Как работает фракционная перегонка?

Дистилляция - это процесс разделения двух или более жидкостей в зависимости от разницы в их точках кипения. Однако, когда точки кипения жидкостей очень похожи, разделение с помощью обычной перегонки становится неэффективным или невозможным. Фракционная перегонка - это модифицированный процесс перегонки, который позволяет разделять жидкости с аналогичными температурами кипения.

Точка кипения жидкости - это температура, при которой она превращается в пар. Жидкости сохраняют свою характерную температуру кипения даже при смешивании с другими жидкостями. Это представляет собой основной принцип дистилляции, заключающийся в том, что жидкости могут быть разделены путем преобразования жидкости с помощью самая низкая точка кипения в пар, а затем преобразование этого пара обратно в жидкое состояние после того, как он перешел в отдельный контейнер.

В процессе перегонки жидкая смесь помещается в колбу для кипячения, которая соединена с охлаждающей колонной, называемой конденсатором, противоположный конец которой соединен с приемной колбой. Конденсатор расположен горизонтально с небольшим наклоном вниз, так что пар, который достигает конденсатора и превращается обратно в жидкость, может собираться в приемной колбе. На химическом факультете колледжа Уэйк-Форест представлена ​​схема установки. По завершении перегонки жидкость с самой низкой температурой кипения оказывается в приемной колбе (и называется «дистиллятом»), а жидкость с более высокой температурой кипения остается в колбе для кипячения.

Установка для фракционной перегонки включает дополнительную колонну, которая расположена вертикально над колбой для кипячения и к которой подсоединен конденсатор. Его цель - увеличить расстояние, которое пар должен пройти, чтобы достичь конденсатора. Колонки обычно набиваются стеклянными шариками или кусочками керамики, чтобы увеличить площадь поверхности, с которой пар должен контактировать при транспортировке в конденсатор.

Во время обычной перегонки значительное количество высококипящей жидкости также испаряется и переносится в колбу для сбора, становясь по существу примесью в дистиллированном продукте. Это особенно проблематично, когда разделяемые жидкости имеют схожие точки кипения. Чем больше площадь поверхности соприкасается с более высококипящей жидкостью, тем выше вероятность, что она снова сконденсируется в жидкость и вернется в кипящую колбу. При фракционной перегонке эта увеличенная площадь поверхности используется для повышения эффективности перегонки.

Двумя основными областями применения фракционной перегонки являются очистка сырой нефти и производство спиртных напитков (алкогольных напитков).

Сырая нефть содержит множество различных химикатов, многие из которых имеют схожие точки кипения. Нефтеперерабатывающие заводы разделяют эти химические вещества по температуре кипения на различные продукты. Низкокипящие фракции превращаются в нефтяной газ или бензин, среднекипящие фракции превращаются в мазут, дизельное топливо или керосин, а высококипящие фракции превращаются в парафиновый воск или асфальт.

Ферментация сахаров в спирт прекращается, когда содержание алкоголя приближается к 13 процентам, потому что дрожжи не могут выжить при более высоких концентрациях алкоголя. Температуры кипения спирта (78,5 градусов Цельсия) и воды (100 градусов Цельсия) достаточно похожи, чтобы винокуренные заводы должны использовать фракционную перегонку, чтобы концентрировать спирт примерно до 50 процентов (что в дальнейшем называется «Духи»).

В процессе дистилляции на нефтеперерабатывающем заводе на каждые 100 баррелей очищенной нефти расходуется 2 барреля нефти в виде энергии.