4.4.1. Простая перегонка

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров. Она применима только для разделения смесей с разной летучестью компонентов.

Значительно более полное разделение жидких смесей на компоненты достигается путем ректификации.

4.4.2. Ректификация

Ректификация – процесс разделения смесей летучих жидкостей путем двустороннего массо- и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися друг против друга.

Разделение обычно производится в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется смесь паров с увеличенным содержанием паров низколетучей жидкости, а из паровой фазы конденсируется в первую очередь высококипящая жидкость, преимущественно переходящая в жидкость. Обмен веществ между фазами позволяет получить жидкость, обогащенную низколетучей фазой.

Пары, выходящие из верхней части колонны конденсируются в отдельном аппарате, конденсат разделяется на две части: одна часть возвращается в колонну и орошает ее насадку, а вторая выводится из аппарата. Возвращаемая часть конденсата называется флегмой; часть конденсата, выводимая из аппарата, – ректификатом (верхним продуктом). Снизу колонны удаляется жидкость, обогащенная высококипящей фракцией; она называется остатком (нижним продуктом).

Известно, что сравнительную эффективность ректификационных колонн определяют числом теоретических тарелок и флегмовым числом – отношением массы флегмы к массе ректификата.

Число теоретических тарелок примерно соответствует числу ступеней простой перегонки, необходимой для получения из исходной жидкости ректификата необходимого состава. Число теоретических тарелок колонны зависит от эффективности совместного тепло- и массообмена в колонне.

Потребное количество теоретических тарелок, необходимое для разделения жидкости от начального состава до конечного, приблизительно можно определить по уравнению

N = , (4.1)

где Т_и – абсолютная температура кипения исходной смеси, К; Т_к – абсолютная температура ректификата.

Лабораторные ректификационные колонки изготавливаются на 20, 50, 100, 200 и более теоретических тарелок.

Важным элементом ректификационной колонки является насадка, с помощью которой заполняется колонка для увеличения удельной поверхности контакта жидкой и газообразной фаз. Она должна иметь развитую поверхность и высокий процент свободного объема при небольшом гидравлическом сопротивлении. Насадку обычно изготавливают из витков тонкий проволоки или стекла.

Очень важным условием работы колонки является ее теплоизоляция от окружающей среды. Как правило, применяется активная изоляция с подогревом наружной поверхности электрической спиралью.

4.4.3. Молекулярная перегонка

В случае необходимости разделения смеси трудноразделимых жидкостей, глубокого их разделения применяют молекулярную перегонку. При этом процесс перегонки происходит под глубоким вакуумом – при остаточном давлении в аппарате 0,01…1 Па (10^–2…10^–4 мм рт. ст.). При этом давлении свободный пробег молекул жидкости увеличивается. Если в перегонном аппарате расстояние между поверхностью испарения и поверхностью конденсации меньше, чем величина свободного пробега молекул, то такой процесс называется молекулярной перегонкой.

Особенностью молекулярной перегонки является то, что над поверхностью жидкости не образуется насыщенной паровой фазы. Скорость молекулярной перегонки может быть определена по уравнению

n = , (4.2)

где n – скорость перегонки, моль/с; p – давление пара вещества, дин/см²; S – поверхность испарения, см²; М – молекулярная масса; R – газовая постоянная (8,3 10⁷ эрг/град); Т – абсолютная температура, К.

Чтобы уменьшить испарение веществ с поверхности конденсации, что увеличит испарение с данной поверхности и уменьшит теоретическую скорость перегонки, полученную по уравнению (4.2), температуру поверхности конденсации обычно поддерживают на 100 °С и более ниже температуры испаряющейся жидкости.

При молекулярной перегонке жидкость не кипит, а испаряется, поэтому стремятся получить минимальную толщину слоя испаряющейся жидкости – 0,001…0,005 мм, содержащего 400…2000 мономолекулярных слоев. Стремятся избегать местные перегревы и разложение веществ. Длительность контакта их с греющей поверхностью стремятся сократить до 0,001 с.

При молекулярной перегонке молекулы перегоняемого вещества не сталкиваются друг с другом, поэтому в процессе разделения не существует фазового равновесия между парами и жидкостью. Отсюда очевидно, что разделение на компоненты при молекулярной дистилляции может происходить лишь при значительном различии в давлении пара и молекулярной массы каждого из компонентов смеси.

Данный вид перегонки нашел применение при отделении свободных жирных кислот и неомыляемых веществ от глицеридов, для получения концентратов токоферолов и других подобных смесей. Применение молекулярной перегонки позволяет решать некоторые важные вопросы при подготовке к исследованиям отдельных компонентов липидов, например, концентрирование жирорастворимых витаминов и др.