14.2. Специальные виды перегонки

Специальные виды перегонки используются:

1. Для снижения температуры процесса с целью предотвращения разложения участвующих в нем веществ или необходимости использования дорогостоящих высокотемпературных теплоносителей.

2. Для разделения компонентов с близкой летучестью или азеотропных смесей.

14.2.1. Молекулярная перегонка

Молекулярная перегонка позволяет существенно снизить температуру процесса, а также увеличить его разделительную способность, если мольная масса легколетучего компонента меньше мольной массы труднолетучего. Проводится она под глубоким вакуумом при давлениях 10^–2 – 10^–1 Па, обеспечивающим превышение длины свободного пробега молекул над расстоянием между поверхностями испарения и конденсации, которое составляет ~ 20 – 30 мм. Отличительными особенностями этого вида перегонки являются протекание его при температуре ниже температуры кипения смеси, а также, в отличие от дистилляции, отсутствие равновесия между жидкой и паровой фазами. На рисунке 14.32 изображена схема устройства одноступенчатого аппарата для молекулярной перегонки.

Исходная смесь поступает в распределитель 6 и в виде пленки стекает по стенкам испарителя 1, обогреваемого нагревателем 7. При температуре ниже температуры кипения происходит испарение компонентов жидкой пленки. Так как длина свободного пробега молекул больше расстояния от поверхности пленки до поверхности конденсатора 2, то испарившиеся молекулы практически без столкновения достигают поверхности конденсатора, охлаждаемой до температуры на 40  100 К ниже температуры испарителя. Конденсат, стекая, отводится в виде дистиллята, а неиспарившаяся жидкость в виде кубового остатка. Образовавшиеся пары удаляются с поверхности жидкости, и поэтому равновесие между паром и жидкостью не успевает установиться. В связи с этим разделительная способность при молекулярной перегонке определяется не относительной летучестью компонентов, а скоростью их испарения. В соответствии с кинетической теорией разреженных газов мольный поток компонента i при испарении пропорционален:

, (14.69)

где – это давление насыщенного пара чистого компонентаi, m_i, х_i – его мольная масса и мольная доля в жидкости, T – температура.

Рис.14.32. Схема устройства одноступенчатого аппарата для молекулярной перегонки: 1 – испаритель, 2 – конденсатор, 3 – рубашка, 4, 5 – выводы соответственно кубового остатка и дистиллята, 6 – распределитель пленки исходной смеси, 7 – нагреватель испарителя.

Таким образом, для бинарной смеси увеличение доли легколетучего компонента в паре и соответственно в дистилляте относительно исходной смеси по сравнению с труднолетучим будет:

. (14.70)

Соотношение (14.70) отличается от аналогичного при дистилляции идеальных смесей, когда достигается равновесие между жидкостью и паром, множителем . Это приводит к лучшей разделительной способности процесса молекулярной перегонки, если мольная масса труднолетучего компонента превышает мольную массу легколетучего компонента. Соотношение (14.70) справедливо при условии, что скорость переноса компонентов из жидкой пленки в паровую фазу определяется скоростью испарения. Однако на практике это не всегда соблюдается, так как при обеднении поверхностных слоев пленки преимущественно удаляющимся легколетучим компонентом лимитирующую роль начинает играть стадия доставки молекул данного компонента к поверхности испарения, что снижает разделительную способность процесса молекулярной перегонки. Для уменьшения этого нежелательного явления в промышленных аппаратах предусматривают увеличение скорости движения пленки, ее турбулизацию. Молекулярная перегонка является дорогостоящим процессом и применяется, в основном, для разделения термически нестойких веществ: витаминов, жирных кислот, аминокислот, гормонов и так далее.