Введение
Разделение компонентов смеси по их температурам плавления
Фракционное замораживание – это процесс, используемый в технологической инженерии и химии для разделения веществ с различными температурами плавления. Его можно осуществить путем частичного плавления твердого вещества, например, при зональной очистке кремния или металлов, или путем частичной кристаллизации жидкости, как в случае криодистилляции, также называемой обычным замораживанием или прогрессивным замораживанием. Исходный образец таким образом фракционируется (разделяется на фракции). Частичная кристаллизация также может быть достигнута путем добавления разбавленного растворителя к смеси, с последующим охлаждением и концентрированием смеси путем испарения растворителя – этот процесс называется кристаллизацией из раствора. Фракционное замораживание обычно используется для получения особо чистых твердых веществ или для концентрирования жидкостей, чувствительных к нагреванию.
Дестилляция в замороженном виде
Заморозочная дистилляция – неточное название, поскольку это не дистилляция, а скорее процесс обогащения раствора путем его частичного замораживания и удаления замороженного материала, который содержит меньше растворенного вещества, чем оставшаяся жидкая фаза. Такое обогащение аналогично обогащению при настоящей дистилляции, где испаренная и повторно сконденсированная часть богаче, чем оставшаяся жидкая фаза. Этанол и жидкая вода полностью смешиваются, но этанол практически нерастворим в водяном льду. Это означает, что почти чистый водяной лёд можно осадить из слабого этанольно-водного раствора, достаточно охладив его. Осаждение водяного льда из смеси обогащает этанол в оставшейся жидкой фазе. Затем эти две фазы можно разделить фильтрацией или декантацией. Температура, при которой начинается осаждение водяного льда, зависит от концентрации этанола. Следовательно, при заданной температуре и концентрации этанола процесс замораживания достигнет равновесия при определенном соотношении водяного льда и обогащенного этанольного раствора с определенной концентрацией этанола. Температуры и соотношения смешения этих фазовых равновесий можно определить по фазовой диаграмме этанола и воды. Максимальное обогащение этанола в жидкой фазе достигается в эвтектической точке этанола и воды, приблизительно 92,4 мас. % этанола при -123 °C. Наиболее известные напитки, полученные заморозочной дистилляцией, – это яблочный бренди (applejack) и ледяное пиво. Ледяное вино получается в результате аналогичного процесса, но в этом случае замораживание происходит до ферментации, и, следовательно, концентрируется сахар, а не алкоголь.
Очистка твердых веществ
Когда требуется получить чистое твердое вещество, могут возникнуть две возможные ситуации. Если загрязняющее вещество растворимо в желаемом твердом веществе, потребуется многоступенчатое фракционное замораживание, аналогичное многоступенчатой дистилляции. Однако, если формируется эвтектическая система (аналогично азеотропу в дистилляции), можно выделить очень чистое твердое вещество, при условии, что жидкость не имеет эвтектический состав (в этом случае образуется смешанное твердое вещество, которое может быть сложно отделить) или состав, превышающий эвтектический (в этом случае выделится нежелательное твердое вещество).
Концентрация жидкости
Когда требуется концентрировать жидкую фазу, фракционное замораживание может быть полезно благодаря своей простоте. Фракционное замораживание также применяется в производстве концентрированных фруктовых соков и других жидкостей, чувствительных к нагреванию, поскольку не предполагает нагрева жидкости (в отличие от испарения).
Обезсольчение
Для опреснения морской воды можно использовать фракционное замораживание. В процессе, который естественным образом происходит при образовании морского льда, частично оттаявший замороженный соленый раствор оставляет после себя лёд с гораздо меньшим содержанием соли. Поскольку хлорид натрия понижает температуру замерзания воды, соль в морской воде стремится вытесняться из чистой воды в процессе замерзания, явление, известное как отторжение рассола. В середине ледяных полей формируются большие озера более соленой воды, называемые полиньями, и эта вода в конечном итоге опускается на дно. Аналогично, замерзшая вода с наибольшей концентрацией соли тает первой. Любой из этих методов снижает соленость оставшейся замерзшей воды, и после нескольких повторений результат может быть пригоден для питья.
Алкогольные напитки
Фракционное замораживание может быть использовано как простой метод повышения концентрации алкоголя в ферментированных алкогольных напитках, процесс, иногда называемый криодистилляцией. Примеры включают яблочный бренди (applejack), получаемый из сидра, и ледяное пиво (ice beer). На практике, хотя эта техника не позволяет достичь концентрации алкоголя, сравнимой с дистилляцией, она может обеспечить некоторую концентрацию с гораздо меньшими усилиями, чем потребовалось бы для любого практичного дистилляционного аппарата. Опасность фракционного замораживания алкогольных напитков заключается в том, что оно не удаляет примеси, в отличие от (тепловой) дистилляции. Таким образом, фракционное замораживание может увеличить соотношение примесей к общему объему напитка (хотя не обязательно к количеству этанола). Такая концентрация может вызвать побочные эффекты у употребляющего, приводя к сильному похмелью и состоянию, известному как "яблочный паралич" (хотя этот термин также иногда используется просто для обозначения опьянения, особенно от яблочного бренди).
Альтернативное топливо
Фракционное замораживание обычно используется как простой метод снижения температуры помутнения биодизельного топлива и других альтернативных дизельных топлив, при котором эфиры с более высокой температурой помутнения удаляются из эфиров с более низкой температурой помутнения посредством холодной фильтрации или другими способами, чтобы снизить температуру помутнения итоговой топливной смеси. В этом процессе используется расслоение топлива, при котором компоненты в топливной смеси увеличивают свою плотность по мере приближения к своей температуре помутнения и, следовательно, оседают на дно ёмкости, откуда их можно удалить.