Oktató anyag a desztillációról



Más néven: lepárlás, ismételt desztilláció: rektifikálás. A desztilláció egy olyan fizikai elválasztó művelet, mely során az elegyek komponenseit különböző illékonyságuk alapján különítjük el egymástól. Ez a leggyakoribb elválasztó művelet melyet a folyadékok elválasztására alkalmaznak. A folyadékkal érintkező és vele egyensúlyban lévő gőzfázisban, eltérő forráspontú vegyületeket tartalmazó rendszer esetén a kisebb forráspontú komponensek koncentrációja nagyobb, mint a folyadékfázisban. Ezt a jelenséget hasznosítjuk a desztilláció és a rektifikáció során.


A gőz - folyadék egyensúly és ábrázolása

Harmatpont az a hőmérséklet ahol a gőz telitetté válik és el kezd lecsapódni. A forráspont az a hőmérséklet melyen az adott folyadék forrni kezd. Ezek a tulajdonságok függnek a fázisok koncentrációjától. A forráspont és a harmatpont tiszta anyagok esetén megegyezik, az elegyeknél csak speciális esetekben (azeotróp pont) egyezik meg. Ha harmatpontot és a forráspontot ábrázoljuk a koncentráció függvényében, akkor kapjuk a harmatpontgörbét és forrpontgörbét. Az egyensúlyi diagram az előző két görbe együttes ábrázolása (1 ábra). Ezeket a jellemzőket a kisebb forráspontú komponens koncentrációjának függvényében kell ábrázolni. Így ha a koncentráció 0 akkor a nagyobb forráspontú anyag (nehéz komponens) van jelen csak a rendszerbe, ha a koncentráció 1 akkor csak a kisebb forráspontú anyag (könnyű komponens) van jelen. Így értelem szerűen a diagramm „y” tengelyeinél a tiszta anyagok forráspontja olvasható le. Az 1. ábra a metanol – víz egyensúlyi görbéjét mutatja be, ebben az esetben a könnyebb komponens a metanol (forráspont: 64°C), a nehezebb komponens a víz (forráspont: 100°C) A harmatpontgörbe felett az anyag csak gőz halmazállapotban van, a forrpontgörbe alatt az elegy csak folyadék halmazállapotban van jelen. A két görbe közötti terület a kétfázisú régió.

1. ábra: Metanol víz egyensúlyi diagramja


Az egyensúlyi diagramm megmutatja, hogy adott hőmérsékleten milyen koncentrációjú az egymással egyensúlyban lévő folyadék és gőz fázis. Vegyünk egy egységnyi tömegű 50%-os metanol – víz elegyet, ezt helyezzük egy olyan tartályba melynek a tetejét egy dugattyúval zárjuk. A dugattyúrudat állandó erővel nyomjuk, ezzel biztosítjuk az állandó nyomást (példánkban 1 bar) a rendszerbe. Feltételezzük, hogy a fázisok között a hőátadás nagy, így a gőz és a folyadék hőmérséklete egyenlő.

1, eset: Ha a tartályt addig melegítjük, hogy a folyadék fázis forráspontú legyen akkor az elegy (2. ábra) 73.2 °C hőmérsékletű és a gőztér koncentrációja 78%. A folyadékfázis koncentrációja nem változik, ha a folyadékból elhanyagolhatóan kis mennyiségű pára távozik.

2, eset: Ha a tartályt 80°C-ig melegítjük akkor a folyadékfázis koncentrációja 26%-ra csökken, mivel a könnyebb a metanol elpárolog. A gőzfázis koncentrációja 62%-ra csökken mivel a víz is párolog a melegítés hatására.

3, eset: Ha az elegyet szinte teljesen elpárologtatjuk és csak minimális mennyiségű folyadék marad, akkor a gőzfázis koncentrációja 50%-ra csökken, tehát megegyezik a elforralt keverék összetételével, és a folyadékfázis összetétele 15%-ra csökken. A tartály hőmérséklete a harmatponttal egyezik meg (85°C).

2. ábra: 50%-os metanol-víz elegy elpárologtatása
1, forráspont; 2, 80°C-os hőmérséklet; 3, harmatpont

Látható, hogy egy adott hőmérséklethez egyértelműen tartozik egy folyadék és egy gőz koncentráció. Ha ezeket a koncentrációkat kigyűjtjük a két forráspont közti tartományban akkor és a folyadék koncentráció függvényében ábrázoljuk a gőz koncentrációkat, akkor az egyensúlyi görbét kapjuk (3. ábra). Ez a görbe megmutatja, hogy egy adott összetételű folyadék milyen koncentrációjú gőzzel tart egyensúlyt. Az egyensúlyi görbe mellett mindig ábrázolunk egy 0-ból induló 1 meredekségű egyenest (y = x) A 3. ábra bemutatja az előző esettanulmányt a metanol – víz egyensúlyi görbéjén. Az „x” tengely a folyadék koncentrációt az „y” a gőz koncentrációt adja meg.

3. ábra: Metanol víz egyensúlyi görbéje
1, forráspont; 2, 80°C-os hőmérséklet; 3, harmatpont


Szakaszos desztilláció

Azt a műveletet szakaszos desztillációnak nevezzük mely során a forrásban lévő elegyet utánpótlás nélkül elgőzölögtetjük, és a gőzt elvezetjük és teljesen lekondenzáltatjuk. A gőz – folyadék egyensúly ismertetésénél az esettanulmány bemutatja az egyensúlyi diagram és az egyensúlyi görbe értelmezését. A második eset vizsgálatával jól bemutatható a desztilláció elmélete. Ha a dugattyút egy csővel helyettesítjük melyen keresztül a gőzöket egy köpenyes hűtőbe vezetjük és lekondenzáltatjuk, majd a kondenzátumot egy külön edénybe (szedőedény) gyűjtjük, akkor a berendezést desztilláló készüléknek (4. ábra) tekinthetjük. A szedőedényben biztosítani kell az 1 baros nyomást, melyet egy légzőnyílással lehet elérni. Ha a tartályt 80°C-ig melegítjük, akkor a termékek koncentrációi megegyeznek a 2, esetben feltüntetett koncentrációkkal. A szedőedénybe gyűjtött folyadékot desztillátumnak vagy párlatnak nevezzük, ennek a koncentrációja megegyezik a gőzfázis koncentrációjával (62%). A tartályban maradt anyagot maradéknak nevezzük, és a koncentrációja megegyezik a folyadékfázis koncentrációjával (26%). A 4. ábra egy laboratóriumi szakaszos desztillálóberendezést mutat be, ennél a készüléknél a lombikot tekinthetjük az előbbi példa tartályának, amiben az elegyet forraltuk.

5. ábra: Laboratóriumi szakaszos desztillálóberendezés
1, lombik; 2, szedőedény; 3, köpenyes hűtő; 4, forralás; 5, hőmérő
forrás: http://www.sciencequiz.net/jcscience/jcchemistry/gapfilling/separationtech.htm


A pálinka

A szakaszos desztillációt az ipari gyakorlatban az élelmiszeripari alkoholok finomítására alkalmazzák legtöbbet a mai napig. Országunk nagy hagyományokkal rendelkezik a pálinka előállítása terén. Ezért mind a pálinkafőzésre alkalmas desztillálóberendezések (5. ábra) üzemeltetésében, mind a minőségi cefre előállítására alkalmas eljárásokban igen nagy gyakorlattal rendelkeznek a szakemberek és műkedvelők.

A párlatkészítés két módja, a magyar kisüsti és a német oszlopos technológia jelentős eltérést mutat. A kisüsti módszerben a cefrét kétszer desztilláljuk szakaszos desztillálóval, míg az oszlopos eljárásban egyszer desztillálnak és a művelet ebben az esetben rektifikálás.

Mielőtt Magyarország csatlakozott az Európai Unióhoz, kérvényezte, hogy a Pálinka nevet csak hazánk használhassa, ez a termék kapjon kizárólagos névhasználatot (hasonlóan az olasz Grappa-hoz, a görög Ouzo-hoz és a német Korn-hoz). A magyar pálinka megfelelt a szigorú követelményeknek és Magyarország megkapta a név kizárólagos használatát (exkluzivitást), azaz az Európai Unió területén, pálinka néven csak az országunk területén termett gyümölcsből, itt lefőzött párlatot, nevezhetjük. A cefre cukorral történő javítása tiltott. Ausztria kivételt és jogot kapott a barackpálinka név használatára négy tartományában.

A pálinka fajtái, megjelölései:

Az eredetvédett pálinka fogalma:

Egyes földrajzi területek kiemelkedően alkalmasak bizonyos gyümölcsfajták termesztésére, ezeken a tájakon évszázadok óta kiváló minőségű pálinkát készítenek. Ha a feltételeknek megfelelnek, akkor a tájegység megkapja az eredetvédett termék megkülönböztető jelzőt, vagyis feltüntethető a terméken.

Jelenleg nyolc ilyen tájegységgel és gyümölcsfajtával rendelkezünk, ezek pálinkái a következők:

Szatmári szilvapálinka, Kecskeméti barackpálinka, Szabolcsi almapálinka, Békési szilvapálinka Gönczi barackpálinka Újfehétói Fürtösmeggy, Göcseji körtepálinka, Pannonhalmi törkölypálinka.

6. ábra: Élelmiszer iparban alkalmazott desztilláló berendezés
forrás: http://www.palinka.net

Folyamatos desztilláció

Azt a műveletet folyamatos egyensúlyi desztillációnak nevezzük, mely során a szétválasztandó elegyet állandó áramban felmelegítjük, majd betápláljuk a lepárló edénybe és az ott keletkezett egyensúlyi gőz és folyadékfázisokat külön-külön elvesszük. Ezt a műveletet flash desztillációnak is nevezik. A folyamatos desztilláció sémáját a 6. ábra mutatja be.

Ha egy folyamatos desztillálókészülékben egy 50%-os etanol – víz elegyet választunk szét úgy, hogy a szétválasztás hőmérséklete 80°C, akkor a termék áramok koncentrációi megegyeznek az gőz – folyadék egyensúly bemutatásánál tárgyalt esettanulmány 2. esetének gőz és folyadék koncentrációival. A szétválasztást a 7. ábra. ábrán ábrázoltuk az egyensúlyi görbe segítségével.

Ezt a művelet a vegyiparban alkalmazzák olyan nagymennyiségű elegyek elválasztására, melyek alkotóinak forráspontjai távol esnek egymástól.

7. ábra: A folyamatos desztilláció sematikus ábrája
1, előmelegítő; 2, desztilláló; 3, hűtő

8. ábra: A folyamatos desztilláció bemutatása az egyensúlyi görbén


Rektifikálás

A rektifikálás más néven ismételt lepárlás, a desztilláció egy változata. Már a desztilláció korai alkalmazásánál is rájöttek, hogy a párlat újradesztillálásával tisztább terméket kapnak. Ezt folyamatos üzemű technológiában úgy képzelhetjük el, hogy folyamatos desztillálóberendezések desztillátumát egy következő berendezésbe vezetjük (8. ábra). Beláthatjuk, hogy ez egy energiapazarló folyamat, hiszen a desztillátumot hűtés után ismét fel kell melegíteni. Ezen a folyamaton úgy lehet javítani, hogy az egymást követő hőcserélőket egy parciális hűtővel helyettesítjük.

A rektifikálás sémáját a 9. ábra mutatja be. Láthatjuk, hogy az előző rendszerhez képest csak egy melegítőt (kiforraló) és egy hűtőt (kondenzátor) alkalmazunk a rendszerben, valamint a köztes maradékokat (3. maradék 2. maradék) visszavezetjük az előző berendezésbe. Ezzel a kialakítással ellenáramban halad egymással a gőz és a folyadék, a desztillálók a fázisok érintkeztetésére szolgálnak. A 1. desztilláló alján kifolyó folyadék egy részét fenéktermékként elvesszük (ez a termék tartalmazza a nagyobb forráspontú komponenseket), a másik részét a kiforralóba elgőzölögtetjük, majd visszavezetjük az oszlopba. A 3. desztilláló tetején kilépő gőzt lekondenzáltatjuk, egy részét fejtermékként elvesszük (ez a termék tartalmazza a kisebb forráspontú komponenseket), majd a másik részét visszavezetjük. Így biztosítva van a berendezések üzemelése során, a folyamatos gőz és a vele ellenáramban haladó folyadék. A desztilláló edényekben a gőz - és a folyadékegyensúly áll be.

A gyakorlatban legtöbbször rektifikáló oszlopokat (kolonnákat) (10. ábra) alkalmaznak az elegyek szétválasztására. Ennek a készüléknek a működési elve megegyezik az előzőekben bemutatottal, a különbség a kialakításban van. A gőz- és a folyadékfázist érintkeztetése egy oszlopban történik, melynek hossza mentén többször beáll a termodinamikai egyensúly. Egy hagyományos rektifikáló oszlop (11. ábra) három fő részből áll (oszlop, kiforraló, kondenzátor). Az oszloprészben töltettel vagy tányérokkal (12. ábra) biztosítjuk a gőz - és folyadékfázis érintkeztetését. A tölteteknek két fő csoportja van a strukturált (14. ábra) és az ömlesztett (13. ábra). Ezeknek a berendezéselemeknek a feladatuk, hogy a folyadék lecsorgását az oszlop mentén lassítsák és eközben a gőzzel minél jobban „keverjék”. A 15. ábra egy nagyátmérőjű oszlop strukturálttöltetét mutatja, jól látható, hogy a kolonnák igen nagy átmérőjűek is lehetnek, akár 11 méter toronyátmérőjű és 60 méter magas készülékekkel is találkozhatunk.

Az oszlopok belsejében természetesen más kisegítő eszközök is vannak például: folyadékelosztók, lefogó eszközök, folyadék újraosztók, tartó tányérok, ködleválasztók, gőzosztók. A 16. ábra bemutatja a kolonnák belsőszerkezetek osztályozását.

9. ábra: Folyamatos desztillálóberendezések sorba kapcsolása

10. ábra: A rektifikálás sematikus ábrája
1, kondenzátor; 2, kiforraló

11. ábra: desztilláló kolonna metszeti képe
forrás: http://rumour3d.co.uk/portfolio2.html

12. ábra: A rektifikáló oszlop felépítése
1, oszlop; 2, kiforraló; 3, kondenzátor

13. ábra: Rektifikáló oszlop tányéros szerkezettel
forrás: http://www.berszangabor.hu/a-szakmai/s05-4-agazati-abra.htm

14. ábra: Ömlesztett töltet fajtái
forrás: Fonyó Zsolt, Fábry György, Vegyipari Művelettani Alapismeretek

15. ábra: Strukturálttöltet
forrás: http://www.tootoo.com/buy-tray_distillation_column/

16. ábra: Nagymérető rektifikáló oszlop strukturálttöltete
forrás: http://www.nonkonsp.com/products

17. ábra: Kolonnák belsőszerkezete


A rektifikálás lényege

Az ipari és laboratóriumi gyakorlatban a rektifikáció végrehajtására oszlopokat alkalmaznak. Tekintsünk példaként egy tányéros oszlopot melynek tányérjain a gőz –folyadék egyensúly teljesen kialakul. Mivel a rendszer egyensúlyi ezért csak forrásponti folyadék és telített gőz van a tányérokon. Egy ilyen oszlopban áramló közegek áramlását mutatja be a 17. ábra. A kolonnában a hőmérséklet (és a nagyobb forráspontú komponens koncentrációja) lentről fölfelé csökken.

Az ábrák értelmezését kezdjük a 3. tányérról lecsorgó folyadékkal melynek koncentrációja x3 és hőmérséklete T3. Ez a folyadék a 2. tányéron T2 hőmérsékletűre melegszik mivel itt érintkezik a 1. tányérról érkező melegebb gőzzel, és részben elpárolog a fázisok koncentrációi x2 (folyadék) és y2 (gőz). A 2. tányérról a folyadék az 1. tányérra folyik tovább, ahol ismét lejátszódik az előbb bemutatott folyamat. Az oszlopban lefelé csorgó folyadék így halad a kiforralóig.

Most tekintsük az 1. tányérról felfelé áramló gőzt ennek a hőmérséklete T1 és koncentrációja y1. Ez a gőz az oszlopban felfelé haladva a 2. tányéron érintkezik a 3. tányérról lecsorgó hidegebb folyadékkal és réslegesen kondenzál és kialakul a termodinamikai egyensúly. Kolonnában felfele áramló gőz így halad tovább a kondenzátorig.

18. ábra: A tányérokról ki - és belépő anyagáramok bemutatása

19. ábra: A tányérok ki - és belépő anyagáram koncentrációk ábrázolása


A desztilláció története

A desztillációról az első írásos emlékek alexandriai alkimistáktól származnak (20. ábra) időszámításunk utáni első századból. Bár ezekben az írásokban közvetlenül nem esik szó sem a desztillációról sem a desztillációs készülékekről, de említenek olyan készülékeket melyek desztilláló berendezéseknek tekinthetők. Ezek az írások azt írják le hogyan vizsgálták a természet körforgását és hogyan próbálták meg utánozni, így ezek az írásos emlékek a párologtatásról és a kondenzációról is írnak. A desztillált vizet időszámításunk utáni 2. században már ismerték Alexandros Aphrodisiensis leírása szerint. Az arabok az egyiptomiaktól vették át ezt a műveletet és a kémiai kísérletek hatásosságát fokozták vele. Ők olyan berendezéseket (alembik, lepárlókazán, és retorta) készítettek melyekkel hatékonyan tudtak desztillálni.

A 12. században a desztilláció felhasználása új irányzatot vett, ugyanis ekkor kezdték el alkalmazni alkoholok kinyerésére. Ennek az eljárásnak a fejlődése tette lehetővé a frakcionált desztilláció felfedezését a 13. században melyet Tadeo Alderotti nevéhez kötnek.

20. ábra: Desztilláló berendezés ábrázolása a 2. századból
"Chrysopoeia of Cleopatra" című könyvből
forrás: R. J. Forbes: A short history of the art of distillation

Az első desztillációról szóló könyvet 1500-ban a német alkimista Hieronymus Braunschweig publikálta (A desztilláló mesterség könyve) ezt egy kibővített kiadás követte 1512-ben. John French 1651-ben írta az első angol nyelvű desztillációról szóló könyvet (A desztilláció mestersége), melynek az alapja Braunschweig munkája, de sok gyakorlati tapasztalattal egészítették ki. Ez a könyv már olyan ábrákat tartalmazott mely a művelet ipari alkalmazásait mutatja be.

Az alkímia nem csak a kémia tudomány fejlődésére volt hatással, így szükség volt egy eszközre mellyel desztillálnak, ehhez retortát használtak. Ez egy üvegedény, melynek a nyaka hosszú és oldalra lefelé döntve van kialakítva (20. ábra). Ennek a felépítésnek az a célja, hogy a hosszú csövön a levegő hűtőhatására lecsapódnak az illékonyabb komponensek és gyűjtő edény felé elfolynak. Későbbiekben a alembikot (21. ábra) használták desztillációra, de a készülék kifejlesztéséhez szükség volt a réz és a szegecskötés feltalálására. Ezt az edényt már felszerelték hűtőberendezéssel, hogy elősegítsék az alkohol lecsapódását ez a lepárlókazán (22. ábra). Ezeket a berendezéseket már a kiszorították a hatékonyabb ipari konstrukciók. Azonban a lepárlókazánt még a mai napig használják egyes élelmiszeripari alkohol előállítására tradicionális okok miatt, például skót whisky, tequila, és egyes vodkák. Ez az eszköz változatos anyagokból készülhet például fa, agyag, rozsdamentes acél. Valamint hasonló eszközt alkalmaznak az illatszerek tisztításánál.

21. ábra: Retorta
forrás: http://www.ask.com/wiki/Petroleum_distillation

22. ábra: Alembik
forrás: http://www.szetei.com/palinkafozo

23. ábra: Desztilláló berendezés lepárlókazánnal
forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Cognac_%28drink%29

Először a desztilláció egy szakaszos technológia volt egy kiforraló edénnyel és egy kondenzátorral. A termékek tisztaságát a desztillátum újra lepárlásával növelték. A nagyobb mennyiségű anyagok elválasztásánál többször desztilláltak. A kémikusok leírása szerint 500-600 desztillációt is el kellett végezni, hogy kinyerjék a számukra szükséges mennyiségű és tisztaságú anyagokat.

A korai 19. században Franciaország területén már használtak előmelegítőket és reflux visszavezetést. Azonban Aeneas Coffey 1830-ban adta be szabadalmát Angliában, egy desztilláló kolonnáról mellyel whiskyt finomított. Ez az eszköz nagy áttörést jelentett, hiszen folyamatos működésű volt és rektifikálásnak tekinthető, így méltán nevezhető a modern rektifikáló oszlopok elődjének. 1877-ben Ernest Solvay adta be szabadalmát az Egyesült Államokban az első tányéros oszlopról (23. ábra) melyet az ammónia desztillációjára alkalmazott. A későbbi években ezt a sémát alkalmazták az olaj - és az alkoholiparban is.

24. ábra: Solvay féle desztilláló kolonna
forrás: http://www.google.com/patents?id=781yAAAAEBAJ&printsec=abstract&zoom=4&source=gbs_overview_r&cad=0#v=onepage&q&f=false

A vegyészmérnökség megjelenésével a 19. század végén, a desztilláció elméletében és gyakorlatában egyre inkább tudományos módszereket használtak az empirikus eljárások helyett. A korai 20. században az olajipar kialakulása lendületet adott az alapos tervezési eljárások kidolgozásának mit például a McCabe-Thiele eljárás és a Fenske egyenlet. Mostanság a számítástechnika fejlődésével lehetőség nyílt a kolonnák közvetlen szimulációjára.  

Kezdőlap
Témakörök
Alkalmazások
Publikációk
Alprojektek
Kapcsolat