Для чего используется перегонка смесей жидкостей

Для чего используется перегонка смесей жидкостей

Химия

4.1.2. Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ

Перегонка

Перегонка (дистилляция) – это процесс отделения жидкости от растворенных в ней твердых веществ или менее летучих жидкостей.

С помощью перегонки можно:

В зависимости от свойств разделяемых веществ перегонку используют три способа перегонки жидкостей:

Простая перегонка

Этот способ перегонки целесообразно применять для жидкостей с температурой кипения от 40 ºС до 150 ºС, т. к. выше 150 ºС многие вещества заметно разлагаются, а жидкости с температурой кипения ниже 40 о С перегоняются со значительными потерями.

Простая перегонка вещества при атмосферном давлении применяется в следующих случаях:

Установка для простой перегонки при атмосферном давлении

Основными частями прибора являются: перегонная колба с отводной трубкой (колба Вюрца) или круглодонная колба с насадкой, термометр, нисходящий холодильник, аллонж, приемник и нагревательный прибор

Перегонку ведут с такой скоростью, чтобы в течение секунды в приёмник попадало не более 1–2 капель дистиллята. Если жидкость содержит небольшое количество легколетучих примесей, то они предшествуют основной фракции в виде предгона. Предгон собирают в отдельный приёмник до тех пор, пока не установится постоянная температура кипения, а капли дистиллята станут прозрачными.

Перегонку нельзя проводить досуха, так как капли конденсата, попадая на сухое раскаленное стекло, могут вызвать его растрескивание. Процесс прекращают, когда в перегонной колбе останется 1-2% от общего объема перегоняемой жидкости, иначе колба может лопнуть или ее будет трудно отмыть от смолистого остатка.

Источник

ПЕРЕГОНКА ЖИДКОСТЕЙ

Лекция №13

При проведении многих химико-технологических процессов часто встречаются задачи разделения жидких гомогенных (однородных) смесей на составляющие компоненты. Для проведения таких процессов наибольшее применение получила перегонка жидких смесей.

Перегонка жидкостей представляет собой процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость – конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты).

Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего (или низкокипящего – НК) компонента в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. Очевидно, что в неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего (или высококипящего – ВК) компонента при этом должна увеличиться.

В простейшем случае перегонка почти не отличается от выпарки. Но выпарке подвергаются растворы, состоящие из летучего растворителя и практически нелетучего растворенного вещества, а при перегонке в пар переходят и растворитель и растворенное вещество.

Перегонка является одним из важнейших технологических процессов разделения и очистки жидкостей и сжиженных газов в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

Перегонку подразделяют на два основных вида: простую перегонку (или дистилляцию) и ректификацию. К простой перегонке относят также перегонку с водяным паром и молекулярную дистилляцию.

Под простой перегонкой понимают процесс однократного частичного испарения исходной жидкой смеси и конденсации образующихся при этом паров. Ее применяют для разделения смесей, представляющих собой легколетучее вещество с некоторым содержанием весьма труднолетучих веществ. Обычно простую перегонку используют для предварительного разделения, очистки веществ от примесей, смол, загрязнений. При этом сконденсированные пары называют дистиллятом, а оставшуюся неиспаренную жидкость – остатком.

Ректификация – наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсации паров.

Равновесие в системах жидкость – пар [1]

В общем случае жидкая смесь может состоять из нескольких компонентов. В простейшем случае – из двух, например из компонентов А и В. Характер поведения жидкой смеси зависит главным образом от природы составляющих ее веществ и давления.

По степени растворимости компонентов смеси жидкости подразделяют на взаиморастворимые в любых соотношениях, частично растворимые и практически взаимонерастворимые. В свою очередь смеси со взаиморастворимыми компонентами в любых соотношениях делятся на идеальные растворы, которые подчиняются закону Рауля; так называемые нормальные растворы – жидкие смеси, частично отклоняющиеся от закона Рауля, но не образующие смесей с постоянной температурой кипения (азеотропов); неидеальные растворы – жидкости со значительными отклонениями от закона Рауля, в том числе смеси с постоянной температурой кипения (азеотропы). Полностью взаимонерастворимых жидкостей нет, обычно все жидкости хотя бы в незначительных количествах, но растворяются друг в друге. Однако в этих случаях на практике для удобства принимают такие жидкости взаимонерастворимыми.

Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т.е. при данной температуре давление соответствующего компонента возрастает пропорционально его содержанию в жидкой смеси (закон Рауля). Для бинарной смеси парциальное давление компонентов смеси А и В будет равно:

(3.1)

где P_A – упругость пара чистого низкокипящего компонента А; P_B – упругость пара чистого высококипящего компонента В; x_A – молекулярная доля компонента А в жидкости; () – молекулярная доля компонента В в жидкости.

Так как , то по законам Рауля и Дальтона

(3.2)

Из уравнений (3.1), (3.2), выражающих законы Рауля и Дальтона, видно, что при постоянной температуре парциальное давление компонентов, а также общее давление паров над смесью находятся в линейной зависимости от x_A – молярного содержания низкокипящего компонента в жидкости. На рис. 3.1 при прямые ОВ и СА выражают изменения парциальных давлений компонентов а прямая АВ – изменение общего давления над раствором. Вертикальные отрезки СВ и ОА соответствуют давлению насыщенных паров чистых компонентов .

Температура кипения смеси заданного состава x_A является функцией давления пара. Для того чтобы определить ее, строят по значениям давлений насыщенных паров чистых компонентов (из справочников) изобары АВ, А₁В₁, А₂В₂ и т.д., выражающие общее давление паров при температурах t, t₁, t₂ и т.д. Линии парциальных давлений получают, соединяя прямыми точки А, А₁, А₂ и т.д. с точкой С, точки В, В₁, В₂ и т.д. – с точкой О. Далее проводят горизонтальную прямую MN, соответствующую внешнему давлению р. Из точки на оси абсцисс, соответствующей x_A, восстанавливают вертикаль до пересечения с прямой MN в точке D, через которую проходит изотерма .

При этой температуре общее давление пара смеси равно внешнему давлению, и следовательно, смесь состава x_A кипит при температуре t. Аналогично можно определить температуру кипения смеси состава , равную t₁, смеси состава и т.д.

Рис. 3.1. Изобары парциальных давлений компонентов и общего

давления (– диаграмма)

Для технических расчетов наиболее важной является диаграмма t – x, y, так как обычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при Р = const, т.е. в изобарных условиях. На этой диаграмме (рис. 3.2) по оси абсцисс отложены концентрации жидкой x и паровой y фаз, отвечающие различным температурам.

Рис. 3.2. Фазовая диаграмма

По закону Дальтона , и тогда (с учетом 3.1)

(3.3)

где – состав пара, равновесный с жидкостью, но

(3.4)

По уравнению (3.4) по известным при заданной температуре и т.д. находят и т.д., а затем по уравнению (3.3) – соответствующие значения и т.д., и по найденным точкам строят линии кипения жидкости (кривая ) и конденсации паров (кривая ). Уравнение (3.4) устанавливает связь между концентрациями (по жидкости) и заданными давлениями (общим Р и насыщенных паров ). Отрезки А₁В₁, А₂В₂ и т.д., соединяющие точки равновесных составов жидкой и паровой фаз, являются изотермами.

Отметим, что точки, лежащие на кривой , отвечают жидкой фазе, находящейся при температуре кипения. Очевидно, что любая точка, лежащая ниже этой кривой, характеризует систему, состоящую только из жидкой фазы. Аналогично, любая точка, лежащая выше кривой , характеризует систему, температура которой выше температуры начала конденсации пара, т.е. пары в этой точке являются перегретыми, и система состоит только из паровой фазы. Точки, находящиеся между кривыми кипения и конденсации (например, точка С на рис. 3.2), характеризуют системы, температуры которых выше температуры кипения жидкости данного состава и ниже температуры конденсации паров этого же состава. Таким образом, эти точки отвечают равновесным парожидкостным системам (двухфазная область). Диаграмма называется фазовой диаграммой.

На практике часто применяют y, x-диаграмму равновесия, в которой на оси абсцисс отложены составы жидкости x, по оси ординат – равновесные с этим значением x составы паров y (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Диаграмма равновесия для бинарной смеси

Зависимость y от x выражена линией равновесия. Кроме этой линии на диаграмме приведена вспомогательная диагональ. Линия равновесия расположена выше диагонали, следовательно, ординаты точек на линии равновесия выше их абсцисс, т.е. пары всегда обогащены низкокипящим компонентом. Чем ближе линия равновесия к диагонали, тем меньше различаются составы пара и жидкости и тем труднее разделяется смесь при перегонке и ректификации.

Кривая равновесия для растворов, подчиняющихся закону Рауля, может быть построена по уравнению

, (3.5)

где – относительная летучесть компонентов. Чем больше числовое значение , тем сильнее отклоняется кривая от диагонали, тем больше различие в составе пара и жидкости и тем легче разделить смесь на компоненты. На диаграмме – фазовые точки пара и жидкости сливаются в одну точку, всегда лежащую на кривой равновесия.

Кривая равновесия и диагональ ограничивают область взаимного существования двух фаз. Выше кривой равновесия расположена область пара, а ниже – область жидкости.

Взаимное расположение кривых на фазовых диаграммах t – x – y и y – x как для идеальных, так и для реальных систем может быть определено с помощью законов Коновалова. Законы Коновалова устанавливают связи между изменениями состава, давления или температуры в двухфазных системах, они лежат в основе теории перегонки и ректификации бинарных смесей.

Первый закон Коновалова формулируется так: пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости повышается давление пара над ней или снижается ее температура кипения, или пар всегда более обогащен НК, чем соответствующая ему равновесная жидкая фаза.

Первый закон Коновалова дополняется первым правилом Вревского,отражающим влияние температуры на равновесные составы фаз: при повышении температуры бинарной смеси в парах возрастает относительное содержание того компонента, парциальная молярная теплота испарения которого больше.

Это можно проиллюстрировать с помощью фазовой диаграммы (рис. 3.2). Для идеальной смеси очевидно, что при одной и той же температуре t содержание НК в парах (точка В₁) больше его содержания в равновесной с парами жидкости (точка А₁). При добавлении к смеси НК ее температура кипения снижается, но содержание НК в паре остается выше, чем в жидкости.

Реальные жидкие смеси могут значительно отклоняться от закона Рауля. Если зависимость полного давления (или сумма парциальных давлений) паров от состава жидкой смеси проходит выше линий, характеризующих те же зависимости для идеальных смесей (рис. 3.4), то такое отклонение называют положительным, если ниже – отрицательным отклонением от закона Рауля.

Эти отклонения определяются изменением активности молекул в растворе, диссоциацией, гидратацией и др. Степень отклонения реальной системы от закона Рауля выражают величиной коэффициента активности

.

Рис. 3.4. Диаграмма р – x для смеси с положительным отклонением от

закона Рауля (пунктиром показаны соответствующие линии

для идеального раствора)

Для смесей с положительным отклонением от закона Рауля > 1, для смесей с отрицательным отклонением –

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

8.4. Перегонка жидкостей (дистилляция). Часть 1

В настоящее время фирмами выпускаются разнообразные лабораторные установки, собранные из стандартных деталей, от приборов с загрузкой менее 1 г до установок с непрерывным процессом перегонки производительностью до 5 л/ч, а также полностью автоматизированные установки, работающие при атмосферном давлении и глубоком вакууме.

Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара становится равным внешнему давлению (см. рис. 137). При уменьшении внешнего давления уменьшается и температура кипения жидкости. Если внешнее давление не изменяется и жидкость не содержит примесей,то температура кипения в процессе перегонки не изменяется. При перегонке растворов жидких веществ температура кипения постепенно повышается к концу процесса.

Простейший прибор для однократной перегонки жидкостей состоит из колбы Вюрца 2 (рис. 161, а), холодильника 3, алонжа 6 и приемника дистиллята 7. В колбу помещают для облегчения кипения капилляры 4 с запаянным концом. Они предотвращают толчки при кипении жидкости. Используют капилляры только один раз. Верхнюю часть ртутного резервуара термометра 1 располагают так, чтобы она находилась на уровне нижнего края отверстия отводной трубки колбы.

Рис. 161. Приборы для перегонки низко- (а) и высококипящих (б) жидкостей: 1-термометр; 2- колба Вюрца; 3- холодильник; 4- капилляры; 5- колбонагреватель- 6- алонж; 7- приемник; 8- распределитель; 9- воронка; 10- резиновая прокладка

В этом случае ртутный резервуар хорошо омывается паром перегоняемой жидкости и термометр дает правильные показания температуры кипения жидкости. На конце ртутного резервуара термометра при перегонке должна удерживаться капля конденсата, ее отсутствие указывает на то, что пар перегрет и термометр показывает завышенную температуру кипения.

Движение охлаждающей воды в холодильнике 3 всегда направляют снизу вверх, к более горячей части внутренней его трубки. При обратном движении охлаждающей воды в верхней части холодильника образуется воздушный карман из-за выделения из воды растворенного воздуха, что приводит к перегреву и растрескиванию спая внутренней трубки и внешней рубашки холодильника.

При фракционировании конденсата с отбором отдельных фракций, имеющих узкий интервал температур кипения, применяют алонжи-«пауки» (рис. 48, в, г), легко поворачивающиеся в их пришлифованном соединении с холодильником. Если конденсат чувствителен к влаге воздуха и его примесям, то к концу отводной трубки алонжа присоединяют предохранительные склянки Дрекселя (см. рис. 27) или Тищенко (см рис 28).

Применение колбы Вюрца с высоко расположенной отводной трубкой уменьшает унос в холодильник капельно-жидкои фазы вместе с паром.

Перегонку высококипящих жидкостей (температура кипения больше 250 °С) проводят без водяного холодильника (рис. 161,

В качестве холодильника используют колбу Вюрца 7, орошаемую водой через распределитель 8 с пористой пластинкой. В воронку 9 помещают толстую полоску 10 из алюминия или меди с поролоновой или резиновой накладкой, чтобы колба 7 не закрывала полностью отверстие воронки. Подобный охлаждаемый приемник конденсата особенно удобен при перегонке жидкости из реторты (см. рис. 25).

Среди различных типов дефлегматоров наименее эффективными являются дефлегматоры Вюрца (рис. 162, б). Эффективность их почти такая же, как и цилиндрической стеклянной трубки. Разделяющая способность такого дефлегматора резко повышается, если на дно каждой сферической поверхности положить стеклянный шарик (рис. 162, в) и дать возможность конденсату стекать по боковым трубочкам в колбу с кипящей жидкостью. У каждого шарика накапливается небольшой слой флегмы, через который прорывается пар, обогащаясь все более летучим компонентом. Хорошим разделяющим действием обладают дефлегматоры Гемпеля (рис. 162, г), содержащие насадку

стеклянных бус. В дефлегматоре Кальбаума (рис. 162, д) осуществлен принцип предварительного обогревания внутренней Фубки паром перегоняемой жидкости. Дефлегматором может служить трубка с любой насадкой (рис. 162, е), например состоящий из битого стекла или обрезков стеклянных палочек и трубочек. Однако наиболее совершенной считают насадку из отрезков стеклянной спирали. тий контакт между паром и флегмой.

В дефлегматоре Видмера (рис. 162, ж) вместо насадки использована стеклянная спираль, удлиняющая путь движения пара, а воздушная рубашка препятствует его значительной конденсации и тем самым способствует установлению фазового равновесия между флегмой и паром.

Перегонку в вакууме применяют для снижения температуры кипения жидкостей, испаряющихся в обычных условиях при слишком высоких температурах или разлагающихся при кипении под атмосферным давлением.

Жидкости при вакуумной перегонке в меньшей степени подвергаются воздействию кислорода воздуха, кроме того, за счет снижения температуры кипения становится возможным разделение жидкостей при температуре ниже температуры разложения. Используя вакуумную перегонку, можно разделить даже азеотропные смеси. Например, раствор этанола (С2Н5ОН) в воде кипит в вакууме, равном 70 торр при температуре около 28 °С, без образования азеотропной смеси. Поэтому вакуумной перегонкой можно получить этанол с содержанием менее 0,2% воды, не прибегая к перегонке тройных азеотропных смесей.

Капилляр 2 в колбе Клайзена 4 (или в колбе Фаворского) служит для предупреждения взрывного вскипания перегоняемой жидкости. Он доходит почти до дна колбы. Хороший капилляр даже при небольшом избыточном давлении должен пропускать лишь мелкие отдельные пузырьки воздуха, образующие в кипящей жидкости тонкую струйку. Капилляр обеспечивает также равномерность кипения и способствует перемешиванию жидкости.

При вакуумной перегонке применяют колбы только с круглым дном.

Приемники конденсата позволяют делить его на фракции, не отключая прибор от вакуума. В приемнике Брюля можно вращать штатив 6 с пробирками 4 для приема конденсата. Поворачивая ручку 2, подставляют поочередно одну пробирку за другой под конец / холодильника. Пробирки перед началом работы нумеруют, чтобы не перепутать отобранные фракции.

Источник