Способы разделения смесей

Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.

Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.

Отстаивание

Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.

Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.

Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):

На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.

Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:

Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.

Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):

Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).

Центрифугирование

Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.

Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.

Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.

С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.

Фильтрование

Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.

Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.

Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:

При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.

Действие магнитом

С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.

Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:

Выпаривание. Кристаллизация

Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.

Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:

Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.

Дистилляция (перегонка)

Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.

Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:

Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.

Источник

9.3. Выпаривание и концентрирование растворов. Часть 1

Скорость испарения растворителя зависит от температуры, давления, поверхности испарения, интенсивности перемешивания и толщины слоя нагреваемого раствора. В тех случаях, когда растворенное вещество разлагается в процессе нагревания при атмосферном давлении, растворитель удаляют либо при помощи вакуума пленочных испарителях, либо вымораживанием, или подвергают лиофильному выпариванию.

Выпаривание растворов с верхним обогревателем 2 (рис. 191, а и рис. 115, а, б) и продуванием воздуха вдоль поверхности испарения путем отсасывания пара через трубку / нагревателя 1 приводит к быстрому удалению растворителя, хотя и влечет за собой загрязнение раствора аэрозолями воздуха. Одновременно чашка 3 с раствором может подогреваться в жидкостной бане 4 или в колбонагревателе (см. рис. 118) с регулируемой температурой.

Если необходимо регенерировать особо ценный растворитель, то применяют прибор со специальной воронкой 1 (рис 191, б) для сбора конденсата. Нижний край воронки над фарфоровой чашкой 4 следует удалить от поверхности раствора на 1 3 см для образования турбулентного воздушного потока, а верхнюю часть трубки при необходимости присоединить к холодильнику. Если у такой воронки есть боковой штуцер 2 с питателем 3, то прибор может служить для непрерывного упаривания разбавленных растворов до получения в чашке 4 суспензии нужной плотности. Чашка 4 нагревается в водяной бане 5.

При выпаривании некоторых растворов образующиеся мелкие кристаллики «ползут» в виде тонкого слоя по стенкам чашки и даже выходят за ее край из-за более слабого нагрева верхней части чашки. Устранение ползучести твердой фазы достигают применением прибора с верхним нагревателем (см. рис. 191, а) или ИК-излучателя (см. рис. 115, а).

Рис. 191. Устройства для упаривания растворов с верхним нагревателем (д), воронкой (б) и со спаренными чашками (в)

Рекомендуют так же устанавливать снаружи вокруг верхней части чашки или стакан с выпариваемым раствором кольцевой нагреватель в виде стеклянной трубки с нихромовой электрической спиралью.

Выпаривание при постоянной температуре проводят в чашках 3 с паровой рубашкой 2 (рис. 192, а), соединенной с обратным холодильником 1. Теплоносителем в таком приборе является пар высококипящей жидкости (см. табл. 16). Поэтому особого контроля за процессом выпаривания, кроме доливания в чашку очередной порции выпариваемого раствора, не требуется, Если выпаривание необходимо проводить при кипении раствора, содержащего объемистые рыхлые осадки, то применяют правку Шиффа (рис. 192, б).

Рис. 193. Циркуляционный испаритель Панкрата (а), пеноразрушитель (б) и прибор для выпаривания растворов под вакуумом (в)

Выпаривание концентрированных растворов досуха при помощи ИК-излучателей и верхнего нагрева (см. рис. 191, а) не представляет особых трудностей. Выпаривание же таких растворов с нижними нагревателями должно сопровождаться перемешиванием на конечной стадии и строгим контролем за нагреванием, которое надо немедленно прекратить при образовании сырой массы твердой фазы. Из-за перегрева донной части возможно растрескивание массы с разбросом частичек.

При выпаривании щелочных растворов и растворов, содеращих поверхностно-активные вещества, наблюдается образование пены. Устранение пенообразования достигается с помощью простого циркуляционного испарителя Панкрата (рис. 193, а).

Рис. 194. Вакуумные испарители: простой (а), ротационный (б) и роторный (в)

Раствор в циркуляционной трубе 5 нагревается при помощи трубчатого электронагревателя 4, вскипает; смесь жидкости, пара и пены выбрасывается по трубке 3 в сепаратор 2, в котором пенящаяся жидкость наталкивается на противоположную стенку и отделяется от пены, а пар удаляется через трубку 1. Жидкость стекает обратно в циркуляционную трубу 5 и поднимается снова в обогреваемую часть прибора, испаритель. Сконцентрированный раствор периодически удаляют через нижний спуск 6, не допуская выделения кристаллов в циркуляционной трубе.

Для разрушения пены рекомендуют также простой способ. В колбу 3 (рис. 193, б) над поверхностью выпариваемого раствора помещают раскаленную нихромовую спираль 5. Пар удаляют через трубку 1. Токоподводы 2 готовят из толстой медной проволоки. Спираль нагревают так, чтобы пена, разрушаемая теплом, не достигала ее примерно на 1 см и не оставляла бы на ней пленки, которая может быстро разрушить электросопротивление. Нагревают раствор на водяной бане 4.

Применяют вакуумное выпаривание в основном для кон-Центрирования растворов, направляемых после этой операции На кристаллизацию термолабильных веществ. При выпаривании под вакуумом не допускают кипения растворов, так как есть опасность уноса капельножидкой фазы и выделения из нее твердой фазы в трубках, связанных с вакуумной системой.

Наиболее простыми приборами для выпаривания растворов под вакуумом являются приборы, схемы которых приведены на рис. 193, в и 194, а.

В первом приборе использована широкогорлая колба Вальтера 2 (см. рис. 17, е), обогреваемая в жидкостной бане 3 (см. рис. 193, в). Капилляр 6 обеспечивает равномерное кипение жидкости, подсасываемой по мере необходимости из стакана 4 через кран 5. С водоструйным насосом (см. рис. 258) колба соединена через трубку 1.

Выпаривание ведут при непрерывном кипении раствора, В тех случаях, когда кипение сопровождается толчками из-за засорения капилляра, в колбе оставляют небольшое количество рас. твора, к которому непрерывно добавляют свежий раствор из стакана 4. При выпаривании сильно пенящихся растворов отводную трубку 1 заменяют на каплеуловитель (см. рис. 43).

Во втором приборе (см. рис. 194, а) пар испаряющейся жидкости из колбы 3 (см. рис. 194, а) удаляют через трубку 2, соединенную с водоструйным насосом, перед которым ставят предохранительную склянку. Колба 3 снабжена капельной воронкой 1 для периодического добавления в нее новых порций раствора. Нагрев колбы осуществляют при помощи водяной бани 4.

Вакуумное выпаривание можно осуществить и при помощи ранее рассмотренного циркуляционного испарителя (см. рис. 193, а), если его пароотводную трубку 1 присоединить к вакуумной системе. В таком циркуляционном испарителе, работающем под вакуумом, можно упаривать растворы веществ, разлагающихся при нагревании в обычных условиях. Разбавленные растворы таких веществ лучше всего упаривать при температурах не выше 50 °С, что отвечает давлению примерно 80 торр (10600 Па).

Источник

Многие вещества на нашей планете не встречаются в чистом виде, потому ученые придумали множество методов разделения смесей. Некоторые смеси состоят из видимых невооруженному глазу частей. Но есть вещества, однородность которых сохраняется только до наступления особого состояния.

К примеру, из чего состоит гранит, видно всем, а вот структура молока становится явной только при его скисании. Ниже мы рассмотрим, как можно разделить смешанные вещества, и для чего применяется каждый из методов.

Способы разделения однородных смесей

Для выделения из готового состава растворенных компонентов принято использовать химические процессы. Разберем основные химические способы.

Выпаривание

В основу выпаривания заложены физические свойства компонентов смеси, а именно способность кипеть при разных температурах.

В ходе такого процесса состав можно разделить на жидкие и растворимые вещества. Например, вода и соль, или вода и сахар.

Выпариванием пользуются при необходимости выделения из имеющейся смеси только твердого ингредиента.

С температурами кипения отдельных веществ можно предварительно ознакомиться в справочниках по химии или физике. Данные представлены в наглядных таблицах.

Кристаллизация

Кристаллизацией называют процесс формирования кристаллов из стекол, газов, расплавов и растворов. Такую же формулировку применяют при образовании кристаллов с полученной структурой из кристаллов другого структурного класса, так называемые полиморфные превращения, либо при смене состояния вещества из жидкого на твердое кристаллическое.

Методом кристаллизации пользуются для выделения больших образований твердого вещества. Жидкость испаряется частично.

Раствор нагревают до определенной температуры и оставляют открытым на долгий период времени. При медленном испарении жидкости растворенное вещество выпадает в осадок в виде кристаллов. Таким методом в промышленных масштабах добывают соль из природной соленой воды.

Дистилляция (перегонка)

Метод перегонки основан на испарении летучих жидкостей, которые в дальнейшем превращаются в конденсат.

При нагревании раствора летучий компонент превращается в пар и оседает на стенках сосудов в виде капель конденсата.

Дистилляцию применяют в процессе опреснения морской воды, что очень актуально для стран с острой нехваткой питьевой воды.

Дистилляция – это основной метод переработки нефти, которая, по сути, является многокомпонентной смесью. В результате перегонки получают различные виды топлива.

Хроматография

Хроматография основана на способности поверхности определенных веществ с разной интенсивностью поглощать разделяемые компоненты.

Процесс можно рассмотреть на простом практическом примере – разделении красителей фильтровальной бумагой. При погружении конца полоски бумаги в раствор, растворители будут подниматься на разную высоту и с различной скоростью.

В промышленных масштабах фильтровальную бумагу заменяют углем, мелом, известняком и прочими веществами. Для разделения многокомпонентных растворов используют хроматографы. Они не только разделяют смеси, но и устанавливают их состав.

Методы разделения неоднородных составов

Для разделения нерастворимой группы смесей применяют несколько иные методики. Их задача заключается в отделении твердых нерастворимых частиц от жидкостей или твердых частиц другого вида.

Отстаивание

Это наиболее простой метод, который отличается тем, что в процессе отстаивания частицы, имеющие больший вес, чем вода, опускаются на дно сосуда.

Более легкие частицы наоборот всплывают на поверхность, где их потом и собирают.

Чем меньшего размера твердые компоненты, тем дольше длится отстаивание. Поэтому для ускорения очищения жидкости могут применять различные абсорбенты, адсорбенты и прочие химические катализаторы.

Фильтрование

Фильтрование часто используется совместно с отстаиванием. Для его осуществления понадобятся всевозможные фильтры.

Наиболее результативными являются вакуумные, дисковые и ленточные. Они задерживают твердые частицы и пропускают жидкость в емкость. Чем больше размер фильтра, тем быстрее будет происходить фильтрация.

Центрифугирование

Работа высокоскоростных центрифуг заключается в разделении особо устойчивых эмульсий.

При помощи центробежной силы компоненты смеси, имеющие индивидуальную густоту, разделяются через воронки в разные емкости. В этом и состоит суть центрифугирования.

Для газовых взвесей лучше использовать скоростные циклоны. Они собирают твердые частицы на электродах или стенках устройства.

Другие методы разделения

Отделить нужный компонент из имеющейся смеси можно и другими способами.

Приведем несколько примеров:

Сушка – тепловое удаление жидкости из смесей. После сушки остается только твердый состав. Часто применяется на производстве непосредственно перед упаковкой продукции.

Электрофорез – сложное явление, заключающееся в электрокинетическом перемещении дисперсных частиц в жидком или газообразном веществе под воздействием электрического поля. Электрофорез применяется для разделения и изучения состава смеси в молекулярной биологии, химии и биохимии.

Методов разделения смесей намного больше, нежели описано в этой статье. Существуют очень сложные способы, которые предназначены для выделения из состава веществ со схожими свойствами или имеющихся в критически малых количествах в гетерогенных и гомогенных смесях.

Источник

ВЫПАРИВАНИЕ

ВЫПАРИВАНИЕ, осуществляют для концентрирования р-ров, выделения растворенного в-ва или получения чистого р-рителя. Выпариванию подвергают преим. водные р-ры нелетучих или малолетучих в-в.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным давлением повышается т-ра кипения р-ра, поэтому возможности данного способа ограничены св-вами р-ра и т-рой теплоносителя. Разрежение в выпарных аппаратах создается в результате конденсации вторичного пара в спец. конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным р-ром, и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Выпаривание в условиях разрежения позволяет снизить т-ру кипения р-ра; применяется для концентрирования термочувствит. р-ров, напр. лизина, послеспиртовых бард гидролизных произ-в, а также высококипящих р-ров, напр. H₂SO₄.

В зависимости от способа нагревания концентрируемого р-ра выпарные аппараты делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к р-ру через стенку) и контактные, в к-рых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с р-ром.

Пленочные выпарные аппараты применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, напр. в произ-ве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, р-римого кофе. Концентрирова-ние происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) р-ра вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 6-8 м (пов-сть нагрева до 2200 м 2 ). Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением р-ра за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, к-рый движется снизу вверх с достаточно большой скоростью (рис. 1, ж); с нисходящим движением жидкости, свободно стекающей по повети нагрева (рис. 1, з); роторные, в к-рых р-р перемещается («размазывается») скребками ротора по пов-сти теплообмена (рис. 1, и). В роторных аппаратах концентрируют очень вязкие (до 20 Па*с) термочувствит. в-ва, напр. карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных выпарных аппаратов: отсутствие гидростатич. депрессии, малое гидравлич. сопротивление, высокий коэф. теплопередачи [до 2500 кВт/(м*К)], большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта р-ра с пов-стью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного р-ра, трудоемкость очистки пов-сти нагрева. Важное значение для эффективной работы выпарного аппарата имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе, отделение вторичного пара от капель концентрируемого р-ра. Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов ТЭЦ, а также служат причиной инкрустации (иногда значительной) пов-сти нагрева и источником безвозвратных потерь концентрируемого р-ра. Степень сепарации вторичного пара зависит от св-в р-ра и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос р-ра паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость р-ра способствуют появлению пены. Присутствие в р-ре взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к р-ру иногда добавляют в-ва, к-рые повышают поверхностное натяжение (напр., растит. масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные в-ва перед выпариванием путем фильтрования р-ра.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке р-ров в-в, к-рые образуют отложения на пов-сти нагрева, в значит. степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэф. теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию р-ра, м. б. причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэф. теплопередачи компенсируют увеличением . Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных т-ре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности выпарного аппарата (при условии постоянства состава выпариваемого р-ра и давления) т-ра греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется кол-вом отложений на пов-сти нагрева. Накипь удаляют путем периодич. промывки или мех. очистки выпарного аппарата.

Для получения небольших масс продукта (неск. г или кг) в лаб. условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутр. или внеш. конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки м. б. непрерывного и периодич. действия. Последние отличаются более высокими коэф. теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие кол-ва р-ров, напр. в произ-вах особо чистой NaCl, а также Na₂S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный пар для выпаривания не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая т. обр. его т-ру до т-ры греющего пара. В первом случае используется практически полностью вторичный пар, расходуется только электроэнергия, однако возрастают стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Во втором случае вследствие добавления в систему первичного пара часть вторичного пара удаляется из цикла. Аппараты с тепловым насосом целесообразно применять для р-ров, характеризующихся небольшими температурными депрессиями, при разрежениях в паровом пространстве 0,02-0,08 МПа и малых степенях сжатия вторичного пара (не более 2).

В зависимости от направления относит. движения р-ра и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиб. простой по аппаратурному оформлению прямоточной установке р-р подается в первый аппарат и, перемещаясь последовательно через остальные под действием перепада давлений между ступенями, удаляется из последней. Достоинства этих установок: возможность переработки термолабильных р-ров (напр., электролитич. щелоков, алюминатных и содово-поташных р-ров в произ-ве кальциниров. соды), пониженный износ аппаратуры, небольшие потери теплоты с выпаренным р-ром. Недостаток: переток р-ра по мере его концентрирования в аппарат, находящийся под меньшим давлением; при этом снижается т-ра кипения р-ра, но возрастает его вязкость, что приводит к уменьшению коэф. теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый р-р (напр., MgCl₂ или т. наз. оборотный рассол в произ-ве калийных солей) подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение концентрации р-ра сопровождается повышением т-ры, вследствие чего коэф. теплопередачи по ступеням выше, чем при прямотоке. Недостатки такой установки: применение насосов между ступенями для подачи р-ра из аппарата, работающего при меньшем давлении, в аппарат, находящийся под более высоким давлением; необходимость автоматич. регулирования уровня р-ра в каждом выпарном аппарате.

В установке с параллельным питанием р-р подают одновременно в каждую ступень, а сконцентрированный р-р последовательно отбирают из всех ступеней. Эти установки служат гл. обр. для выпаривания р-ров, состав к-рых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщ. кристаллизующихся р-ров (напр., рассолов в произ-ве пищевой NaCl). В каждой ступени р-р выпаривается при постоянной концентрации с выделением соли в результате испарения части р-рителя. Вторичный пар, получаемый в предыдущей ступени, обогревает последующую. Достоинство параллельного питания: наиб. простая система коммуникаций для подачи исходного и отбора конечного р-ров. Недостаток: сравнительно низкие коэф. теплопередачи по ступеням, поскольку в каждой из них находится р-р с макс. конечной концентрацией растворенного в-ва.

Тепловая нагрузка на одиночный выпарной аппарат в общем виде составляет:

Пов-сть нагрева аппарата и расход греющего пара соотв. составляют:

При расчете многоступенчатой установки кол-во воды, выпариваемой в любой i-той ступени, составляет:

Тепловая нагрузка на i-тую ступень и пов-сть нагрева этой ступени соотв. составляют:

Общую и полезную разность температур определяют из уравнений:

где n_к-число ступеней,-потери температурного напора между ними.

===
Исп. литература для статьи «ВЫПАРИВАНИЕ» : Таубман Е.И., Выпаривание, М., 1982; Перцев Л. П., Ковалев Е. М, Фокин В.С, Трубчатые выпарные аппараты для кристаллизирующихся растворов, М., 1982. Л.П. Перцев. Е.М. Ковалев, B.C. Фокин.

Страница «ВЫПАРИВАНИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Источник