Чтобы определить, какой тип вакуумного насоса будет наиболее подходящим для конкретного применения, важно понимать процесс дистилляции, факторы, влияющие на эффективность дистилляции, и особенности различных типов насосов.
Как происходит процесс дистилляции?
Дистилляция, дегазация, сушка, фильтрация, мембранное разделение, адсорбция и кристаллизация - все это относится к процессам разделения, которые зависят от различий в физических свойствах веществ в смеси. Дистилляция зависит от разницы в температуре кипения или давлении пара в зависимости от температурных характеристик. Нагрев, выпаривание и конденсация - это инструменты, используемые при дистилляции, которые разделяют жидкие компоненты в жидкой смеси.
Для разделения жидких компонентов с разницей температур кипения менее 30°C обычно рекомендуется использовать фракционирующую колонну с пластинами или насадкой. Это обеспечивает повторную конденсацию и повторное испарение жидкости с обратным охлаждением по мере ее продвижения вверх по колонне для лучшего разделения компонентов.
Более летучие жидкости имеют более низкую температуру кипения или более высокое давление пара по сравнению с температурными кривыми и легче испаряются. Парофазная смесь богаче более летучими соединениями и затем может быть сконденсирована, удержана и возвращена для дальнейшего разделения и очистки, если это необходимо. Чем больше разница в летучести компонента из смеси, тем легче он отделяется.
Что такое летучесть компонентов?
Летучесть - это концентрация вещества в растворе (или его мольной доли) в паровой фазе по сравнению с концентрацией того же вещества в жидкой фазе.
Летучесть - это также давление чистого компонента вещества по сравнению с его общим давлением.
Относительная летучесть двух веществ - это отношение давлений паров их чистых компонентов.
Летучесть вещества “i” определяется как:
Ki = yi/xi
где Ki - это летучесть i-го компонента.
yi - мольная доля компонента i в паровой фазе.
xi - мольная доля компонента i в жидкой фазе.
Мольная доля - это отношение числа молей вещества к общему числу молей в растворе.
Соотношение между давлением чистого компонента вещества и его общим давлением является одинаковым:
yi = xi Vi
где P - общее давление,
Pci - давление паров чистого компонента, тогда:
yi/xi = Vi/P
Относительная летучесть “α” двух веществ равна:
α = K1/K2 = (y1/x1)/(y2/x2) = Pv1/Pv2
Для упрощенной бинарной смеси, которая ведет себя как идеальная жидкость, можно нарисовать фазовую диаграмму при постоянном давлении с указанием мольной доли более летучего компонента на горизонтальной оси и температуры на вертикальной оси.
Нижняя кривая обычно называется “точкой пузырька”, где при заданной мольной доле жидкой смеси жидкость начинает кипеть при заданной температуре. Более высокая кривая обычно называется “точкой росы”, которая указывает на различные температуры, при которых различные мольные доли пара начнут конденсироваться.
В качестве примера на рисунке 2 представлена фазовая диаграмма при постоянном давлении для бинарной смеси с подходящими характеристиками. Это показывает, что смесь будет кипеть при температуре в точке С, когда более летучий компонент 1 составляет хА(С) мольной доли жидкой смеси и будет иметь насыщенный пар “y1”, который составляет почти хD(С) мольной доли всего пара. Эта большая разница между содержанием пара и жидкости в компоненте 1 облегчает дистилляцию.
Процесс вакуумной дистилляции
Для получения упрощенной бинарной смеси, которая ведет себя как идеальная жидкость, вакуумная дистилляция обеспечивает удобный и эффективный формат разделения при более низких температурах без вредных реакций с другими газами, такими как кислород.
В некоторых случаях смесь двух или более жидкостей с заданной мольной долей составляющих будет вести себя как чистая жидкость, где пар, который выкипает при постоянной температуре, имеет ту же мольную долю в паровой фазе, что и в жидкой фазе, и дальнейшего разделения составляющих не происходит. Это известно как “азеотроп”. Например, смесь этанола и воды будет разделяться путем простой дистилляции до тех пор, пока мольная доля этанола не достигнет 0,895, и дальнейшего изменения концентрации не произойдет.
Некоторые азеотропы можно отделить, изменив давление, при котором происходит дистилляция. Вакуумная дистилляция может помочь в некоторых из этих случаев, обеспечивая изменение давления для смещения азеотропа, чтобы обеспечить дальнейшее разделение. Азеотроп этанола/воды исчезает при давлении дистилляции ниже 70 миллиметров ртутного столба. Как и во всех процессах, стоимость дальнейшего разделения диктует его целесообразность.
Процесс молекулярной дистилляции
Молекулярная дистилляция является аналогичным процессом, но происходит при гораздо более низких давлениях (обычно от 0,1 до 0,0005 мм рт. ст.), так что столкновение молекул дистиллята с конденсатором преобладает по сравнению с межмолекулярными столкновениями.
Процесс тонкопленочной дистилляции с использованием перегонных кубов с протертой пленкой (WFS) и испарителей (WFE) обеспечивает удобный способ выделения соединений для химической, пищевой или фармацевтической промышленности, которые имеют высокие температуры кипения или высокую вязкость или чувствительны к термическому разложению, но легко испаряются при умеренных температурах при низких давлениях.
Вакуумные насосы для систем дистилляции-ректификации
Конденсаторы используются для удаления большей части конденсирующихся паров. Однако для удаления постоянных газов, включая утечку воздуха и насыщенных паров при температуре выхлопа вентиляционного конденсатора, наиболее распространенными и предпочтительными насосами для простой или фракционной вакуумной дистилляции являются водокольцевые и сухие вакуумные насосы. Для работы при более низком давлении к любому из них может быть последовательно подключен бустерный насос Рутс НВД, обеспечивающий более высокую производительность перекачки при более низком давлении.
Водокольцевые вакуумные насосы VARP не требуют внутренней смазки и могут работать с большинством жидкостей, таких как вода, масло с низкой вязкостью или многие растворители, которые совместимы с его материалами и технологическим процессом с точки зрения давления пара и вязкости. Они могут обрабатывать жидкие осадки от технологических сбоев или непрерывный поток жидкого конденсата из предварительного конденсатора.
В некоторых случаях жидкостное кольцо может выполнять функции как вакуумного насоса для неконденсирующихся веществ, так и конденсатора прямого контакта для паров, увеличивая его общую производительность перекачки. Это один из самых надежных и долговечных механических насосов благодаря своей упрощенной конструкции с одним вращающимся валом в сборе. Они также доступны из нержавеющей стали для большей коррозионной стойкости к технологическим стокам.
Сухой винтовой насос Leybold также не требует внутренней смазки и может обрабатывать некоторое количество жидкости, но, как следует из названия, для оптимальной производительности лучше держать насос сухим.
Обычно рекомендуются отбойные емкости для улавливания жидких шламов. Поскольку сухой насос не содержит жидкости в своей насосной камере, он не ограничен давлением паров жидкости и может достигать более низких давлений без образования отходов, загрязненных технологическим процессом. Сухой насос обрабатывает конденсирующиеся пары, удерживая их в паровой фазе при повышенной температуре во время прохождения от всасывания к выпуску, чтобы они могли конденсироваться в дополнительном конденсаторе. Сухой винтовой насос и бустерные насосы также доступны с дополнительными защитными покрытиями.
Из-за требований к низкому давлению для молекулярной дистилляции и уменьшенного переноса доступны многоступенчатые бустерные установки, использующие водокольцевые, сухие винтовые или масляные пластинчато-роторные вакуумные насосы в качестве атмосферной ступени.
Преимущества и недостатки сухих вакуумных насосов
Преимущества:
- Более низкое предельное давление и более высокая производительность на выходе низкого давления для одноступенчатого насоса.
- Более низкое энергопотребление.
- Более низкое потребление охлаждающей воды.
- Компактные габаритные размеры.
- Может перекачивать растворители под высоким давлением паров.
- Экологически чистый продукт с меньшим загрязнением окружающей среды.
Недостатки:
- Более высокая стоимость.
- Повышенная сложность влияет на надежность.
- Высокая сложность демонтажа и повторной сборки конечным пользователем на месте.
- Обращение с растворителем ограничено температурой самовоспламенения растворителя.
- Ограниченное употребление жидкости.
Преимущества и недостатки водокольцевых вакуумных насосов
Преимущества:
- Может выполнять функции как вакуумного насоса, так и конденсатора прямого контакта.
- Более низкая закупочная стоимость.
- Простота вращающихся частей повышает надежность.
- Низкие эксплуатационные расходы.
- Благодаря простоте насоса конечный пользователь может легко демонтировать и собрать его на месте.
- Более низкая рабочая температура для термочувствительных или полимеризующихся технологических материалов.
- Жидкий герметик позволяет обрабатывать поступающие газы/пары с более высокой температурой.
- Может поглощать жидкость из технологического процесса или конденсат из расположенного выше по потоку конденсатора.
- Менее чувствителен к технологическим частицам из-за больших зазоров.
- Жидкость внутри насоса может действовать как охлаждающая жидкость, чтобы уменьшить вероятность воспламенения от искры.
Недостатки:
- Обычно эксплуатационные расходы выше, чем у сухого насоса.
- Более высокая мощность и потребление охлаждающей воды.
- Большая занимаемая площадь.
- Производительность насоса ограничена давлением паров герметика.
- Требуется запас жидкого герметика.
- Эксплуатация обычно приводит к образованию большего количества опасных отходов.
Что лучше выбрать сухой вакуумный насос или водокольцевой насос?
При выборе наилучшего насоса для конкретного применения необходимо учитывать множество факторов, касающихся веществ, которые необходимо перегонять, веществ, которые должны оставаться в жидком растворе, самих типов насосов и других аспектов процесса:
- Точки кипения веществ.
- Кривые зависимости давления пара от температуры веществ.
- Вязкость и чувствительность к термическому разложению веществ.
- Количество жидкости, которое насос должен будет выдержать.
- Способность насоса справляться с жидкими осадками, возникающими в результате технологических сбоев.
- Необходимость обеспечения более высокой производительности перекачки при более низком давлении.
- Уровень коррозионной стойкости насоса.
- Габаритные размеры насоса и сложность технического обслуживания.
- Покупная цена насоса в сравнении с ценами на энергопотребление.
- Использование технологической охлаждающей воды и производство опасных отходов.
