§ 8.6. Физико-химические основы перегонки растворов

Различие составов жидкого раствора и равновесного с ним пара позволяет использовать процессы испарения и конденсации для разделения жидких смесей на чистые вещества. При этом различают простую и фракционную (дробную) перегонку. Простая перегонка заключается в непрерывном нагревании жидкой смеси с отводом образующегося пара и его последующей конденсацией. Таким образом исходную смесь можно разделить на две жидкости, одна из которых относительно богаче компонентом А, а другая компонентомВ.Простая перегонка целесообразна лишь при очень большом различие в температурах кипения чистых компонентов. Чаще всего простую перегонку используют при очистке вещества от небольшого количества примесей и тогда, когда не требуется высокой степени очистки получаемых продуктов.

Более эффективным методом разделения веществ является фракционная перегонка, которая состоит в многократном повторении процессов испарения и конденсации. При этом соблюдается следующая последовательность операций:

1. нагревание исходной жидкой смеси до кипения для получения некоторого количества пара определённого состава;

2. конденсация полученного пара;

3. испарение конденсата для получения пара нового состава.

Например, если для исходной смеси Х₀ (рис. 8.7) ограничить кипение интервалом температур T_a – T_b, то можно получить в остатке жидкость состава Х₂ с увеличенным содержанием высококипящего компонента В и собрать конденсат промежуточного состава между Х₁ и Х₁′, обогащённый более летучим компонентом А. Собранный конденсат отвечающий некоторому интервалу концентраций называется фракцией. При повторной перегонке полученной фракции можно собрать конденсат ещё больше обогащённый компонентом А, а при перегонке остатка состава Х₂ – жидкость ещё больше обогащённую компонентом В. Фракционирование можно продолжать до тех пор, пока конденсат не будет представлять собой практически чистый компонент А, а перегоняемая жидкость – чистый компонент В.

На практике смеси обычно разделяют путём непрерывной фракционной перегонки, называемой ректификацией, в ректификационных колоннах периодического или непрерывного действия. Широкое применение находят тарельчатые колонны и колонны с насадками. При достаточном числе тарелок и правильно выбранном режиме работы достигается почти полное разделение смеси и выходящий из колонны пар представляет собой практически чистый легколетучий компонент, а оставшаяся жидкость – труднолетучий компонент.

Если две жидкости могут образовывать азеотропную смесь, то независимо от состава исходного раствора его нельзя разделить на два чистых компонента методом перегонки.

Если исходный раствор отвечает по составу азеотропному то его вообще нельзя разделить перегонкой, т. к. для азеотропной смеси состав пара равен составу жидкости.

Если исходный раствор, является промежуточным азеотропу и чистому компоненту, то методом фракционной перегонки его можно разделить на азеотропную смесь и чистый компонент (см. рис. 8.8).

В системах с минимальной температурой кипения азеотропной смеси в парообразную фазу будет уходить азеотропная смесь, а оставшаяся жидкость будет представлять тот чистый компонент, которым была богаче исходная жидкая смесь по сравнению с азеотропным раствором (для смеси 1 – компонент А, для смеси 2 – компонентВ, рис. 8.8). В системах с максимальной температурой кипения азеотропной смеси в парообразную фазу будет уходить чистый компонент, которым была богаче исходная смесь по сравнению с азеотропным раствором (для смеси 3 – компонентА, для смеси 4 – компонентВ, рис .8.8), а оставшаяся жидкость будет представлять собой азеотропную смесь.

Для разделения азеотропных смесей применяются специальные методы, связанные с изменением температуры и давления или с использованием третьего компонента, образующего гетероазеотроп с одним из компонентов азеотропной смеси (например, азеотропная осушка этилового спирта).