При немедленном отводе образующегося пара (тепло- и массообмен с жидкостью исключены) уравение (7) превращается в уравение простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ Поскольку К_оу > 0, знак второго слагаемого в правой части этого уравения 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 главным образом низкокипящие, а в противоположном направлении - высококипящие компоненты. В результате на выходе из аппарата пар по составу приближается к равновесному с исходной смесью, имеющей наиболее содержание низкокипящих компонентов, т. е. достигается дополнительное по сравнению с простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ разделение смеси. Расход теплоты на простую ДИСТИЛЛЯЦИЯ определяется по уравению теплового баланса. Площадь поверхности нагрева испарителя находится из уравения теплопередачи с учетом изменения коэффициент теплопередачи и разности температур теплоносителя и кипящей жидкости с изменением ее состава во времени (при периодической ДИСТИЛЛЯЦИЯ) или по высоте (при непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ). При ДИСТИЛЛЯЦИЯ с дефлегмацией (конденсация преимущественно 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 уравением (6), а кол-ва и состава жидкости в аппарате - уравением (4), в которое вместо у_i подставляют у_iф. Большая, чем при простой ДИСТИЛЛЯЦИЯ, 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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ 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_A⁰ + p_в (р_A⁰ - 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:

G_уд = p_вM_в/р_A⁰M_Aj, (8)

где M_в и M_А - молекулярная масса воды (инертного газа) и отгоняемого вещества, j < 1 - степень насыщения водяного пара или инертного газа парами отгоняемого вещества по сравнению с равновесной степенью насыщения. При ДИСТИЛЛЯЦИЯ в токе водяного пара образуется паровая смесь, которая затем конденсируется и охлаждается. Конденсат разделяется в сепараторе на отогнанный компонент и воду. Целевой продукт выделяется из конденсата тем легче и полнее, чем меньше его растворимость в воде. Если она значительна, приходится отгонять из воды целевой продукт и подвергать его осушке (применяют и др. способы, например, 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 коэффициент теплоотдачи от стенки к газу и от газа к стенке. Поэтому данный метод применяется, когда ДИСТИЛЛЯЦИЯ 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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ 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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ в токе водяного пара регулируется также его расход. При непрерывной ДИСТИЛЛЯЦИЯ регулируемыми параметрами, кроме перечисленных, являются расходы исходной смеси и продуктов разделения. При ДИСТИЛЛЯЦИЯ с дефлегмацией дополнительно регулируется расход флегмы путем изменения расхода хладагента, поступающего в дефлегматор. В лабораторная практике применяют все способы ДИСТИЛЛЯЦИЯ Конструкции приборов, изготовляемых обычно из стекла, весьма разнообразны и выбор их определяется главным образом физических-химический свойствами, и количеством разделяемой смеси. Для ДИСТИЛЛЯЦИЯ смесей в кол-вах от несколько мг до 1 г используют капилляры, трубки с шарообразными расширениями и маленькие колбы. При большем кол-ве исходной смеси применяют, как правило, аппараты в виде колб соответствующих размеров. Типичная лабораторная установка для ДИСТИЛЛЯЦИЯ при атм. давлении показана на рис. 3. Простую ДИСТИЛЛЯЦИЯ используют в химический, лесохимический, фармацевтич. и др. отраслях промышлености 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 (например, Hg и Zn). ДИСТИЛЛЯЦИЯ с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лабораторная практике, ДИСТИЛЛЯЦИЯ с водяным паром - в химический, нефтехимический, парфюм. и др. отраслях промышлености для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значительной кол-ва твердых или малолетучих жидких веществ.
Молекулярная дистилляция. Основана на зависимости скорости испарения вещества от его молекулярной массы при температурах ниже температуры кипения жидкости и низких давлениях (< 0,13 Па). При таких давлениях длина свободный 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 уравению 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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ, a_ik зависит не только от давлений паров чистых компонентов при температуре процесса, но и от их молекулярной 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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ жидкость не кипит, перемешивание паровыми пузырями, характерное для обычной ДИСТИЛЛЯЦИЯ, отсутствует, и перенос вещества в объеме жидкости осуществляется преимущественно 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 свободный пробега молекул и возрастает частота их соударений, что приводит к снижению эффективности разделения смеси. С целью ее повышения ДИСТИЛЛЯЦИЯ проводят при давлениях более высоких, чем те, при которых молекулы достигают поверхности конденсации без соударений. Каждой смеси отвечает определенная оптим. температура, при которой достигается наиболее 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°С ниже температуры жидкости.

Рис. 4. Аппарат для молекулярной дистилляции. 1,2 - внутренняя обогреваемая и внешняя охлаждаемая трубки; 3 - рубашка.

В аппарате для молекулярной ДИСТИЛЛЯЦИЯ (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 к-рую 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 различные температурах, что дает возможность разделять смесь на несколько 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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ для разделения небольших кол-в (несколько мг) смесей термически стойких веществ и непрерывную ДИСТИЛЛЯЦИЯ для перегонки значительной кол-в (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 ДИСТИЛЛЯЦИЯ применяют для разделения и очистки смесей малолетучих и термически нестойких веществ, например, при выделении витаминов из рыбьего жира, растит. масел и в производстве вакуумных масел. См. также Дистилляция нефти, Ректификация.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей