Фракциялық қатыру: қоспаларды балқу температурасы бойынша бөлу әдісі. Химия, металлургияда таза заттар алуға, жылуға сезімтал сұйықтарды концентрлеуге қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қоспа компоненттерін балқу нүктелері бойынша бөлу
Separating components of a mixture by their melting points
Фракциялық мұздату – әртүрлі балқу нүктелері бар заттарды бөлу үшін процестік инженерия және химияда қолданылатын процесс. Оны қатты затты ішінара балқыту арқылы, мысалы кремнийді немесе металдарды аймақтық тазарту кезінде, немесе сұйықтықты ішінара кристалдану арқылы, мысалы, тоңазытқыш дистилляцияда (мұздату дистилляциясы), сондай-ақ қалыпты мұздату немесе прогрессивті мұздату деп те аталады, жүзеге асыруға болады. Осылайша бастапқы үлгі фракцияларға бөлінеді (бөлшектерге ажыратылады). Ішінара кристалдануға қоспаға сұйылтылған еріткіш қосып, еріткішті буландыру арқылы қоспаны салқындатып және шоғырландыру арқылы қол жеткізуге болады. Бұл процесс ерітінді кристалдану деп аталады. Фракциялық мұздату көбінесе өте таза қатты заттарды алу үшін немесе жылуға сезімтал сұйықтықтарды концентрациялау үшін қолданылады.
Fractional freezing is a process used in process engineering and chemistry to separate substances with different melting points. It can be done by partial melting of a solid, for example in zone refining of silicon or metals, or by partial crystallization of a liquid, as in freeze distillation, also called normal freezing or progressive freezing. The initial sample is thus fractionated (separated into fractions). Partial crystallization can also be achieved by adding a dilute solvent to the mixture, and cooling and concentrating the mixture by evaporating the solvent, a process called solution crystallization. Fractional freezing is generally used to produce ultra pure solids, or to concentrate heat sensitive liquids.
Тоңазытқышта дәмдеуіш
Мұздату арқылы айыру – бұл қате атау, себебі бұл айыру емес, керісінше, ерітіндіні ішінара мұздату арқылы байыту және еріген заттың сұйық бөлігіне қарағанда кедей болатын мұздатылған материалды жою процесі. Мұндай байыту нағыз айыру арқылы байытуға ұқсас, онда буланып, қайта конденсацияланған бөлік қалған сұйық бөліктен байырақ болады. Этанол мен сұйық су толық араласады, бірақ этанол су мұзында дерлік ерімейді. Яғни, сулы этанол қоспасынан жеткілікті салқындату арқылы дерлік таза су мұзын тұндыруға болады. Қоспадан су мұзының тұнуы қалған сұйық фазадағы этанолды байытады. Екі фазаны сүзу немесе құю арқылы бөліп алуға болады. Су мұзының тұнуын бастайтын температура этанол концентрациясына байланысты. Осылайша, белгілі бір температурада және этанол концентрациясында мұздату процесі су мұзы мен байытылған этанол ерітіндісінің белгілі бір арақатынасында тепе-теңдікке жетеді. Осы фазалық тепе-теңдіктердің температурасы мен араласу қатынастарын этанол мен судың фазалық диаграммасынан анықтауға болады. Сұйық фазадағы этанолдың ең жоғары байытуы этанол мен судың эвтектикалық нүктесінде, шамамен 92,4 салмақтық % этанол 123 °C температурада жетеді. Мұздату арқылы алынатын ең танымал сусындар – алма шарабы және мұз сырасы. Мұз шарабы да осыған ұқсас процесс нәтижесінде жасалады, бірақ бұл жағдайда ферментациядан бұрын мұздату жүреді, сондықтан алкоголь емес, қант шоғырландырылады.
Freeze distillation is a misnomer, because it is not distillation but rather a process of enriching a solution by partially freezing it and removing frozen material that is poorer in the dissolved material than is the liquid portion left behind. Such enrichment parallels enrichment by true distillation, where the evaporated and re condensed portion is richer than the liquid portion left behind. Ethanol and liquid water are completely miscible, but ethanol is practically insoluble in water ice. That means almost pure water ice can be precipitated from a lean ethanol water mixture by cooling it sufficiently. The precipitation of water ice from the mixture enriches ethanol in the remaining liquid phase. The two phases can then be separated by filtration or decanting. The temperature at which water ice starts to precipitate depends on the ethanol concentration. Consequently, at a given temperature and ethanol concentration, the freezing process will reach an equilibrium at a specific ratio of water ice and enriched ethanol solution with a specific ethanol concentration. The temperatures and mixing ratios of these phase equilibria can be read from the phase diagram of ethanol and water. The maximum enrichment of ethanol in the liquid phase is reached at the eutectic point of ethanol and water, approximately 92.4 weight % ethanol at 123 °C. The best known freeze distilled beverages are applejack and ice beer. Ice wine is the result of a similar process, but in this case, the freezing happens before the fermentation, and thus it is sugar, not alcohol, that gets concentrated.
Қатты заттарды тазарту
Таза қатты зат қажет болғанда екі мүмкін жағдай туындауы мүмкін. Егер қоспа қажетті қатты затқа ерісе, онда көп сатылы дистилляцияға ұқсас бірнеше сатылы фракциялық мұздату қажет. Алайда, егер эутектикалық жүйе қалыптасса (дистилляциядағы азеотропқа ұқсас), сұйықтық эутектикалық құрамында болмаса (онда аралас қатты зат пайда болады, оны бөлу қиын болуы мүмкін) немесе эутектикалық құрамнан жоғары болмаса (онда қажетсіз қатты зат пайда болады) өте таза қатты затты алуға болады.
When a pure solid is desired, two possible situations can occur. If the contaminant is soluble in the desired solid, a multiple stage fractional freezing is required, analogous to multistage distillation. If, however, a eutectic system forms (analogous to an azeotrope in distillation), a very pure solid can be recovered, as long as the liquid is not at its eutectic composition (in which case a mixed solid forms, which can be hard to separate) or above its eutectic composition (in which case the undesired solid forms).
Сұйықтықтардың концентрациясы
Сұйық фазаны концентрациялау қажет болғанда, фракциялық мұздату қарапайымдылығының арқасында тиімді болуы мүмкін. Фракциялық мұздату жеміс шырыны концентраттарын және басқа да жылуға сезімтал сұйықтықтарды өндіруде де қолданылады, себебі ол сұйықтықты қыздыруды талап етпейді (булану сияқты).
When the requirement is to concentrate a liquid phase, fractional freezing can be useful due to its simplicity. Fractional freezing is also used in the production of fruit juice concentrates and other heat sensitive liquids, as it does not involve heating the liquid (as happens during evaporation).
Тұзды тазарту
Теңіз суын тұзсыздандыру үшін фракциялық тоңазытуды қолдануға болады. Теңіз мұзында табиғи түрде жүретін процесс ретінде, тұзды су жартылай еріген кезде, қалған мұздың тұздылығы әлдеқайда төмен болады. Натрий хлориді судың қату температурасын төмендеткендіктен, теңіз суы мұзға айналғанда тұз таза судан бөлініп шығады, бұл құрамына тұз көп судың (раствордың) шығарылуы деп аталады. Мұздың арасында тұздылығы жоғары судың ірі көлдері – полиниялар пайда болады, және бұл су ақырында теңіз түбіне шөгеді. Сол сияқты, тұз концентрациясы ең жоғары мұзды су бірінші болып еруге бастайды. Екі әдіс те қалған мұздатылған судың тұздылығын азайтады, ал бірнеше рет қайталағаннан кейін нәтижесі ішуге жарамды болады.
Fractional freezing can be used to desalinate sea water. In a process that naturally occurs with sea ice, frozen salt water, when partially melted, leaves behind ice that is of a much lower salt content. Because sodium chloride lowers the melting point of water, the salt in sea water tends to be forced out of pure water while freezing, called brine rejection. Large lakes of higher salinity water, called polynyas, form in the middle of floes, and the water eventually sinks to the bottom. Likewise, the frozen water with the highest concentration of salt melts first. Either method decreases the salinity of the remaining frozen water, and after multiple runs the results can be drinkable.
Алкогольді сусындар
Фракциялық мұздату ферменттелген алкогольді сусындардың алкоголь концентрациясын арттырудың қарапайым тәсілі ретінде қолданылуы мүмкін, бұл процеске кейде мұздату арқылы дистилляция делінеді. Мысалдарға қатты сидрден жасалған алма брендисі және мұз сырасы жатады. Іс жүзінде, бұл техника дистилляцияға қарағанда салыстырмалы алкоголь концентрациясын шығара алмайды, бірақ кез келген практикалық дистилляция құрылысымен салыстырғанда әлдеқайда аз күшпен белгілі бір деңгейде концентрацияға қол жеткізуге болады. Алкогольді сусындарды фракциялық мұздатудың қаупі – (жылу) дистилляциядан айырмашылығы, ол қоспаларды жоймайды. Осылайша, фракциялық мұздату сусындардың жалпы көлеміне шаққандағы қоспалардың үлесін арттыруы мүмкін (бірақ бұл қоспалар мен этанол мөлшері арасындағы қатынасты міндетті түрде арттырмайды). Мұндай концентрация ішімдік ішушіге қосымша әсерлер тудыруы мүмкін, мысалы, қатты маскүнемдікке және "алма салдары" деп аталатын жағдайға алып келуі мүмкін (бірақ бұл термин, әсіресе алмадан маскүнемдікке қатысты, қарапайым маскүнемдік үшін де қолданылады).
Fractional freezing can be used as a simple method to increase the alcohol concentration in fermented alcoholic beverages, a process sometimes called freeze distillation. Examples are applejack, made from hard cider, and ice beer. In practice, while not able to produce an alcohol concentration comparable to distillation, this technique can achieve some concentration with far less effort than any practical distillation apparatus would require. The danger of fractional freezing of alcoholic beverages is that it does not remove impurities, unlike (heat) distillation. Thus, fractional freezing may increase the ratio of impurities to the total volume of the beverage (though not necessarily the ratio of impurities to the amount of ethanol). This concentration may cause side effects to the drinker, leading to intense hangovers and a condition known as "apple palsy" (although this term has also simply been used to refer to intoxication, especially from applejack.)
Балама отын
Фракциялық мұздату биодизель және басқа да балама дизель отындарының гельдесу температурасын төмендетудің жеңіл әдісі болып табылады. Бұл әдіс арқылы жоғары гельдесу температурасы бар майлар, төмен гельдесу температурасы бар майлардан суық сүзгілеу немесе отын қоспасының кейінгі балама отынның гельдесу температурасын төмендетуге бағытталған басқа тәсілдер арқылы бөліп алынады. Процесс отынның қабаттану қағидасына негізделген, онда отын қоспасындағы компоненттер өздерінің гельдесу температурасына жақындағанда жоғары гравитациялық салмаққа ие болып, ыдыстың түбіне шөгеді, содан кейін оларды алып тастау мүмкін болады.
Fractional freezing is commonly used as a simple method to reduce the gel point of biodiesel and other alternative diesel fuels, whereby esters of higher gel point are removed from esters of lower gel point through cold filtering, or other methods to reduce the subsequent alternative fuel gel point of the fuel blend. This process employs fuel stratification whereby components in the fuel blend develop a higher specific gravity as they approach their respective gel points and thus sink to the bottom of the container, where they can be removed.