ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Дробная перегонка из "Техника лабораторной работы в органической химии" 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.114] Как видно на кривой (рис. 63), паровая фаза при любой температуре кипения содержит большее количество низкокипящего компонента, чем жидкая фаза при этом каждой температуре кипения соответствуют строго определенные составы жидкости и пара. 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 пар, еще более обогащенный легко-кипящим 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. [c.115] Соответственно, последняя фракция будет состоять из чистого высококипящего ком понента первоначальной смеси. В этом по существу и заключается принцип разделения дробной перегонки. [c.115] 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. рре-делы кипения основных фракций. [c.115] А—высококипящий компонент В—низкокипящий компонент. [c.115] Для увеличения эффективности разделения смеси и, следовательно, для уменьшения числа перегонок следует пользоваться дефлегматорами. Суш,ность действия дифлегматоров состоит в том, что вследствие охлаждения происходит частичная конденсация пара и температура его понижается. Как видно из рис. 63, при понижении температуры пара от tl до /а содержание низко-кипяш,его компонента возрастает от Мх до УИг. При этом происходит частичное удаление высококипящего компонента, конденсирующегося в жидкость, стекающую обратно в колбу в составе конденсата или так называемой флегмы. [c.116] Следует помнить, что дефлегматорами можно пользоваться лишь при многократной дробной перегонке. Для ректификации смеси относительно близко кипящих жидкостей эти приборы практически непригодны ввиду их весьма незначительной эффективности. [c.116] Часто применяемые в лабораториях шариковые дефлегматоры (рис. 64, а и б) наименее эффективны если же на 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.116] Из других ТИПОВ дефлегматоров без насадки более эффективны дефлегматоры Арбузова (рис. 64,3) и Гана (рис. 64,е) в последнем охлаждающей поверхностью является поверхность внутренней трубки, содержащей жидкость, кипящую при температуре, средней между температурами кипения обоих компонентов смеси. Лучшие результаты дают дефлегматоры с насадками (рис. 64,г) к этим дефлегматорам следует отнести и елочный дефлегматор (рис. 64,б). Об эффективности дефлегматоров сравнительно с ректификационными колонками см. стр. 119, 121, 123. [c.117] Нередко дробную перегонку лучше проводить при уменьшенном давлении, особенно в тех случаях, когда компоненты смеси имеют близкие температуры кипения, но относятся к разным группам органических соединений, например к спиртам и углеводородам. Различие в температурах кипения таких веществ в вакууме может быть значительно большим, чем при атмосферном давлении, и разделение такой смеси будет соответственно легче. [c.117] Другой тип дробной перегонки, ректификация, преследует цель—объединить в одном приборе, ректификационной колонке, в одну операцию столько отдельных процессов перегонки, сколько необходимо для полного разделения смеси. Другими словами, в ректификационной колонке должен быть создан последовательный ряд фазовых равновесий между стекающей обратно флегмой и поднимающимся вверх паром в условиях известного температурного градиента по всей длине колонки. При этом высококипящий компонент будет все время частично конденсироваться из паровой фазы, а низкокипящий будет частично испаряться из флегмы. [c.117] При полной конденсации пара и отсутствии отбора дестиллата 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 низкокипя-щим компонентом, а жидкость в кубе будет в максимальной степени обогащена высококипящим компонентом. [c.117] Сравнительную эффективность ректификационных колонок удобнее всего оценивать числом теоретических тарелок (ч.т.т.). Этот термин был предложен на основе того представления, что в идеальной тарельчатой колонке на каждой тарелке устанавливается полное фазовое равновесие между обоими компонентами смеси в системе, пар—жидкость. Поэтому под одной теоретической тарелкой подразумевается такая часть колонки, в которой пар, проходящий вверх через ее верхнюю границу, находится в состоянии фазового равновесия с флегмой, стекающей вниз через ее нижнюю границу. [c.118] Предположим, что выходящий из колонки пар содержит 90% низкокипящего компонента А и 10% высококипящего компонента В и что пар этого состава находится в фазовом равновесии с жидкостью, содержащей 70% компонента А и 30% компонента В. Отсюда следует, что то сечение колонки, где находится флегма указанного состава, будет являться нижней границей последней теоретической тарелки. Пар в данной точке также содержит 70% компонента А и 30% компонента В и находится в фазовом равновесии с флегмой, состоящей, например, из 50% компонента А и 50% компонента В. Следовательно, то сечение колонки, через которое стекает флегма последнего указанного состава, будет нижней границей предпоследней теоретической тарелки и т. д. Поэтому простая перегонка смеси без применения колонки, а непосредственно из куба в холодильник, отвечает работе максимально одной теоретической тарелки. [c.118] Колонки одинаковой высоты могут иметь для одной и той же смеси различное ч.т т., в зависимости от конструкции колонки, характера насадки и режима работы. Поэтому другой величиной, характеризующей эффективность ректификационных колонок, является высота, эквивалентная одной теоретической тарелке (в.э.т.т.), получаемая делением высоты данной колонки на ч.т.т. Однако следует иметь ввиду, что увеличение высоты насадки не приводит к пропорциональному увеличению ч.т.т., так как в.э.т.т. при этом несколько возрастает. Таким образом, при простом удлинении колонки определенного типа, наряду с улучшением ее абсолютной эффективности (ч.т.т.) имеет место ухудшение относительной эффективности (в.э.т.т,). Лучшие современные лабораторные ректификационные колонки имеют в.э.т.т. около 1 см. [c.118] Изоляция. 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 низкокипящей жидкости и конденсация находящейся в парах высококипящей жидкости, происходит только за счет температурного градиента по всей высоте колонки. При всяком значительном нарушении адиабатических условий, а именно, при перегревании или охлаждении стенок колонки, иравильная работа ректификационной колонки будет нарушена и эффективность ее может быть снижена в несколько раз. Главным образом оо 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 в.э.т.т. в среднем всего лишь 10—25 см. [c.119] Для исправления этого недостатка была предложена так называемая колонка Видмера (рис. 66). 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.119] Однако такую конструкцию все же нельзя считать удачной. Важнейший недостаток колонки Видмера заключается в том, что внутренняя трубка с насадкой обогревается паром, имеющим более высокую температуру, вследствие чего происходит перегрев центральной ректифицирующей части колонки. Следует помнить, что перегревание стенок колонки, вызывающее резкое уменьшение количества флегмы, оказывает гораздо более вредное влияние на процесс ректификации, чем некоторое охлаждение. Кроме того, в средней трубке колонки Видмера обе фазы движутся в одном направлении, и, следовательно, нарушается принцип противотока, необходимый для правильной работы колонки. В результате по своим разделяющим свойствам колонка Видмера не превосходит обычного елочного дефлегматора. [c.119] 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. 67). Между рубашкой и колонкой 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.120] Колонка с воздушной изоляцией тивность ректификационной колонки может и обогревом жидко- быть Достигнута лишь при достаточном количестве флегмы, орошающей насадку по всей высоте. Для этой цели служит так называемый конденсатор (головка) (рис. 68), присоединенный к верхней части колонки. [c.120] Вернуться к основной статье