Cách chọn bơm hút chân không chưng cất hóa chất

Để xác định loại máy bơm chân không nào sẽ phù hợp nhất cho một ứng dụng, điều quan trọng là phải hiểu quy trình chưng cất, các yếu tố tạo nên hiệu quả của quá trình chưng cất và các tính năng của các loại máy bơm khác nhau.

Chưng cất hoạt động như thế nào?

Chưng cất, khử khí, làm khô, lọc, tách màng, hấp phụ và kết tinh là tất cả các quá trình phân tách dựa trên sự khác biệt về tính chất vật lý của các chất trong hỗn hợp. Quá trình chưng cất dựa trên sự khác biệt về điểm sôi hoặc áp suất hơi so với đặc điểm nhiệt độ. Làm nóng, bay hơi và ngưng tụ là các công cụ được sử dụng trong quá trình chưng cất để tách các thành phần lỏng trong hỗn hợp lỏng.

Để tách các cấu tử lỏng có sự khác biệt về nhiệt độ sôi dưới 30 ° C, thường nên dùng cột phân đoạn có đĩa hoặc bao gói. Điều này tạo ra sự ngưng tụ lặp lại và làm bay hơi lại chất lỏng hồi lưu khi nó tiến lên cột để tách các thành phần tốt hơn.

Chất lỏng dễ bay hơi hơn có điểm sôi thấp hơn hoặc áp suất hơi cao hơn so với đường cong nhiệt độ và dễ bay hơi hơn. Hỗn hợp pha hơi giàu các hợp chất dễ bay hơi hơn và sau đó có thể được ngưng tụ, chứa và quay trở lại để tách và tinh chế thêm, nếu cần. Sự khác biệt về độ bay hơi của một thành phần trong hỗn hợp càng lớn thì nó càng dễ bị tách ra.

Hiểu biết về sự biến động

Độ bay hơi là nồng độ của một chất trong dung dịch (hoặc phần mol của nó) trong pha hơi so với nồng độ của cùng một chất trong pha lỏng của nó. Độ bay hơi cũng là áp suất thành phần thuần túy của chất so với áp suất toàn phần của nó. Độ bay hơi tương đối của hai chất là tỷ số giữa áp suất hơi thành phần nguyên chất của chúng.

Độ bay hơi của chất “i” được định nghĩa là: Ki = yi / xi. Trong đó:

Ki là độ biến động của thành phần thứ i.

yi là phần mol của thành phần thứ i trong pha hơi.

xi là phần mol của thành phần i trong pha lỏng.

(Phần mol là tỷ số giữa số mol của một chất trên tổng số mol trong một dung dịch.)

Tỷ số là như nhau giữa áp suất thành phần nguyên chất của một chất và áp suất tổng của nó:

Vì yiP = xiPvi, trong đó P là áp suất toàn phần và Pvi là áp suất hơi của thành phần nguyên chất nên yi / xi = Pvi / P.

Độ bay hơi tương đối “α” của hai chất là: α = K1 / K2 = (y1 / x1) / (y2 / x2) = Pv1 / Pv2

Đối với hỗn hợp nhị phân đơn giản hóa hoạt động như một chất lỏng lý tưởng, biểu đồ pha ở áp suất không đổi có thể được vẽ với phần mol của thành phần dễ bay hơi hơn trên trục hoành và nhiệt độ trên trục tung.

Đường cong dưới thường được gọi là “điểm bong bóng” trong đó, đối với một phần mol nhất định của hỗn hợp chất lỏng, chất lỏng bắt đầu sôi ở một nhiệt độ nhất định. Đường cong cao hơn thường được gọi là “điểm sương”, cho biết các nhiệt độ khác nhau, nơi các phần mol khác nhau của hơi sẽ bắt đầu ngưng tụ.

Ví dụ, Hình 1 đại diện cho một giản đồ pha ở áp suất không đổi cho một hỗn hợp nhị phân hoạt động tốt. Nó cho thấy hỗn hợp sẽ sôi ở 0,59 Nhiệt độ (T) khi Thành phần 1 dễ bay hơi hơn đại diện cho 0,3 mol hỗn hợp lỏng và sẽ có hơi bão hòa “y1” đại diện cho gần 0,75 phần mol của toàn bộ hơi. Sự khác biệt lớn này giữa phần đóng góp hơi và lỏng của Thành phần 1 giúp cho việc chưng cất dễ dàng hơn.

                                                              Hình 1.

Quy trình chưng cất chân không

Đối với một hỗn hợp nhị phân đơn giản hóa hoạt động như một chất lỏng lý tưởng, chưng cất chân không cung cấp một định dạng thuận tiện và hiệu quả để phân tách ở nhiệt độ thấp hơn mà không có phản ứng có hại với các khí khác như oxy.

Trong một số trường hợp, hỗn hợp của hai hoặc nhiều chất lỏng với một phần mol nhất định của các thành phần sẽ hoạt động như một chất lỏng tinh khiết, trong đó hơi sôi bùng lên ở nhiệt độ không đổi có cùng phần mol trong pha hơi như trong pha lỏng và không xảy ra sự phân tách thêm của các cấu tử. Đây được gọi là “azeotrope.” Ví dụ, hỗn hợp etanol và nước sẽ tách ra thông qua quá trình chưng cất đơn giản cho đến khi phần mol etanol đạt 0,895 và không xảy ra sự thay đổi nồng độ nữa.

Một số azeotropes có thể được tách ra bằng cách thay đổi áp suất mà quá trình chưng cất xảy ra. Chưng cất chân không có thể giúp ích trong một số trường hợp này bằng cách cung cấp một sự thay đổi áp suất để dịch chuyển azeotrope để cho phép tách tiếp. Dạng azeotrope của etanol / nước biến mất ở áp suất chưng cất dưới 70 milimét (mm) HgA. Như trong tất cả các quy trình, chi phí của việc phân tách sẽ quyết định tính khả thi của nó.

Quy trình chưng cất phân tử

Chưng cất phân tử là một quá trình tương tự nhưng xảy ra ở áp suất thấp hơn nhiều (thường từ 0,1 đến 0,0005 mm HgA) do đó va chạm của các phân tử chưng cất với bình ngưng chiếm ưu thế so với va chạm giữa các phân tử.

Quá trình chưng cất màng mỏng sử dụng máy lọc màng (WFS) và thiết bị bay hơi (WFE) cung cấp một phương pháp thuận tiện để tách các hợp chất ra khỏi các ngành hóa chất, thực phẩm hoặc dược phẩm có nhiệt độ sôi cao, hoặc độ nhớt cao, hoặc nhạy cảm với sự phân hủy nhiệt nhưng dễ dàng bay hơi ở nhiệt độ khiêm tốn ở áp suất thấp.

Bơm chân không ưu tiên

Bình ngưng được sử dụng để loại bỏ hầu hết các hơi ngưng tụ. Tuy nhiên, để loại bỏ các khí vĩnh cửu, bao gồm rò rỉ không khí và hơi bão hòa ở nhiệt độ xả của bình ngưng thông hơi, các máy bơm phổ biến nhất và được ưa chuộng nhất cho quá trình chưng cất chân không phân đoạn hoặc đơn giản là vòng lỏng và máy bơm chân không khô. Đối với hoạt động ở áp suất thấp hơn, Bộ tăng áp xoay vòng có thể được kết nối nối tiếp với một trong hai bộ này để cung cấp công suất bơm cao hơn ở áp suất thấp hơn.

Vòng chất lỏng không yêu cầu bôi trơn bên trong và có thể chạy trên hầu hết các chất lỏng như nước, dầu có độ nhớt thấp hoặc nhiều dung môi tương thích với vật liệu và quy trình của nó về áp suất hơi và độ nhớt. Nó có thể xử lý sên lỏng do đảo lộn quy trình hoặc dòng chảy liên tục của chất lỏng ngưng tụ từ bình ngưng tụ trước.

Trong một số trường hợp, vòng chất lỏng có thể hoạt động như một máy bơm chân không cho các chất không ngưng tụ và một bộ ngưng tụ tiếp xúc trực tiếp cho hơi, làm tăng khả năng bơm tổng thể của nó. Nó là một trong những máy bơm cơ học bền và đáng tin cậy nhất vì thiết kế đơn giản với một cụm trục quay. Nó cũng có sẵn máy làm bằng bằng thép không gỉ 316 để chống ăn mòn cao hơn đối với nước thải của quá trình.

       Được hiển thị là một máy bơm chân không vòng chất lỏng KLRC 300 Tuthill Kinney.

Máy bơm khô trục vít quay cũng không yêu cầu bôi trơn bên trong và có thể xử lý một số chất lỏng mang theo, nhưng như tên gọi của nó, tốt hơn là giữ cho máy bơm khô để có hiệu suất tối ưu.

Bình thường sẽ được khuyên dùng để bẫy sên lỏng. Vì máy bơm khô không chứa chất lỏng bên trong buồng bơm của nó nên nó không bị giới hạn bởi áp suất hơi của chất lỏng và có thể đạt được áp suất thấp hơn mà không tạo ra các chất thải bị ô nhiễm trong quá trình. Máy bơm khô xử lý hơi ngưng tụ bằng cách giữ chúng trong pha hơi ở nhiệt độ cao trong khi di chuyển từ hút sang xả, do đó chúng có thể được ngưng tụ trong bình ngưng tụ sau. Máy bơm khô trục vít quay và bộ phận tăng áp trục quay cũng có sẵn với các lớp phủ bảo vệ tùy chọn.

Do các yêu cầu về áp suất thấp đối với quá trình chưng cất phân tử và giảm sự chuyển tải, các gói tăng áp nhiều tầng sử dụng vòng chất lỏng, trục vít quay khô hoặc máy bơm chân không piston quay kín dầu khi ở giai đoạn khí quyển có sẵn.

Được hiển thị là một máy bơm chân không khô kiểu trục vít Tuthill SDV 800.

Dưới đây là ưu điểm và nhược điểm của bơm vòng chất lỏng và bơm khô:

Vòng chất lỏng so với máy bơm chân không khô

Để chọn máy bơm tốt nhất cho ứng dụng, nhiều yếu tố cần được xem xét liên quan đến các chất cần được chưng cất, các chất cần giữ lại trong dung dịch lỏng, bản thân loại máy bơm và các khía cạnh khác của quá trình:

• Điểm sôi của các chất.
• Đường cong áp suất hơi so với nhiệt độ của các chất.
• Độ nhớt và độ nhạy cảm với sự phân huỷ nhiệt của các chất.
• Bơm sẽ cần phải chịu được chất lỏng.
• Khả năng của máy bơm để xử lý sên lỏng từ các rối loạn quy trình.
• Cần cung cấp công suất bơm cao hơn ở áp suất thấp hơn.
• Mức độ chống ăn mòn của máy bơm.
• Dấu chân của máy bơm và sự phức tạp của việc bảo trì.
• Giá mua máy bơm so với giá tiêu thụ điện năng.
• Quy trình sử dụng nước làm mát và sản xuất chất thải nguy hại.

                                                            Điểm sôi của dung môi