 |
|
Дефлегматоры и ректификационные колонки
Разделительную способность простой прямоточной перегонки большей частью переоценивают, так как посредством простой перегонки удается очень четко разделить вещества только в том случае, если разница в их температурах кипения составляет 150-200°. Удовлетворительная степень чистоты вещества получается и в тех случаях, когда разница в температурах кипения разделяемых веществ больше 80°. Поэтому, когда простая перегонка не позволяет добиться требуемого разделения смеси, применяют фракционирующие насадки (дефлегматоры) или ректифика-ционные колонки.
Дефлегматоры увеличивают эффективность разделения как за счет конденсации преимущественно высококипящих компонентов, так и за счет массообмена между поднимающимися вверх парами и стекающей вниз жидкостью (флегмой), то есть происходит обмен энергией, диффузия низкокипящего компонента из жидкости в паровую фазу и конденсация высококипящего компонента из паровой фазы в жидкую.
Эффективность дефлегматоров очень часто переоценивается, так как их разделяющая способность невелика и медленно непропорционально возрастает с увеличением длины колонки.
Чем меньше разница в температурах кипения компонентов смеси, тем эффективнее должен быть дефлегматор или ректификационная колонка. Для разности температур кипения компонентов в 40° фракционирующая колонка должна иметь число теоретических тарелок не менее 6, для 30 – не менее 10, для 7 – не менее 20, для 5 – не менее 30, для 3 – не менее 55. На приведенном графике легко определить, какую нужно выбрать колонку при определенной заданной чистоте веществ (рис. 8).
Дефлегматоры и ректификационные колонки характеризуются ВЭТТ, задержкой, пропускной способностью и другими величинами. ВЭТТ – высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, равна высоте участка колонки, в котором пар, проходящий через его верхнюю границу, находится в состоянии фазового равновесия с флегмой, стекающей через его нижнюю границу. Другими словами, ВЭТТ – это высота участка колонки, эффективность разделения которого эквивалентна одной идеальной перегонке. Чем меньше ВЭТТ, тем большей разделяющей способностью обладает колонка.
ВЭТТ в значительной степени зависит от свойств компонентов, в частности от молекулярных масс. Так, например, для одной и той же колонки ВЭТТ изменяется с 7,6 см для смеси «метанол-вода» до 25 см для смеси «бензол-толуол» или «уксусная кислота-вода». Разделяющая способность дефлегматоров и колонок резко снижается при увеличении пропускной способности.
Влияние скорости отбора дистиллята на чистоту веществ для эквимолекулярной смеси «бензол-толуол» (разность температур кипения 30°) на ректификационной колонке примерно с 12 теоретическими тарелками показано на рис. 7. Кривая кипения а получена при простой перегонке без фракционирования, кривая б получена при флегмовом числе 10, то есть при отношении количества конденсата, поступающего в колонку, к количеству конденсата, отбираемого в виде продукта, равное 10. Кривая кипения в получена при отборе всего конденсата в виде дистиллята.
Рис. 7. Влияние вида перегонки и скорости отбора дистиллята
на выход промежуточной фракции
Разделяющая способность фракционирующих колонок резко возрастает при применении термоизолирующих «рубашек», у лучших лабораторных ректификационных колонок ВЭТТ меньше 1 см, в то время как у дефлегматоров она колеблется от 5 до 20 см.
Наиболее распространенные виды дефлегматоров и колонок показаны на рис. 8.
Шариковый дефлегматор – насадка Вюрца (1, рис.8) – наименее эффективный, имеет значительную задержку флегмы. ВЭТТ такого дефлегматора колеблется в зависимости от диаметра трубки и парообразных расширений от 12 до 20 см, незначительно отличаясь от пустой цилиндрической стеклянной трубки.
Шариковый дефлегматор Лебедя-Хеннигера (2, рис. 8) аналогичен по эффективности предыдущему.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Рис. 8. Дефлегматоры и колонки
Шариковый дефлегматор (3, рис. 8) с помещенными на дно каждого расширения металлической сеткой или стеклянными шариками (бусом) имеет ВЭТТ 8-12 см и значительную задержку флегмы.
Дефлегматор Арбузова (4, рис. 8), имеющий 8 расширений диаметром 4 см, по эффективности разделения лишь незначительно отличается от предыдущих. ВЭТТ равна 6-10 см, то есть дефлегматор имеет разделительная способность 1,5-3 теоретические тарелки.
Ёлочный дефлегматор с наколкой «звезда» – насадка Bигрэ (5, рис. 8) – имеет ВЭТТ 8-12 см, обладает небольшой задержкой флегмы и широко применяется для вакуумной и полумикроперегонок.
Условное обозначение ёлочного дефлегматора с высотой наколов 250 мм, взаимозаменяемыми конусами муфты 19/26 и 29/32 из термически стойкого стекла группы ТС: дефлегматор 250-19/26-29/32 ТС.
Ёлочные дефлегматоры имеют по окружности чередующиеся по рядам в шахматном порядке конусные (несквозные) наколы по четыре в ряду, расположенные наклонно к оси трубки под углом 30°. Наколы наклонены друг к другу, наколы верхнего ряда направлены вниз, нижнего – вверх.
Дефлегматоры с проволочной спиралью (6, рис. 8), изготовленной из некорродирующего материала (нихром и др.), имеют ВЭТТ 6-8 см. По расположению спирали такие дефлегматоры делятся на две группы:
- со свободно уложенной проволочной спиралью;
- со спиралью, прилегающей к стенкам.
Спираль уменьшает вероятность «захлебывания» дефлегматора и препятствует падению эффективности при возрастании скорости перегон-ки. Наибольшее применение такие дефлегматоры нашли для разделения сжиженных газов.
Дефлегматор Гемпеля – колонка Гемпеля (7, рис. 8), – получивший широкое распространение в лабораториях, характеризуется большим рабочим объемом. ВЭТТ в зависимости от типа насадок колеблется в широких пределах от 1 до 10 см. Эффективность дефлегматора в значительной степени зависит от равномерности распределения насадки по всей длине трубки, так как поток паров раздробляется насадкой и возникающие завихрения содействуют обмену между парами и жидкостью. Соотношение между диаметром колонки и диаметром отдельных частиц насадки должно быть больше 8:1. Раньше в качестве насадок применяли стеклянные шарики, нарезанные стеклянные палочки, стеклянные кольца, диаметр которых равен высоте (кольца Рашига). Наиболее эффективна насадка из одновитковых спиралей (спирали Фенске) из проволоки или стекла. С уменьшением диаметра спиралей эффективность насадки резко возрастает.
Дефлегматоры Гемпеля нельзя применять при перегонке под вакуумом и для полумикроперегонок.
Дефлегматор Видмера – колонка Видмера (8, рис. 8) – по разделяющей способности несколько превосходит обычный елочный дефлегматор. К недостаткам следует отнести необходимость сильного перегрева жидкости в перегонной колбе.
Насадка Хана (Гана) работает по принципу дефлегматора(9, рис. 8). Внутренний сосуд заполняют жидкостью, температура кипения которой близка к температуре кипения отгоняемого вещества или кипящей при температуре, средней между температурой кипения обоих компонентов. Разделяющая способность такой насадки также невелика. При фракционной перегонке часто встречается ошибка: закрывание дефлегматора асбестом или другим теплоизоляционным материалом, что значительно снижает его эффективность и затрудняет процесс разделения. Лишь при перегонке высококипящих веществ изолируют нижнюю часть дефлегматора, чтобы избежать полной конденсации паров в дефлегматоре.
Обычные лабораторные дефлегматоры увеличивают свою эффективность на 2-3 теоретические тарелки при соединении с конденсатором (специальным холодильником), так как наилучшее разделяющее действие дефлегматора наступает спустя некоторое время после установления обратного тока конденсата.
Значительно лучших результатов разделения можно добиться при использовании лабораторных ректификационных колонок, которые работают с максимальной эффективностью только при отсутствии теплообмена с внешней средой (10, рис. 6; рис. 9).
Лабораторные ректификационные колонки позволяют разделить жидкую смесь на компоненты в один прием и состоят из колбы для испарения жидкости; обогреваемой колонки; головки колонки, в которой происходит конденсация паров веществ и приемника. Так как перегрев муфты на 2-3° выше температуры паров в колонке заметно снижает эффективность разделения, то в теплоизоляционном слое поддерживают температуру на 2-4° ниже, чем внутри колонки, заполненной определенной насадкой.
| Рис. 9. Установка для ректификации: 1 – колба; 2 – капилляр; 3 – колонка; 4 – изоляция; 5 – термометр; 6 – конденсатор (головка); 7 – кран для регулирования соотношения между количеством флегмы и конденсата; 8 – приемник |
При разности температур кипения компонентов смеси меньше 150° простой перегонкой не удается добиться хорошего разделения лету-чих веществ. В этом случае вместо простой фракционной перегонки, то есть разделения смеси на несколько широких фракций с последующей перегонкой этих фракций на более узкие, применяют фракционную перегонку с дефлегматорами. Это позволяет сократить число перего-нок. Можно применять более эффективную фракционную перегон-ку на ректификационных колонках, позволяющую разделить смесь на компоненты в один прием.
Для того чтобы правильно использовать метод перегонки для очистки веществ, необходимо соб-рать прибор, обладающий доста-точной разделяющей способностью:
– по минимальной разности температур кипения компонентов смеси определить эффективность прибора для перегонки в числе теоретических тарелок для степени чистоты 99,9 или 90,0 мольных процентов (рис. 10);
– по количеству перегоняемой смеси выбрать диаметр дефлегматора или ректификационной колонки (чем меньше количество смеси, тем меньше и диаметр);
– по средней скорости перегонки (пропускная способность или нагрузка) и диаметру дефлегматора или колонки в таблицах руководств найти отвечающую им ВЭТТ, то есть высоту (см), эквивалентную одной теоретической тарелке;
– длину дефлегматора или ректификационной колонки получить умножением числа теоретических тарелок на ВЭТТ. Полученная длина колонки при уменьшенной скорости перегонки промежуточной фракции позволяет получить вещество со степенью чистоты 99,9 или 99,0 мольных процентов.
Рис. 10. График зависимости числа теоретических тарелок
от разности температур кипения компонентов смеси
Пример. Разность температур кипения компонентов смеси равна 30°. Из графика находят, что число теоретических тарелок для чистоты 99,9 мольных процентов должно быть не менее 8. Для елочного дефлегматора при внутреннем диаметре 12 мм и нагрузке в 294 мл/ч ВЭТТ равна 7,7 см, откуда длина елочного дефлегматора должна быть не менее 61,6 см (8х7,7) для получения вещества со степенью чистоты 99,9 мольных процентов.
Аналогично рассчитывается длина ректификационной колонки для различных насадок.
При небольшом количестве перегоняемой смеси из всех возможных дефлегматоров и ректификационных колонок выбирают колонку, обладающую наименьшим рабочим объемом, что значительно уменьшит потери вещества.
При выборе дефлегматора или колонки нужно пользоваться правилом: количество каждого компонента, подлежащего выделению в чистом виде из исходной смеси, должно быть по меньшей мере в 10 раз больше рабочей емкости колонки или дефлегматора. В противоположном случае будет получаться большая промежуточная фракция.