8.4. Перегонка рідин (дистиляція). Частина 1
В даний час фірмами випускаються різноманітні лабораторні установки, зібрані із стандартних деталей, від приладів із завантаженням менше 1 г до установок з безперервним процесом перегонки продуктивністю до 5 л/год, а також повністю автоматизовані установки, що працюють при атмосферному тиску та глибокому вакуумі.
Перегонка, або дистиляція (від латів. distillatio - стікання краплями), - процес поділу рідких сумішей на фракції, що відрізняються за складом. Вона заснована на відмінності при кипінні складів рідини і пари, що утворюється з неї. Здійснюють перегонку шляхом часткового випаровування рідини та подальшої конденсації пари. Відігнана фракція (дистилят) збагачена відносно більш летким (низькокиплячим) компонентом, а залишок невідігнаної рідини - менш летким (висококиплячим).
Рідина закипає, коли тиск її насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску (див. рис. 137). При зменшенні зовнішнього тиску зменшується температура кипіння рідини. Якщо зовнішній тиск не змінюється і рідина не містить домішок, температура кипіння в процесі перегонки не змінюється. При перегонці розчинів рідких речовин температура кипіння поступово підвищується до кінця процесу.
Найпростіший прилад для одноразової перегонки рідин складається з колби Вюрца 2 (рис. 161 а), холодильника 3, алонжу 6 і приймача дистиляту 7. У колбу поміщають для полегшення кипіння капіляри 4 з запаяним кінцем. Вони запобігають поштовху при кипінні рідини. Використовують капіляри лише один раз. Верхню частину ртутного резервуара термометра 1 розташовують так, щоб вона знаходилася на рівні нижнього краю отвору труби відвідної колби.
Мал. 161. Прилади для перегонки низько-(а) та висококиплячих (б) рідин: 1-термометр; 2-колба Вюрца; 3-холодильник; 4 капіляри; 5 - колбонагрівач - 6 - алонж; 7-приймач; 8- розподільник; 9 - вирва; 10- гумова прокладка
У цьому випадку ртутний резервуар добре омивається парою рідини, що переганяється, і термометр дає правильні показання температури кипіння рідини. На кінці ртутного резервуару термометра при перегонці повинна утримуватися крапля конденсату, її відсутність вказує на те, що пара перегріта і термометр показує підвищену температуру кипіння.
Рух охолоджувальної води в холодильнику 3 завжди направляють знизу вгору, до більш гарячої частини його внутрішньої трубки. При зворотному русі охолоджувальної води у верхній частині холодильника утворюється повітряна кишеня через виділення з води розчиненого повітря, що призводить до перегріву та розтріскування спаю внутрішньої трубки та зовнішньої сорочки холодильника.
При фракціонуванні конденсату з відбором окремих фракцій, що мають вузький інтервал температур кипіння, застосовують алонжі-"павуки" (рис. 48, г), що легко повертаються в їх пришліфоване з'єднання з холодильником. Якщо конденсат чутливий до вологи повітря та його домішок, то до кінця відвідної трубки алонжу приєднують запобіжні склянки Дрекселя (див. рис. 27) або Тищенко (див. рис 28).
Застосування колби Вюрца з високо розташованою відвідною трубкою зменшує винесення в холодильник крапельно-рідкої фази разом з парою.
Колби з рідиною, що переганяється, нагрівають у колбонагрівачах (див. рис. 118), газовими пальниками (див. рис. 112) і в рідинних лазнях . Використання останніх дозволяє регулювати температуру нагрівання рідини, що переганяється. Рекомендують температуру в рідинній бані підтримувати на 20 - 30 °С вище температури кипіння рідини, що переганяють, для більшої рівномірності кипіння і запобіганняперегрівання рідини.
Швидкість перегонки вважають за нормальну, якщо з холодильника стікає приблизно одна крапля конденсату в 2 - 3 с. До кінця переганяти рідину не рекомендують. Перегонку перетворюють, як у колбі залишається близько 1/10 частини початкового обсягу рідини.
Перегонку висококиплячих рідин (температура кипіння більше 250 ° С) проводять без водяного холодильника (рис. 161,
Як холодильник використовують колбу Вюрца 7, зрошувану водою через розподільник 8 з пористою пластинкою. У вирву 9 поміщають товсту смужку 10 з алюмінію або міді з поролоновою або гумовою накладкою, щоб колба 7 не повністю закривала отвір воронки. Подібний приймач конденсату, що охолоджується, особливо зручний при перегонці рідини з реторти (див. рис. 25).
фракційна перегонка із застосуванням дефлегматорів дозволяє проводити ретельніший поділ розчину декількох рідин на відносно чисті індивідуальні компоненти. Дія дефлегматорів полягає в тому, що в них при неповному охолодженні пари киплячого розчину відбувається часткова конденсація пари більш висококиплячої рідини. Проміжний конденсат, що утворився, називають флегмою (від грец. phlegma - слиз, мокрота). Флегма стікає назад в колбу 6 (рис. 162 а), а пара збагачується компонентом з більш низькою температурою кипіння і потрапляє в холодильник 3, де піддається вже повній конденсації. Дефлегматори сприяють виділенню порції конденсату з вузьким інтервалом температури кипіння порядку 1 - 2 °С.
Серед різних типів дефлегматорів найменш ефективними є дефлегматор Вюрца (рис. 162, б). Ефективність їх майже така сама, як і циліндричної скляної трубки. Роздільна здатність такого дефлегматора різко підвищується, якщо на дно кожної сферичноїповерхні покласти скляну кульку (рис. 162, в) і дати можливість конденсату стікати по бічних трубочках в колбу з окропом. У кожної кульки накопичується невеликий шар флегми, через який проривається пара, збагачуючись все летючим компонентом. Хорошу дію, що розділяє, мають дефлегматори Гемпеля (рис. 162, г), що містять насадку
скляні намиста. У дефлегматоре Кальбаума (рис. 162, д) здійснено принцип попереднього обігріву внутрішньої Фубки парою рідини, що переганяється. Дефлегматором може служити трубка з будь-якою насадкою (рис. 162, е), наприклад, що складається з битого скла або обрізків скляних паличок і трубочок. Однак найбільш досконалою вважають насадку із відрізків скляної спіралі. тий контакт між парою і флегмою.
Мал. 162. Установка для фракційної дистиляції (а). Дефлегматори Вюрца (б), кульковий (в), Гемпеля (г), Кальбаума (д), з насадкою (е) та Відмера (ж): 1 - термометр; 2 - ялинковий дефлегматор; 3 – холодильник; 4 – алонж; J – приймач; 6 - колба, 7 - капіляри; 8- колбонагрівач
У дефлегматоре Відмера (рис. 162 ж) замість насадки використана скляна спіраль, що подовжує шлях руху пари, а повітряна сорочка перешкоджає його значної конденсації і тим самим сприяє встановленню фазової рівноваги між флегмою і парою.
Якість роботи дефлегматора оцінюють відношенням кількості флегми, що стікає у колбу, до кількості отриманого конденсату в одиницю часу. Це відношення називають -флегмовим числом. Зі збільшенням флегмового числа зростає за інших рівних умов розподільча здатність дефлегматора. У цьому плані ялинковий дефлегматор 2 (рис. 162 а) ефективніше кулькового. Ялинковий дефлегматор розглядають як колонку із насадкою.
Перегонку увакуумі застосовують для зниження температури кипіння рідин, що випаровуються у звичайних умовах за занадто високих температур або розкладаються при кипінні під атмосферним тиском.
Вакуумну перегонку ведуть при залишковому тиску 05-100 торр. При нижчому тиску використовують спеціальну апаратуру. Установка для вакуумної перегонки (рис. 163, о) складається з колби Клайзена 4 (Фаворського, див. рис. 23 або Арбузова, див. рис. 24), холодильника 6, приймача Бредта 7 (алонжа-павука), вакуумметра 8 системи для отримання вакууму 9 10 рідинної лазні 5 з термометром 1 і контрольного термометра 3.
Капіляр 2 в колбі Клайзена 4 (або в колбі Фаворського) служить для попередження вибухового закипання рідини, що переганяється. Він сягає майже дна колби. Хороший капіляр навіть при невеликому надмірному тиску повинен пропускати лише дрібні окремі бульбашки повітря, що утворюють у киплячій рідині тонкий струмок. Капіляр забезпечує також рівномірність кипіння та сприяє перемішуванню рідини.
При вакуумній перегонці застосовують колби лише з круглим дном.
Мал. 164. Приймачі дистиляту Брюля (а), Аншютца – Тіле (б) та Бернауера (в): а: I – кінець холодильника; 2 – ручка повороту штатива; 3 – кришка; 4 – пробірки; 5 – вакуумний кран; 6 - штатив
Для відбору фракцій конденсату використовують приймачі різної конструкції: алонж Бредта (див. рис. 163, 6), приймач Брюля (рис. 164 а), алонж Аншютца - Тіле (рис. 164, б), приймач Бернауера (рис. 164, в).
Бредт Юліус (1855 – 1937) – німецький хімік-органік.
Брюль Юліус Вільгельм (1850 – 1911) – німецький фізикохімік.
Приймачі конденсату дозволяють ділити на фракції, не відключаючи прилад від вакууму. У приймачі Брюля можна обертати штатив 6 з пробірками 4для прийому конденсату. Повертаючи ручку 2, по черзі підставляють одну пробірку за іншою під кінець / холодильника. Пробірки перед початком роботи нумерують, щоб не переплутати відібрані фракції.