Что такое дистилляция или перегонка в химии 8 класс

Дистилляция

Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой получаемый конденсат имеет усреднённый состав вследствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является конденсат или остаток (или и то, и другое) – в зависимости от дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и соединяющий их обогреваемый паропровод.

Содержание

История

До X века, у Авиценны дистилляция упоминается как метод получения эфирных масел.

Применение

Дистилляция применяется в промышленности и в лабораторной практике для разделения и рафинирования сложных веществ: для разделения смесей органических веществ (например, разделение нефти на бензин, керосин, соляр и др.; получение ароматических веществ в парфюмерии; получение алкогольного спирта) и для получения высокочистых неорганических веществ (например, металлов: бериллий, цинк, магний, кадмий и др.).

Теория

В теории дистилляции в первую очередь рассматриваются двухкомпонентные вещества. Действие дистилляции основано на том, что концентрация некоторого компонента в жидкости отличается от его концентрации в паре, образующемся из этой жидкости. Отношение = является характеристикой процесса и называется коэффициентом разделения при дистилляции. Коэффициент разделения зависит от природы разделяемых компонентов и режима дистилляции.

При =0, когда число частиц, покидающих в единицу времени жидкость, равно числу частиц, возвращающихся в это же время в жидкость, равновесный коэффициент разделения двухкомпонентного вещества может быть выражен через давления и чистых компонентов при температуре процесса: , где и — так называемые коэффициенты активности, учитывающие взаимодействие компонентов в жидкости. Эти коэффициенты имеют температурную и концентрационную зависимости (см. активность (химия)). С понижением температуры значение коэффициента разделения обычно удаляется от единицы, т. е. эффективность разделения при этом увеличивается.

Для различных режимов дистилляции выведены уравнения, связывающие содержание второго компонента в конденсате и в остатке с долей перегонки или с долей остатка при заданных условиях процесса и известной начальной концентрации жидкости (, и — масса конденсата и остатка, а также начальная масса дистиллируемого вещества соответственно). Расчёты проводятся в предположении идеального перемешивания дистиллируемой жидкости, а также жидкого конденсата. Также выведены уравнения распределения компонентов в твёрдом конденсате, получаемого дистилляцией с направленным затвердеванием конденсата или зонной дистилляцией. Параметром этих уравнений является коэффициент разделения α для заданных условий дистилляции.

При дистилляции вещества с большой концентрацией компонентов с конденсацией пара в жидкость при несильной зависимости коэффициентов активности компонентов от их концентраций взаимосвязь величин , и , когда используются концентрации в процентах, имеет вид:

.

Для дистилляции с конденсацией пара в жидкость при малом содержании примеси

,

=.

Дистилляционные уравнения могут использоваться для описания процессов распределения примесей в других фазовых переходах из фазы с интенсивным перемешиванием (таких как переходы жидкий кристалл-кристалл, жидкий кристалл-жидкость, газ-плазма, а также в переходах, связанных с квантово-механическими состояниями – сверхтекучая жидкость, конденсат Бозе-Эйнштейна) – при подстановке в них соответствующих коэффициентов распределения.

Дистилляция с конденсацией пара в жидкость (простая перегонка, фракционная дистилляция, ректификация)

Простая перегонка — частичное испарение жидкой смеси путём непрерывного отвода и конденсации образовавшихся паров в холодильнике. Полученный конденсат называется дистиллятом, а неиспарившаяся жидкость — кубовым остатком.

Фракционная дистилляция (или дробная перегонка) — разделение многокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу части — фракции путём сбора конденсата частями с различной летучестью, начиная с первой, обогащенной низкокипящим компонентом. Остаток жидкости обогащён высококипящим компонентом. Для улучшения разделения фракций применяют дефлегматор.

Ректификация — способ дистилляции, при котором часть жидкого конденсата (флегма) постоянно возвращается в куб, двигаясь навстречу пару в контакте с ним. В результате этого примеси, содержащиеся в паре, частично переходят во флегму и возвращаются в куб, при этом чистота пара (и конденсата) повышается (См. ректификация, ректификационная колонна).

Дистилляция с конденсацией пара в твёрдую фазу (с конденсацией пара в градиенте температуры; с направленным затвердеванием конденсата; зонная дистилляция)

Дистилляция с конденсацией пара в градиенте температуры – дистилляционный процесс, в котором конденсация в твёрдую фазу осуществляется на поверхности, имеющей градиент температуры, с многократным реиспарением частиц пара. Менее летучие компоненты осаждаются при более высоких температурах. В результате в конденсате возникает распределение примесей вдоль температурного градиента, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Разделение компонентов пара при реиспарении подчиняется собственным закономерностям. Так, при молекулярной дистиляции соотношение между количествами и осаждённых в конденсаторе первого и второго компонентов, соответственно, выражается равенством:

,

Дистилляция с направленным затвердеванием конденсата (дистилляция с вытягиванием дистиллята) – дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c полным расплавлением дистиллируемого вещества и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере вытягивания конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.

В получаемом конденсате возникает неравномерное распределение примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс является дистилляционным аналогом нормальной направленной кристаллизации. Распределение примеси в конденсате описывается уравнением:

,

где С – концентрация примеси в дистилляте на расстоянии х от начала, L – высота конденсата при полностью испарившемся дистиллируемом материале.

При движении зонного нагревателя вдоль контейнера сверху вниз в контейнере формируется твёрдый конденсат с неравномерным распределением примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс может быть повторён многократно, для чего конденсат, полученный в предыдущем процессе, должен быть перемещён (без переворота) в нижнюю часть контейнера на место рафинируемого вещества. Неравномерность распределения примесей в конденсате (т. е. эффективность очистки) растёт с увеличением числа повторений процесса.

Зонная дистилляция является дистилляционным аналогом зонной перекристаллизации. Распределение примесей в конденсате описывается известными уравнениями зонной перекристаллизации с заданным числом проходов зоны – при замене коэффициента распределения k для кристаллизации на коэффициент разделения α для дистилляции. Так, после одного прохода зоны

,

где С – концентрация примеси в конденсате на расстоянии х от начала конденсата, λ – длина жидкой зоны.

Источник

Дистилляция, или перегонка

Урок 19. Химия. Вводный курс. 7 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Дистилляция, или перегонка»

Вода из крана нам кажется чистой, прозрачной, она не имеет запаха. Но на самом ли деле это так? Не содержит ли вода примесей? Если заглянуть в чайник, то на его стенках и на спирали можно обнаружить накипь и коричневый налёт, которые образуются после многократного кипячения в нём воды. Известковый налёт на кранах, плитке говорит о том, что вода – водопроводная и природная – является однородной смесью веществ. Естественно, что содержание примесей в такой воде незначительное. Все лекарственные препараты готовят только из очищенной воды, которую называют дистиллированной.

Воду, не содержащую примесей других веществ, получают с помощью процесса, который называется дистилляцией, или перегонкой. Сущность этого метода состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся чистые пары вещества охлаждаются и снова превращаются в жидкость, которая не содержит примесей.

Проведём эксперимент. В перегонную колбу нальём воды, которую подкрасим немного в оранжевый цвет. В холодильник подаётся вода, а содержимое колбы нагреваем до кипения. Пары воды в холодильнике охлаждаются, и дистиллированная вода стекает в приёмник.

Уже очищенную дистилированную воду используют для приготовления лекарств, растворов в химических лабораториях. Дистиллированную воду заливают в аккумуляторы.

Для получения твёрдого вещества из раствора используют выпаривание, или кристаллизацию.

Кристаллизация является одним из способов выделения и очистки твёрдых веществ. Как правило, при нагревании растворимость твёрдых веществ в воде увеличивается. А при охлаждении раствора часть вещества выпадает в виде кристаллов.

Для получения кристаллов твёрдого вещества можно использовать метод выпаривания. Выпаривание можно производить в специальных чашках для выпаривания и в кристаллизаторах.

Соляные озёра также являются бассейнами для кристаллизации. Вода здесь испаряется, соль при этом кристаллизуется, её очищают, затем она идёт на стол к потребителю.

Перегонку используют ещё и для разеления смесей на отдельные компоненты – фракции, которые различаются температурами кипения. Например, перегонкой разделяют нефть на фракции, так как нефть представляет собой смесь. При фракционной перегонке нефти образуются следующие продукты: бензин, лигроин, керосин, газойль, дизельное толиво, мазут и прочие.

Этот процесс идёт в ректификационных колоннах. Бензин, который при этом получают, является основным топливом для легковых автомобилей, дизельное топливо (солярка) является топливом для тракторов и грузовиков. Керосин является топливом для самолётов.

Жидкость можно разделить на компоненты, а газы разделить сложнее. Сначала смесь газов нужно превратить в жидкий раствор, а потом подвергнуть его дистилляции. Например, воздух сжижают, превращают его в жидкость, а затем за счёт разных температур кипения разделяют на фракции. Первым из воздуха выделяется азот, так как у него самая низкая температура кипения, затем из смеси кислорода и аргона выделяют аргон и только потом кислород. Он содержит примеси, но в технических целях его использовать можно: для сварки, химического производства. А вот в медицинских целях используют чистый кислород.

Азот, полученный при перегонке, идёт на производство аммиака, который необходим при производстве азотных удобрений, лекарственных и взрывчатых веществ, азотной кислоты.

Аргон, который получают при перегонке воздуха, используется при аргоновой сварке.

Проведём небольшой эксперимент по выращиванию кристаллов соли. Его можно сделать даже в домашних условиях и получить кристаллы разные по цвету, размерам и форме. Для этого приготовим горячий насыщенный раствор соли. Для этого в горячей воде растворяем соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Затем отфильтруем раствор через воронку с ватой в чистый термос и оставим на 2—3 часа. Затем выливаем раствор в стакан и вносим в него маленький кристаллик соли на ниточке. Накроем сосуд крышкой и оставим на время. Через несколько дней у нас вырастет большой кристалл соли.

Источник

дистилляция

ДИСТИЛЛЯЦИЯ (перегонка) (от лат. distillatio — стекание каплями)

разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Основана на различии в составах жидкости и образующегося из нее пара. Осуществляется путем частичного испарения жидкости и послед. конденсации пара. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) компонентами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) — менее летучими (высококипящими). Если из исходной смеси отгоняется не одна фракция, а несколько, Д. наз. фракционной (дробной). Дистилляц. установка состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к раствору необходимого количества теплоты; дефлегматора 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной Д.); конденсатора 3 для сжижения отбираемого пара; холодильника 4; сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6 (рис. 1). В зависимости от условий процесса различают простую и молекулярную Д.

_{Рис. 1. Дистилляционная установка: 1 — испаритель; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4 — холодильник; 5, 6 — сборники соотв. дистиллята и кубового остатка.}

Простая дистилляция. Проводится при таких давлениях, когда длина своб. пробега молекул во много раз меньше, чем расстояние между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. Температура процесса при заданном давлении определяется условиями фазового равновесия между жидкостью и паром. При необходимости снижения температуры применяют Д. под вакуумом, а также с водяным паром или инертным газом (см. ниже). Распределение компонентов смеси между жидкостью и паром характеризуется коэф. относит. летучести:

где х_i и x_k, у_i и y_k — содержания компонентов i и k соотв. в жидкости и образующемся из нее паре. Состав последнего определяется свойствами и межмолекулярным взаимод. компонентов. При небольших давлениях, когда пар с достаточной для практич. целей точностью подчиняется законам идеальных газов, в состоянии равновесия

где p_i 0 и p_k 0 — давления паров чистых компонентов i и k при температуре кипения смеси, γ_i и γ_k — коэф. активности этих компонентов в жидкой фазе. При высоких давлениях учитывается неидеальность пара. Д. осуществляется периодически (исходная смесь загружается в аппарат однократно или подается в него в течение определенного времени, дистиллят отбирается в ходе процесса, а кубовый остаток выгружается после его завершения) или путем непрерывных подачи исходной смеси и отбора продуктов разделения (дистиллята и кубового остатка). Взаимосвязь количества W 0 _и и расхода W_н исходной смеси, расхода отводимого в конденсатор пара G, количеств дистиллята W_д и кубового остатка W_к, а также содержаний произвольного i-го компонента в исходной смеси x_iи, дистилляте х_iд и кубовом остатке х_iк выражается уравнениями материального баланса. При постоянном W_н/G = Y

При однократной загрузке смеси (Y = 0) количество жидкости в аппарате изменяется от W 0 _н до W_к, и уравнение (3) приводится к уравнению Рэлея:

При непрерывной Д. расходы и составы исходной смеси и продуктов разделения связаны след. уравнениями:

При расчете Д. всегда бывают заданы количество (или расход) исходной смеси, ее состав, а также условия, определяющие конечный результат процесса. В соответствии с его назначением м. б. заданы количество (или расход) кубового остатка (искомые величины — W_д, x_iд и x_iк), состав дистиллята x_iд (х_iк, W_д и W_к) либо кубового остатка x_iк ( W_д, W_к и x_iд). Неизвестные параметры рассчитывают совместным решением уравнений материального баланса с учетом зависимости между составами контактируемых пара (y_i) и жидкости (x_i). Эта зависимость определяется свойствами смесей, условиями процесса и его аппаратурным оформлением. Аппараты, применяемые для Д., делят на емкостные и пленочные. В емкостных аппаратах находится большой объем жидкости, интенсивно перемешиваемой в результате кипения. Состав образующегося пара близок к равновесному и определяется по уравнению:

где n — число компонентов. Эти аппараты используют как для периодич., так и для непрерывной Д. В первом случае содержание низкокипящих компонентов в паре постепенно убывает, и средний состав дистиллята является промежуточным между составами паров, находящихся в равновесии с исходной смесью, и кубовым остатком. Во втором случае состав жидкости в аппарате практически идентичен составу кубового остатка, а состав дистиллята — составу равновесного с этой жидкостью пара. Поскольку дистиллят получается в результате парообразования из смеси конечного состава с наименьшим содержанием низкокипящих компонентов, вемкостных аппаратах при непрерывной Д. достигается меньшая степень разделения смеси, чем при периодич. Д. При расчете Д. n-компонентной смеси обычно задано распределение одного или неск. целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком или относит. количество отгоняемого дистиллята. В общем случае имеется 2n −1 неизвестных: п — 1 значений х_iд, п — 1 значений x_ik и W_к или W_д. Для их определения при расчете периодич. Д. имеются n уравнений материального баланса (для всего процесса в целом и для n −1 отдельных компонентов) и п −1 уравнений (3), которые должны быть решены совместно с п −1 уравнениями фазового равновесия (6). Следовательно, необходимо решить систему 2n −1 уравнений, из которых n уравнений — алгебраические, а п −1 — интегральные. Аналит. решение такой задачи чрезвычайно сложно, поэтому расчеты выполняются численными методами. При этом приходится задаваться относит. содержанием всех компонентов в одном из продуктов разделения (дистилляте или кубовом остатке). Наиб. простой метод — поинтервальный, который заключается в совместном решении уравнений, описывающих условия фазового равновесия, и уравнений материального баланса (3) и (4), записанных в конечных разностях. Для одного интервала ΔW/W принимается определенное значение относит. изменения количества дистиллируемой жидкости и последовательно вычисляется изменение ее состава, т. е. для каждого интервала находится изменение содержания всех компонентов Δx_i. В первом приближении состав пара у_i рассчитывается по уравнениям (6) как равновесный с жидкостью, состав которой соответствует началу интервала. Расчет заканчивается при достижении заданного распределения целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком. Состав дистиллята находится усреднением составов пара, получающегося во всех последовательных интервалах. Критерий правильности расчета — совпадение этого среднего состава дистиллята с найденным по уравнениям материального баланса. При непрерывной Д. n-компонентной смеси состав дистиллята, совпадающий с составом пара, образующегося при кипении кубовой жидкости (х_iд = у_i), вычисляется по уравнениям (6), в которых х_i и x_k — содержания компонентов i и k в кубовом остатке. Таким образом, получается система 2n-1 алгебраич. уравнений, связывающих 2n величин: W_д, W_к, n — 1 значений х_iд и п −1 значений х_iк. Чтобы сделать эту систему уравнений определенной, достаточно задать любую из перечисл. величин. Ввиду нелинейности уравнений (6) аналит. решение практически невозможно и приходится использовать численные методы. Д. многокомпонентных смесей рассчитывают с применением ЭВМ. В пленочных аппаратах жидкость распределяется по поверхности нагрева в виде пленки. По способу ее образования различают: аппараты с жидкостью, свободно стекающей по обогреваемой поверхности ( напр., по поверхности труб) с помощью спец. распределит. устройств (рис. 2, а, б), а также с восходящим движением жидкости за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, движущимся снизу вверх с достаточно большой скоростью; роторные — с жидкостью, «размазываемой» по внутр. поверхности обогреваемого корпуса при вращении ротора с неподвижными или подвижными лопастями (рис. 2, в). По характеру относит. движения фаз пленочные аппараты подразделяют на прямо- и противоточные. Объем и время пребывания жидкости в пленочных аппаратах очень малы, поэтому они используются только для непрерывной Д. и особенно эффективны при перегонке термолабильных веществ и вязких растворов. Состав жидкости в пленочных аппаратах изменяется по высоте, что обусловливает изменение температуры и состава пара. Жидкость и пар, проходящие через произвольное сечение аппарата, не находятся в равновесии и между ними происходит тепло- и массообмен. Скорость и влияние последних на результаты процесса определяются скоростями и характером относит. движения фаз. Уравнение материального баланса для элемента высоты аппарата dh имеет вид:

где G и W — расходы пара и жидкости, y_i p — содержание компонента i в паре, находящемся в равновесии с жидкостью состава x_i, у_i — состав пара, проходящего через рассматриваемое сечение аппарата, K_оу — коэф. массопередачи, а — площадь поверхности массообмена на единицу высоты аппарата.

_{Рис. 2. Аппараты для простой дистилляции: a, б — соотв. прямо- и противоточные со стекающей жидкой пленкой; в — роторный; 1 — испаритель; 2 — сепарационный сосуд; 3 — обогреваемый корпус; 4 — вал; 5 — лопасти.}

При немедленном отводе образующегося пара (тепло- и массообмен с жидкостью исключены) уравнение (7) превращается в уравнение простой Д. Поскольку K_оу > 0, знак второго слагаемого в правой части этого уравнения зависит от характера относит. движения фаз. Вследствие преимуществ. превращения в пар относительно более летучих компонентов содержание их в жидкости постепенно снижается, и она обогащается относительно менее летучими компонентами. Соотв. уменьшается содержание низкокипящих компонентов в равновесном паре. Поэтому при одинаковом направлении движения жидкости и пара последний поступает в произвольное по высоте сечение аппарата с содержанием низкокипящих компонентов у_i, превышающим их содержание у_i p в паре, равновесном с жидкостью, которая проходит через то же сечение. Из-за градиента концентраций у_i—у_i p возникают поток относительно более летучих компонентов из пара в жидкость и встречный поток относительно менее летучих компонентов из жидкости в пар. При большой скорости массообмена состав пара на выходе из аппарата приближается к равновесному с жидкостью конечного состава. При встречном движении фаз через произвольное сечение аппарата проходит пар с меньшим содержанием низкокипящих компонентов, чем отвечающее равновесию с жидкостью в этом сечении. Поэтому благодаря массообмену из жидкости в пар переходят гл. обр. низкокипящие, а в противоположном направлении — высококипящие компоненты. В результате на выходе из аппарата пар по составу приближается к равновесному с исходной смесью, имеющей наиб. содержание низкокипящих компонентов, т. е. достигается дополнительное по сравнению с простой Д. разделение смеси. Расход теплоты на простую Д. определяется по уравнению теплового баланса. Площадь поверхности нагрева испарителя находится из уравнения теплопередачи с учетом изменения коэф. теплопередачи и разности температур теплоносителя и кипящей жидкости с изменением ее состава во времени (при периодич. Д.) или по высоте (при непрерывной Д.). При Д. с дефлегмацией (конденсация преим. высококипящих компонентов при охлаждении смесей с целью их обогащения низкокипящими компонентами) связь состава пара у_i, поступающего из испарителя в дефлегматор (рис. 1), с составами возвращаемой жидкости (флегмы) х_iф и пара у_iф, направляемого в конденсатор, определяется конструкцией и режимом работы дефлегматора. Обычно принимают, что выходящие из него жидкость и пар находятся в равновесии. Тогда взаимосвязь x_iф и y_iф описывается уравнением (6), а количества и состава жидкости в аппарате — уравнением (4), в которое вместо у_i подставляют у_iф. Большая, чем при простой Д., степень разделения смеси достигается благодаря частичной конденсации пара, образующегося в испарителе, и соответствующего увеличения расхода теплоты. Для отгонки из смесей высококипящих веществ с целью понижения температуры процесса используют Д. с водяным паром или инертным газом. Она основана на законе Дальтона, согласно которому давление паров над смесью р равно сумме парциальных давлений паров компонентов. Если отгоняемое вещество А не смешивается с водой, то р = р_A 0 + p_в (р_A 0 — давление пара чистого вещества А при температуре процесса, p_в — давление водяного пара), т. е. общее давление является линейной функцией р_в, и вещество А можно отгонять при любой температуре, варьируя относит. расход водяного пара или инертного газа G_уд. Последний определяется соотношением:

где M_в и M_А — молекулярная масса воды (инертного газа) и отгоняемого вещества, j и др. способы, напр., высаливание). Эти затруднения отпадают при использовании инертного газа. Однако усложняется выделение отгоняемого вещества из образующейся парогазовой смеси вследствие необходимости охлаждения ее до низкой температуры, а нагревание и охлаждение газа требуют применения теплообменных аппаратов с большой площадью поверхности из-за низких коэф. теплоотдачи от стенки к газу и от газа к стенке. Поэтому данный метод применяется, когда Д. под вакуумом затруднительна или невозможна и проводится в емкостных аппаратах, снабженных барботажными устройствами для равномерного распределения пара или газа в объеме жидкости.

_{Рис. 3. Лабораторная установка для простой дистилляции: 1 — перегонная колба; 2 — термометр; 3 — холодильник (конденсатор); 4 — сборник дистиллята.}

При простой Д. контролируются количество жидкости в аппарате, температура ее кипения, по которой судят о составе, и скорость отгонки дистиллята. Регулируемые параметры — количество исходной смеси, расходы теплоносителя, подаваемого в дистилляц. аппарат, и хладагента, используемого для конденсации отгоняемого пара и охлаждения конденсата. При Д. в токе водяного пара регулируется также его расход. При непрерывной Д. регулируемыми параметрами, кроме перечисленных, являются расходы исходной смеси и продуктов разделения. При Д. с дефлегмацией дополнительно регулируется расход флегмы путем изменения расхода хладагента, поступающего в дефлегматор. В лаб. практике применяют все способы Д. Конструкции приборов, изготовляемых обычно из стекла, весьма разнообразны и выбор их определяется гл. обр. физ.-хим. свойствами, и количеством разделяемой смеси. Для Д. смесей в количествах от неск. мг до 1 г используют капилляры, трубки с шарообразными расширениями и маленькие колбы. При большем количестве исходной смеси применяют, как правило, аппараты в виде колб соответствующих размеров. Типичная лаб. установка для Д. при атм. давлении показана на рис. 3. Простую Д. используют в хим., лесохим., фармацевтич. и др. отраслях промышленности для грубого разделения смесей на фракции, когда не предъявляются высокие требования к чистоте получаемых продуктов, а также для очистки жидких смесей от нелетучих или малолетучих примесей; в металлургии — для отгонки из руд или рудных концентратов летучих металлов ( напр., Hg и Zn). Д. с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лаб. практике, Д. с водяным паром — в хим., нефтехим., парфюм. и др. отраслях промышленности для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значит. количества твердых или малолетучих жидких веществ.

Молекулярная дистилляция. Основана на зависимости скорости испарения вещества от его мол. массы при температурах ниже температуры кипения жидкости и низких давлениях ( своб. пробега молекул соизмерима с расстоянием между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. При этом молекулы соударяются относительно редко и движутся практически независимо друг от друга, а расход и состав паровой смеси определяется скоростями испарения отдельных компонентов. Скорость испарения чистого вещества с мол. массой М при температуре T рассчитывается по уравнению Кнудсена — Ленгмюра:

где р — давление пара вещества при температуре жидкости. Скорость испарения компонента смеси меньше, чем чистого вещества, и пропорциональна его мол. доле в смеси. При этом:

т. е., в отличие от условий разделения смесей с помощью обычной Д., α_ik зависит не только от давлений паров чистых компонентов при температуре процесса, но и от их мол. массы. Это позволяет разделять смеси, используя различие мол. масс компонентов при относительно низких температурах. Процесс включает перенос молекул испаряющегося компонента из объема жидкости к поверхности испарения, испарение молекул, перенос их в объеме паровой фазы от поверхности испарения к поверхности конденсации и конденсацию. Поскольку при молекулярной Д. жидкость не кипит, перемешивание паровыми пузырями, характерное для обычной Д., отсутствует, и перенос вещества в объеме жидкости осуществляется преим. путем мол. диффузии. Т. к. этот процесс более медленный, чем испарение с поверхности, жидкость со стороны поверхности обедняется относительно более летучими компонентами и в ней возникает градиент концентраций, что ухудшает условия разделения смеси. Для предотвращения этого уменьшают толщину слоя жидкости и обеспечивают ее перемешивание. Скорость испарения молекул с поверхности жидкости определяется ее температурой: чем она выше, тем больше давление пара и скорость испарения. Однако при увеличении давления пара уменьшается длина своб. пробега молекул и возрастает частота их соударений, что приводит к снижению эффективности разделения смеси. С целью ее повышения Д. проводят при давлениях более высоких, чем те, при которых молекулы достигают поверхности конденсации без соударений. Каждой смеси отвечает определенная оптим. температура, при которой достигается наиб. степень разделения. Для оценки последней используют представление о теоретич. мол. тарелке, под которой понимается устройство, обеспечивающее получение дистиллята с относит. содержанием компонентов, соответствующим соотношению скоростей их испарения при данной температуре, а состав жидкости во всем ее объеме одинаков, т. е. жидкость идеально перемешана. В производств. условиях при однократном испарении степень разделения колеблется от 0,3 до 0,95 теоретич. тарелки. Конденсация на охлаждаемой поверхности не является лимитирующей стадией процесса, т. к. температура этой поверхности поддерживается как минимум на 30–40 °C ниже температуры жидкости.

_{Рис. 4. Аппарат для молекулярной дистилляции. 1,2 — внутренняя обогреваемая и внешняя охлаждаемая трубки; 3 — рубашка.}

В аппарате для молекулярной Д. (рис. 4) исходная смесь распределяется в виде пленки на наружной поверхности внутр. трубки, которая обогревается подаваемым в нее теплоносителем. На расстоянии 10–30 мм от этой трубки находится трубка, снабженная рубашкой, в которую подается хладагент. Кубовый остаток и дистиллят, полученный на охлаждаемой поверхности, отводятся снизу. Для поддержания требуемого остаточного давления рабочее пространство аппарата соединено с вакуумной системой. По способу создания пленки различают аппараты со стекающей жидкостью и центробежные ( пром. — с ротором диаметром до 3 м), позволяющие перерабатывать за 1 ч от микроколичеств до 1 т смеси. Для повышения эффективности разделения дистилляц. аппараты могут снабжаться двумя или более конденсаторами, работающими при разл. температурах, что дает возможность разделять смесь на неск. фракций. Применяют также многоступенчатые противоточные аппараты, степень разделения смеси в которых во много раз больше, чем в одноступенчатых. Рабочие параметры процесса: контролируемые — расход исходной смеси, скорость отгонки дистиллята, температура испаряющейся жидкости, температура хладагента, используемого для охлаждения поверхности конденсации, и давление, регулируемые — расходы исходной смеси, теплоносителя и хладагента. В лабораториях используют периодическую Д. для разделения небольших количеств (несколько мг) смесей термически стойких веществ и непрерывную Д. для перегонки значит. количеств (десятки и сотни г) термолабильных веществ. В первом случае аппаратом обычно служит обогреваемая колба с внутренним или выносным конденсатором, во втором — цилиндрич. испаритель (трубка) с конденсатором, снабженным охлаждающей рубашкой. Молекулярную Д. применяют для разделения и очистки смесей малолетучих и термически нестойких веществ, напр., при выделении витаминов из рыбьего жира, растит. масел и в производстве вакуумных масел.

Лит.: Коган В. Б., Теоретические основы типовых процессов химической технологии, Л., 1977; Гельперин Н. И., Основные процессы и аппараты химической технологии, кн. 1–2, М., 1981.

Источник