Изучение методов жидких и газообразных и однородных неоднородных систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Гомогенная система -- однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно (между частями системы нет поверхностей раздела). В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов, ионов.

Гомогенными смесями являются смеси любых газов и истинные растворы, а также смеси некоторых жидкостей и твердых веществ.

Метод разделения однородных смесей - дистилляция (или перегонка) основан на разности температур кипения компонентов смеси. Чаще всего дистилляцию применяют для разделения однородных смесей нескольких жидких компонентов или твердого и жидкого компонентов. Из глубокой старины известен такой метод разделения, как выпаривание. Метод основан на различии температур кипения компонентов смеси и может быть использован для разделения однородных смесей твердых и жидких веществ. Метод выпаривания обычно используется тогда, когда из однородной смеси твердого и жидкого веществ необходимо выделить только твердое вещество.

В современной химии известны не только указанные выше простые методы разделения смесей. Существуют более сложные методы разделения, позволяющие выделить из смеси вещества, имеющие очень близкие свойства или содержащиеся в ней в ничтожно малых количествах.

Гетерогенная система -- неоднородная система, состоящая из однородных частей (фаз), разделённых поверхностью раздела. Однородные части (фазы) могут отличаться друг от друга по составу и свойствам. Число веществ (компонентов), термодинамических фаз и степеней свободы связаны правилом фаз. Примерами гетерогенных систем могут служить: жидкость -- насыщенный пар; насыщенный раствор с осадком; многие сплавы.

Рис. 1. Схема ректификационной установки периодического действия: 1 - куб; 2 - змеевик; 3 - колонна; 4 - труба для отвода паров из колонны; 5 - дефлегматор; 6 - труба для возврата флегмы; 7 - труба для отбора дистиллята; 8 - холодильник.

При периодической ректификации (рис. 1) смесь загружается в куб 1 и нагревается паром, проходящим через змеевик 2. После того, как смесь в кубе закипит, образующиеся пары начинают поступать в колонну 3, оттуда по трубе 4 направляются в дефлегматор 5, где конденсируются. Часть конденсата (флегма) по трубе 6 стекает обратно в колонну, другая часть (дистиллят) по трубе 7 поступает в холодильник 8 и отсюда отводится в приёмник дистиллята. При таком процессе в колонне происходит укрепление паров, а в кубе - исчерпывание смеси. Исчерпывание продолжается в течении некоторого времени, когда достигается требуемый состав смеси, операция заканчивается и остаток отводится из куба.

1. Однородные жидкие системы и методы разделения

Однородные (гомогенные) смеси - это смеси, в которых компоненты смешаны на молекулярном уровне (однофазный материал); их невозможно обнаружить при рассматривании невооруженным глазом и даже при использовании мощных оптических приборов. Например , водные растворы сахара, поваренной соли, спирта, уксусной кислоты, металлические сплавы, воздух.

Для разделения однородных смесей используют выпаривание и перегонку (дистилляцию).

Выпаривание.

Растворитель испаряется, а растворенное вещество остается в твердой фазе на дне чашки для выпаривания

Перегонка (дистилляция).

Для разделения жидкостей, которые растворены друг в друге. Метод базируется на разности их температур кипения. Жидкие смеси нагревают в колбе и компоненты смеси удаляют при различных температурах.

Разделение жидких однородных смесей (растворов), состоящих из двух или большего числа летучих компонентов, производится перегонкой или ректификацией. Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом или ректификатом.

Ректификационные установки служат для разделения жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного тепло - и массообме-на жидкой смеси и ларов этой смеси. Процесс ректификации можно осуществить в там случае, когда кипящая смесь выделяет пары, содержащие те же компоненты, но в другой пропорции; обычно в парах процент содержания компонентов, кипящих при данном давлении при более низкой температуре (легкокипящие компоненты), больше, чем в жидкой смеси.

1.1 Ректификация

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом осн. отличие ректификации от дистилляции, при к-рой в результате однократного цикла частичное испарение - конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Для ректификации обычно используют колонные аппараты (см., напр., Насадочные аппараты, Тарельчатые аппараты), наз. ректификационными колоннами, в к-рых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации-разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верх. части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от т-р кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разл. давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Рассмотрим установку.

Рис. 2

Исходную смесь загружают в подогреватель (2), где там она нагревается до температуры кипения и подается на питающую тарелку ректификационной колоны (1). Пары, обогащённые НК компонентом из верхней части колоны отводятся в дефлегматор, где частично конденсируется. Полученный конденсат называется флегмой, который через гидрозатвор подается на верхнюю тарелку колонны, флегма в укрепляющей части колоны создает нисходящий поток жидкости. Оставшиеся пары после дефлегматора попадают в конденсатор-холодильник(3), где охлаждается и полученный дистиллят отводится в емкость. Остаток выводится из нижней части колонны, попадает в делитель. Основной поток направляется как готовый продукт, а часть направляется в кипятильник. Там испаряется и в виде пара подается под нижнюю тарелку колонны.

1.2 Выпаривание

Выпаривание - концентрирование (сгущение) растворов, суспензий и эмульсий (чаще твердых веществ в воде) при кипении. В процессе выпаривания парообразование (кипение) происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии. Выпаривание применяют для концентрирования водных растворов щелочей (едкий натр, едкий калий), солей (NaCl, Na2S04, NH4NO3 и др.) и некоторых высококипящих жидкостей, для получения растворителя в чистом виде (например, для опреснения морской воды, используя аппараты-опреснители), перенасыщенных растворов, в которых проводят кристаллизацию (растворы сахарозы, фруктозы, молочного сахара). Данный процесс используется в сахарном, консервном, кондитерском, молочном и других производствах. Выпаривают также водные растворы разных веществ (соки), эмульсии (молоко), суспензии (барду) и пр.

При выпаривании вода из раствора удаляется в виде пара, а растворенное вещество или дисперсная фаза эмульсий и суспензий остается в неизменном количестве.

Тепло для выпаривания подводится различными теплоносителями. Однако основным теплоносителем является глухой водяной пар, называемый греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящих растворов, называется вторичным. Выпаривание проводят под атмосферным или повышенным давлением, под вакуумом.

По способу отвода вторичного пара различают вторичные установки:

1. Работающие на атмосферном давлении, где внешнее давление меньше давления атмосферного.

2. Работающие под разряжением.

3. Работающие под давление, где внешнее давление больше давления атмосферного.

Выпарной аппарат должен отвечать ряду требований: быть простым, компактным, надежным в эксплуатации; иметь высокую производительность; допускать возможно большие напряжения поверхности нагрева и высокие коэффициенты теплопередачи при минимальном весе и стоимости.

По методу выпаривания выпарные установки бывают:

1. Однокорпусные.

2. Многокорпусные.

3. Прямоточные.

4. Противоточные.

5. С параллельным питанием.

1.3 Экстракция

Экстракция - способ разделения смесей, основанный на различном распределении вещества между двумя не смешивающимися жидкостями, которые сильно различаются по плотности, что позволяет их легко разделить.

Область применения:

1. Отделение органических веществ от водорастворимых неорганических веществ.

2. Разделение неполярных органических веществ, растворимых в органических растворителях и полярных органических соединений, растворимых в воде.

3. Извлечение веществ из природного сырья. Пример: извлечение алкалоидов, витаминов, гормонов из природного сырья.

4. Извлечение водорастворимых органических веществ из воды, с последующим их концентрированием. Пример: извлечение органических кислот (уксусная, лимонная и. т.д.) из водных растворов.

Оборудование.

Рис. 3

1. Делительная воронка. Смесь жидкостей должна занимать не более 2/3 объема воронки для ее эффективного встряхивания и диспергирования жидкостей. Кран должен быть смазан (особенно, если кран из стекла) и не пропускать жидкость.

2. Жидкость с большей плотностью.

3. Жидкость с меньшей плотностью.

4. Пробка. Должна не пропускать экстрагируемые жидкости.

5. Лапка. ( Металлическая лапка НЕ должна соприкасаться со стеклом, для избежания растрескивания колбы при перегонке. Для этого между колбой и лапкой помещают резиновые прокладки.

6. Приемник извлекающий фракции.

7. Приемник исчерпывающей фазы.

2. Неоднородные жидкие системы и методы разделения

Неоднородными, или гетерогенными, системами называют системы, состоящие из двух или нескольких фаз. Фазы, составляющие систему, могут быть, в принципе, механически отделены одна от другой.

Как указывалось, любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды, или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензии -- неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц (в мкм) суспензии условно подразделяют на грубые (более 100), тонкие (0,5--100) мути (0,1--0,5).

Переходную область между суспензиями и истинными растворами (гомогенные системы) занимают коллоидные растворы, в которых размеры частиц, находящихся в жидкости, являются средними между размерами молекул и частиц взвесей. Граница между суспензиями и коллоидными растворами может быть в первом приближении охарактеризована появлением броуновского движения твердых частиц, с возникновением которого эти частицы не могут осаждаться под действием силы тяжести.

Эмульсии -- системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, однако при незначи­тельных размерах капель (менее 0,4--0,5 мкм) или при добавлении ста­билизаторов эмульсии становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение длительного времени. С увеличением концентрации дисперсной фазы появляется возможность обращения (инверсии) фаз. В резуль­тате слияния (коалесценции) капель дисперсная фаза становится сплошной; в ней оказываются взвешенными частицы фазы, бывшей до этого внешней.

2.1 Осаждение

Осаждение -- это образование твердого осадка в растворе в ходе химической реакции, например, добавлением соответствующих реагентов. По окончании реакции, образовавшийся сухой остаток называют преципитатом, а жидкость выше него -- супернатантом.

В большинстве случаев образование осадка носит физическую природу, каждое вещество имеет определённую растворимость, которая при изменении температуры или давления может меняться. В результате образуется перенасыщенный раствор и избыток выпадает в виде осадка. В процессе же преципитации происходит химическая реакция, в результате которой образуется нерастворимое или малорастворимое соединение.

Сам метод заключается в выделении из раствора химических компонентов в виде малорастворимого соединения.

Один из наиболее распространённых в химическом анализе метод разделения элементов, на котором основаны методы качественного и количественного анализа.

Осаждение применяется также в биохимических, санитарно-гигиенических и клинических лабораториях.

2.2 Фильтрование

ректификационный эмульсия реагент химический

Фильтрование обеспечивает разделение суспензий, пыли и туманов с помощью пористой (фильтровальной) перегородки, способной пропускать жидкость или газ и задерживать взвешенные в них твердые частицы. Фильтрование осуществляется под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки. Жидкость проходит через поры перегородки, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка. Фильтрование применяется для более тонкого, чем при осаждении, разделения суспензий и пыли.

В качестве пористых перегородок используются:

- зернистые материалы: песок, уголь, асбест и др.;

- ткани: шерстяные (в основном грубошерстные), хлопчатобумажные (бязь, фланель), минеральные (асбестовая ткань), металлотканые (металлические сетки);

- жесткие пористые перегородки (в основном керамические).

В последнее время в промышленную практику вошли также синтетические материалы: полиамидные (нейлон, капрон, анид и др.); полиакрилонитриловые (орлан, нитрон, дралон и др.); поливинилхлоридные (саран, ровин и др.); полиэтиленовые и полипропиленовые; полиэфирные (терилен, дакрон, лавсан, териталь и др.); фторлоновые (тефлон, фторлон); металлические, покрытые пластиком.

При разделении суспензий в зависимости от вида фильтровальной перегородки и свойств суспензии фильтрование может быть с образованием осадка на поверхности перегородки, с закупориванием пор фильтрующей перегородки и с промежуточным видом фильтрования (закупоривание пор и отложение осадка на поверхности).

Размещено на Allbest.ru