ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Дробная перегонка из "Техника лабораторной работы в органической химии Издание 3" Дробная перегонка служит для разделения однородной смеси жидкостей, кипящих при различной температуре и не образующих друг с другом постоянно кипящих смесей. В основе всякой дробной перегонки лежит закон фазового равновесия в системе жидкость — пар, открытый Д. П. Коноваловым пар обогащен тем компонентом, прибавление которого к жидкости понижает ее температуру кипения . [c.141] Как видно на кривой (рис. 80), паровая фаза при любой температуре кипения содержит большее количество низкокипящего компонента, чем жидкая фаза при этом каждой температуре 1 , 1 ) соответствуют строго определенные составы жидкости и пара (М , М ). Таким образом, пар, образующийся из кипящей бинарной смеси, всегда содержит оба компонента, но обогащен более летучим из них. При полной конденсации такого пара получается жидкость с тем же составом, что и пар. При вторичной перегонке этой жидкости вначале образуется дар, еще более обогащенный легкокипящим компонентом. Следовательно, в результате многократного повторения условий фазового равновесия (перегонки) для каждой первой фракции можно в конечном счете получить в первой фракции от последней перегонки низкокипящий компонент смеси, не содержащий другого компонента. Соответственно последняя фракция будет состоять из чистого высококипящего компонента первоначальной смеси. В этом в сущности и заключается принцип разделения смеси жидких веществ путем дробной перегонки. [c.141] В первом случае поступают следующим образом. Смесь перегоняют, собирая несколько фракций либо в заранее намеченных температурных интервалах, либо в температурных интервалах, определяемых изменениями скорости перегонки. Затем подвергают перегонке первую фракцию, от которой в свою очередь отгоняют одну или две фракции перегонку ведут до тех пор, пока температура паров не достигнет верхнего предела, наблюдавшегося при первоначальной перегонке этой фракции. К остатку прибавляют вторую фракцию и продолжают перегонку таким образом до конца. Так повторяют несколько раз, собирая фракции в первоначальных температурных интервалах или же сужая пределы кипения основных фракций. [c.142] Для увеличения эффективности разделения смеси и, следовательно, для уменьшения числа перегонок следует пользоваться дефлегматорами. Сущность действия дефлегматоров состоит в том, что вследствие охлаждения происходит частичная конденсация пара и температура его понижается. Как видно из рис. 80, при понижении температуры пара от до содержание низкокипящего компонента возрастает от до ЛГ2- При этом из состава конденсата, или так называемой флегмы, происходит частичное удаление высококипящего компонента, конденсирующегося в жидкость, стекающую обратно в колбу. [c.142] В лабораториях применяют дефлегматоры самых различных конструкций. Некоторые из них изображены на рис. 81. [c.142] Следует помнить, что дефлегматорами можно пользоваться лишь при многократной дробной перегонке. Для ректификации смеси жидкостей, имеющих относительно близкие температуры кипения, эти приборы практически непригодны ввиду их весьма незначительной эффективности. Наименее эффективны часто применяемые шариковые дефлегматоры (рис. 81, о и б) если же па дно каждого шарика такого дефлегматора не помещать ни металлической сетки, ни стеклянного шарика, то эффективность их становится такой же малой, как у пустой цилиндрической стеклянной трубки. [c.142] Из других типов дефлегматоров без насадки более эффективны дефлегматоры Арбузова (рис. 81, 5) и Гана (рис. 81, е) в последнем охлаждающей поверхностью является поверхность внутренней трубки, содержащей жидкость, кипящую при температуре, средней между температурами кипения обоих компонентов смеси. Более аффективны дефлегматоры с насадками (рис. 81, г) хорошим дефлегматором является и елочный дефлегматор (рис. 81, в). О сравнении эффективности дефлегматоров и ректификационных колонок см. ниже. [c.142] При полной конденсации пара и отсутствии отбора дистиллята в колонке через некоторое время устанавливается равновесие, характеризующееся одинаковым составом пара и флегмы на каждом сечении колонки. В результате пар (или флегма), находящийся в верхней части колонки, будет в максимальной степени, в зависимости от эффективности прибора, обогащен низкокипящим компонентом, а жидкость в кубе будет в максимальной степени обогащена высококипящим компонентом. [c.143] Колонки одинаковой высоты могут иметь для одной и той же смеси различное ЧТТ в зависимости от конструкции колонки, характера насадки и режима работы. Поэтому другой величиной, характеризующей эффективность ректификационных колонок, является высота, эквивалентная одной теоретической тарелке (ВЭТТ), которая получается делением высоты данной колонки на ЧТТ. Однако следует иметь в виду, что увеличение высоты насадки не приводит к пропорциональному увеличению ЧТТ, так как ВЭТТ при этом несколько возрастает. Таким образом, при простом удлинении колонки определенного типа наряду с улучшением ее абсолютной эффективности (ЧТТ) имеет место ухудшение относительной эффективности (ВЭТТ). Лучшие современные лабораторные ректификационные колонки имеют ВЭТТ около 1 см. [c.145] Ниже приведены требования, предъявляемые к конструкции колонки и режиму ректификации. Соблюдение этих требований необходимо для правильной и эффективной работы ректификационной колонки. [c.145] Термоизоляция. Колонка должна быть снабжена термоизоляцией, обеспечивающей максимальное приближение к адиабатическим условиям. В процессе достижения равновесного состояния в колонке обмен компонентами смеси между паром и флегмой, т. е. одновременное и примерно эквимолекулярное испарение из флегмы низко-кипящей жидкости и конденсация находящейся в парах высококипя-щей жидкости, происходит только за счет температурного градиента по всей высоте колонки. При всяком значительном отклонении от адиабатических условий, а именно при перегревании или охлаждении стенок колонки, правильная работа ректификационной колонки будет нарушена и эффективность ее может быть снижена в несколько раз. Главным образом по этой причине обычные лабораторные дефлегматоры, не имеющие изоляции, весьма мало пригодны для однократного разделения жидких смесей. Наиболее эффективные из них (например, типа елочного дефлегматора или дефлегматора Арбузова) имеют ВЭТТ в среднем 10—25 см. С целью устранить этот недостаток была предложена так называемая колонка Видмера (рис. 82, 6). В этом приборе пары сначала поднимаются вверх по внешней трубке, затем спускаются по средней трубке и, наконец, снова поднимаются по внутренней трубке со спиральной насадкой. Флегма стекает обратно в колбу через небольшую, изогнутую крючком трубку, играющую роль жидкостного затвора. [c.145] Обычно колонку изолируют асбестом, пробковой крошкой, магнезиальной массой и т. п., но так как при этом все же происходит некоторая потеря тепла вследствие излучения, то лучше всего сочетать изоляцию с внешним обогревом. Спираль электрообогрева желательно расчленить на несколько секций с самостоятельным регулированием каждой из них, чтобы различию температур на разных сечениях колонки соответствовало последовательное изменение интенсивности обогрева по всей высоте изоляции. Во избежание весьма нежелательного перегрева стенок колонки в изоляции следует поддерживать температуру на 2—5 °С ниже, чем внутри колонки. При этом в результате частичной потери тепла количество флегмы, возвращающейся в перегонный сосуд из колонки, должно быть в 1,2— 1,8 раза больше количества флегмы, стекающей из конденсатора, находящегося в верхней части колонки. Было показано, что перегрев изоляции на 20 °С при ректификации веществ с температурой кипения порядка 180 °С приводил к снижению эффективности колонки с 90 до 20 ЧТТ. [c.146] Для регулирования внешнего обогрева колонки удобно применять съемную рубашку в виде цилиндрического сосуда с двойными стенками, между которыми циркулирует нагретое масло или другая жидкость (рис. 83, а). Между рубашкой 2 и колонкой 1 остается слой воздуха, играющего роль изоляции, а постепенное охлаждение жидкости, движущейся в рубашке снизу вверх, создает необходимый перепад температуры в соответствии с изменением температуры внутри колонки. [c.146] Количество флегмы. Максимальная эффективность ректификационной колонки может быть достигнута лишь при достаточном количестве флегмы, орошающей насадку по всей высоте. Для этой цели служат так называемые конденсаторы (головки), изображенные на рис. 83, б, в, присоединяемые к верхней части колонки. [c.146] Известны конденсаторы с частичной конденсацией паров (дефлегматоры), при применении которых часть паров не сжижается, а проходит через конденсатор и поступает в нисходящий холодильник для образования дистиллята. Для частичной конденсации необходимо тщательно поддерживать определенную температуру жидкости, проходящей через муфту конденсатора, что может быть достигнуто при помощи различных терморегулирующих приспособлений. [c.146] Конденсаторы с полной конденсацией и краном для отбора дистиллата (рис. 83, в) не требуют соблюдения строго определенной температуры. В них происходит полная конденсация всех паров, прошедших через колонку, причем перегонка может совсем не происходить (при закрытом кране) или же идти с любой скоростью. [c.147] Значение конденсатора для эффективности работы колонки очень велико. Даже обычные лабораторные дефлегматоры, малопригодные для ректификации, увеличивают свою эффективность на 2—3 теоретические тарелки при соединении с конденсатором (табл. 49) присоединение же конденсатора к колонке в 10—18 теоретических тарелок повышает ее эффективность на 5— 6 теоретических тарелок. [c.147] Некоторые конденсаторы сконструированы таким образом (рис. 83, б), что можно использовать их как для частичной, так и для полной конденсации пара. Кран, служаш ий для регулирования скорости перегонки или для отбора проб, должен быть припаян возможно ближе к конденсатору на узкой трубке, чтобы перед краном задерживалось как можно меньшее количество конденсата. [c.147] Влияние скорости перегонки на эффективность разделения компонентов жидкой смеси ясно видно из рис. 84, где приведены кривые, характеризующие процесс ректификации 10 мл смеси равных объемов метанола и воды при разных скоростях отгонки с применением колонки длиной 160 мм и диаметром 6 мм, содержащей насадку из стеклянных спиралей. [c.148] Перед началом перегонки следует добиться установления равновесия в колонке, что обычно требует 2—3 ч работы, а иногда и более продолжительного времени от начала кипения смеси. Признаком установления равновесия является постоянство температуры пара в верхней части колонки. При отборе дистиллята температура пара не должна сразу повышаться, а при закрывании крана — понижаться. Если же это наблюдается, через 10—15 мин повторяют отбор дистиллата, увеличив флегмовое число, и при необходимости усиливают испарение. [c.149] Вернуться к основной статье