismétlődhet. Egy két-komponenses, biner folyadékelegy elválasztásának ipari berendezését mutatja vázlatosan az ábra.

Multikomponens elegyek esetén gyakran egyedi vegyületek előállítására nem törekszünk. Ilyen esetben csak a betáplált alapanyag tört részekre, vagyis frakciókra való bontása a cél. Innen jönnek a frakcionális desztilláció, frakcionáldesztilláció, vagy frakcionálás nevek, de persze a művelet egyedi vegyületek kinyerésére is megfelel. A frakcionálás tipikus alkalmazási területei: kőolaj, kátrány, petrokémiai, és erjesztőipari termékek, valamint kőolajeredetű oldószerek gyártása és cseppfolyásított levegő szétválasztása. Amikor a frakcionáldesztilláció nem egyedi vegyületek előállítására szolgál, akkor a termékek minőségét valamilyen fizikai tulajdonság mérésével ellenőrizzük. Erre jó példa termékminták laboratóriumi desztillációja, amire azok minőségi előírása (specifikációja) és a laboratóriumi analízis eljárási szabványa ad irányvonalat.

A frakcionáldesztilláció legfontosabb területe a kőolajfeldolgozás, aminek gyakorlatilag az első lépése a nyers kőolaj, vagy nyersolaj atmoszferikus nyomás alatti frakcionálása gépjármű üzemanyagpárlatok előállítása céljából. A berendezés működési elve nem különbözik a biner elegyekre tervezett berendezés elvétől és az elvet az itteni képen is követhetjük.

A frakcionáldesztilláló üzemegység legfontosabb része a desztilláló kolonna. Az éles elválasztás céljából a kolonna úgy van tervezve, hogy benne a felfelé szálló párák és a lefelé folyó folyadékelegy között többszörös érintkezés lépjen fel. Erre szolgál a torony tölteléke. A legjobban ismert és matematikailag legkönnyebben kezelhető torony buboréktányérokat használ töltelékként. Az ábra mutatja egy buboréktányéros frakcionáló kolonna vázlatos keresztmetszeti rajzát.

A nyersolajat hevítés után valahol a torony közepe felé tápláljuk be. Egyensúlyi állapotban, vagyis normális üzemeltetés alatt a buboréktányérokat a folyadék ellepi. A betáplálási tányéron a betáplált folyadék azonnal két részre oszlik: egy része mint ott felesleges folyadék a tányér túlfolyóján a következő tányérra folyik, másik része pedig elpárologva, mint gőz a betáplálás fölötti tányér buboréksapkáin keresztül erre a tányérra jut. Mivel a tányérokon a folyadék a buboréksapkák oldalán vágott buborékoló nyílásait durván ellepi, az azon keresztül buborékoló gőzök a folyadékkal intim kapcsolatba léphetnek, a gőz legkevésbbé illó alkotórészei lecsapódnak és a folyadék legillóbb alkotórészei elpárolognak. Így minden tányéron egyensúly alakulhat ki a lecsapódó gőz és az elpárolgó folyadék között. A desztilláló kolonna betáplálás fölötti részét rectifier, vagyis rektifikáló (igazító) szakasznak nevezzük, az alatta levő szakaszt pedig, arra hívatkozva, hogy ennek a kolonnarésznek a fő feladata az értékesebb könnyű komponensek kiszakítása, sztrippernek,

Egy kémiai iparban használt buboréktányéros desztillálótorony egyik részlete metszetben

A desztilláló toronyban függőlegesen nyomás és hőmérséklet grádiens áll elő és a torony tetején mindkét változó értéke minimumán van. Itt éri el a torony operácoós műveleti nyomását, az atmoszferikus torony nyomása az egy atmosférát és innen távoznak el a legillóbb komponensek. A kolonna alját általában fűteni kell, mert az elpárolgó folyadék hőt von el. Az általában vízgőzzel fűtött visszaforraló neve angolul reboiler (olv ribojler)

A desztilláció élességének megjavítása céljából a torony tetejéről távozó kondenzált gőz egy részét a toronyba visszavezetjük a felszálló gőzök másodlagos öblítésére. A visszavezetett folyadék neve reflux, a visszavezetett folyadék és az elvezetett párlat mennyiségi aránya pedig reflux arány, ang. reflux ratio (olv. résió)

A kolonna méretezésének első feladata a szétválasztáshoz szükséges tányérok meghatározása, de mindenekelőtt az elméleti tányérszám meghatározása, amire biner rendszer esetében az évtizedekkel ezelőtt kifejlesztett grafikus McCabe-Thiele módszer a legismertebb. A meghatározáshoz a gőz-folyadék egyensúly gyakorlatilag meghatározott mérési adatait használhatjuk. Multikomponens elegyek szétválasztása bonyolultabb. Erre Fenske egyenlete használható. Matematikailag először a betáplálási nyomás, hőmérséklet, összetétel, a folyadék felhevítési adatai és az egyensúlyi adatok ismeretéből a betáplálási tányérról távozó gőz és folyadékösszetételt kell kiszámolni, majd lépésről lépésre a nyomás és a hőmérsékletváltozás figyelembevételével a többi tányérok adatait felfelé és lefelé, amíg a kívánt összetételeket el nem értük.

A reflux az elválasztást megjavítja de ennek gazdasági határai vannak. Így a gazdaságos optimum refluxarány megállapítására is szükség van, de még a kolonna hőveszteségét pótló reboilert is méretezni kell.

A lépésről lépésre számított anyagmérleg és hőmérleg és a gyakorlatból ismert megengedett gőz és folyadéksebesség megadja a lefolyóátmérőt és a buboréksapkák bemeneti átmérőjét, valamint azok számát, amiből a toronyátmérőt számítani lehet. Az angol Wikipedia cikkje szerint 11 méteres toronyátmérővel és 60 méteres toronymagassággal is találkozhatunk. A jó toronytervezés azt jelenti, hogy a gőz és a folyadék a tányérokon egyenletesen legyen elosztva, ami nagy átmérő esetén nem könnyű feladat és a gyakorlati ismeretet semmi se helyettesítheti.

Buboréktányér csak egy változat és az ipar sok más tölteléket használ, acélforgácstól kezdve más speciális (kengyel, gyűrű, stb) alakú fém, vagy kerámiai anyagból álló darabos tölteléket. Ezek jellemző adatai között fontos a gyakorlatilag meghatározott HETP érték, height of the equivalent theoretical plate, vagyis az elméleti tányérnak megfelelő töltelékmagasság.

Vákuumdesztilláció

Mint a laboratóriumi desztillációnál vákuuumdesztillációt akkor használunk amikor a desztillálandó anyag, vagy annak egy része hevítésre kényes, vagyis magas hőmérsékleten az kémiailag megváltozna. A módszer azért alkalmazható, mert a forráspont a nyomás csökkentésével lecsökken. Az iparban használt berendezés általában folyamatosan desztilláló kolonna

Vízgőzdesztilláció

Ismét, mint a laboratóriumi desztilláció esetén, ez a kényes anyagok szétválasztásának egy másik alternatívája. Azon a jelenségen alapszik, hogy egymásban nem oldódó folyadékok hevítésekor azok forráspontja nem függ a folyadékösszetételtől, hanem csakis a forrási hőmérséklettől és a kompnensek ún. tiszta komponens gőznyomásától az adott hőmérsékleten, ami azt jelenti, hogy a forráspont lecsökken.

Extraktív desztilláció

Ezt a módszert már a laboratóriumi eset tárgyalta.

Azeotróp desztilláció

A módszer abszolút alkohol ipari előállítására használatos. A braziliai pt:pró-álcool program, amit kőolajeredetű üzemanyagok helyettesítésére kezdeményeztek részben abszolút alkoholt használt, ami kőolajtermékekkel bármilyen arányban elegyedik. Az azeotróp elegy használata a második desztillációt elkerüli, ami gazdaságosabb. A vizes alkohol azonban nem képez homogén elegyet kőolajeredetű üzemanyagokkal és ennek használata módosított járműmotorberendezést igényel.

Elpárologtatás

Elpárologtatás a desztillációnak egy speciális esete. Ez kémiailag tiszta ún. desztillált víz előállítására használható.

Bepárlás

Ez a párolgáson alapuló folyamat oldott anyagok szilárd állapotban való kinyerésére használható. Bepárláshoz azonban nem szükséges az oldatot forráspontjára hevíteni, amint azt a só tengervízből való előállítására használt sómedencék alkalmazása bizonyítja.