8.5. Молекулярная перегонка
Молекулярную перегонку применяют для разделения и очистки малолетучих и термически нестойких веществ, которые нельзя перегнать обычным способом или использовать сублимацию перекристаллизацию. К таким веществам принадлежат высокo молекулярные органические соединения (смолы, жиры, масла, пластификаторы). Этот метод незаменим при выделении витаминов из растительных масел и рыбьего жира.
В отличие от дистилляции молекулярная перегонка проходит не при какой-либо определенной температуре, а в любом интервале температур, лежащем ниже температуры кипения жидкости.
Разделительная способность молекулярной перегонки невелика, так как при ее проведении никогда не устанавливается равновесие между удаляемым паром и испаряющейся жидкостью. Максимальное разделение компонентов жидкости наступает тогда, когда поверхности испаряющейся жидкости и холодильника расположены возможно ближе друг к другу.
После окончания перегонки сосуд 3 вынимают из бани и Oхлаждают под вакуумом. Затем трубку с краном 2 отсоединяют от вакуума, впускают в Сосуд 3 воздух и вынимают из него пропробирку 1.
Твердый конденсат 4 соскабливают или смывают с поверхности пробирки растворителем. Прибор под названием «охлаждаемый стакан» (рис. 169, б позволяет в один прием перегонять до 25 мл жидкости. В приборе «палец» с отвесно падающей пленкой (рис. 169, в) исходную смесь подают понемногу через трубку 1 в воротник 7 пальца 2. Воротник по окружности пальца имеет узкий зазор, позволяющий растеканию жидкости по наружной поверхности пальца без образования струй. Для этого поверхность пальца делают шероховатой путем травления или наплавления стеклянного порошка. Палец обогревают теплоносителем.
В современных приборах молекулярной перегонки жидкость испаряется с поверхности быстро вращающихся дисков (рис. 170).
В таких установках жидкость по трубке 4 подают в центр металлического диска 6, вращающегося со скоростью 5000 об/мин. Диск обогревают снизу электрической спиралью 5. Образующаяся очень тонкая пленка жидкости движется по поверхности диска и подвергается тепловому воздействию лишь в течение доли секунды. Пар жидкости конденсируется на поверхности холодильника 3, а дистиллят стекает в приемник по трубке 10. Остаток жидкости сбрасывается центробежной силой с края Диска в желобковый сборник 8 и удаляется через трубку 9.
Весь прибор герметично закрыт стеклянным колпаком 1, Укрепленным в металлическом основании 2, и через трубку 7 соединен с вакуумной системой.
Описание дистилляции. Разновидности
Определение дистилляции
И вновь нам необходимо дать определение дистилляции, разобраться с главными определениями и понятиями в ходе процесса самогоноварения. Итак, дистилляция (латинский distillatio — каплей стекание) – это процесс в ходе которого жидкая смесь разделяется на различные фракции. Дистилляция основывается на разделении жидкостного состава в ходе образования из нее парообразной фазы вещества. Дистилляцией разделяют жидкостную смесь на фракции по температуре кипения. Выполняется в процессе испарения жидкости и дальнейшей конденсацией фазы её парообразного состояния – это и есть основная суть дистилляции. Фракция после перегона насыщена компонентами, являющими более лёгкие или низкокипящие свойства, а оставшаяся часть жидкости – насыщена компонентами с менее лёгкими, высококипящими свойствами. В ходе процесса, при котором из исходной смеси по средствам перегона получается не единственная фракция, а множество, то дистилляция является фракционной или дробной.
Виды дистилляции
Исходя из применяемой технологии разделяют различные виды дистилляции, такие как простая и молекулярная. Рассмотрение данных разновидностей поможет нам понять сущность дистилляции. Молекулярная дистилляция — это всё также разделение жидкой смеси при помощи испарения с образованием глубокого вакуума с температурой, которая получается существенно меньшей, относительно точки при которой начинает кипеть та или иная фракция. Вакуум находится в пределах рабочего диапазона между 10-2 — 10-4 мм.рт.ст., достигается обычно с применением специальных насосов, для создания данного вакуума. Молекулы в созданном вакууме пара стремятся от испаряющей поверхности, являющейся более горячей, к той поверхности, на которой происходит конденсация, то есть более холодной, при этом столкновения происходят с минимальной частотой. Длина траектории без столкновений при движении молекул, с указанными показаниями давления приближается к расстоянию между вышеуказанными поверхностями, то есть поверхностями испарения и конденсации. Перегонкой дистилляцией можно разделять смеси по температуре кипения на отличные жидкостные фракции. В таком случае существенно снизится температура дистилляции спирта. Измениться схема дистилляции.
В обычных условиях глубокие вакуумы пока особо нам недоступны, поэтому давайте на данном этапе сосредоточимся на рассмотрении других вариантов.
Итак, простая дистилляция кратко — это процесс при котором жидкая смесь испаряется в ходе кипения, происходит непрерывное пароотведение и дальнейшая конденсация. В ходе процесса первоначальная жидкая смесь делиться с образованием дистиллята и обогащённой низкокипящей фракцией, так называемым кубовым остатком. Это остаток жидкости в перегонном аппарате обогащён высококипящей фракцией. Простая дистилляция проводится в перегонных кубах или дистилляторах, которые соединены с ёмкостями для сбора дистиллята и конденсатором.
В ходе протекания дистилляции содержащиеся жидкая фаза низкокипящих компонентов непрерывно падает, происходит постепенное уменьшение их количества и пар, образующийся при испарении жидкости, теряет свою насыщенность.
В процессе простой дистилляции нам не удастся добиться получения продукта с высокой степенью частоты. Но возможно проводить дистилляцию последовательно в несколько спиртосборников, при этом в каждом из них состав смеси будет отличным от остальных. В начальном сборнике в большей степени проявится присутствие низкокипящих компонентов, в сборниках, установленных дальше смесь соответственно будет содержать большее количество высококипящих компонентов. Процесс проходящий таким образом называют фракционной дистилляцией или просто разгонкой.
Фракционная дистилляция – процесс, в ходе которого происходит отбор дистиллята из единого конденсатора в несколько один за другим соединённых сборников. Во всех последующем дистилляторах собирается фракция, в которой преобладают компоненты с повышающимися температурами кипения смеси.
Суть дистилляции
Возможно получение фракции, состав смеси которых будет различным, путем конденсации частями выделяющейся парообразной фазы. Во время прохождения конденсации последовательно в несколько приемов, получают фракции различного состава.
Простая дистилляция достаточно хорошо сочетается с дефлегмацией. Во время этого процесса частично пары, уходящие из перегонного аппарата, конденсируется и стекает в каплеобразной форме назад в аппарат. Во время частичной конденсации уходящих паров в них начитают сконденсироваться компоненты, обладающие меньшей легкостью, то есть высококипящие. Такая жидкость называется флегмой. Наш конденсатор, где происходит образование флегмы, обычно должен располагаться над аппаратом, чтобы пары конденсировались, превращались в флегму, которая непрерывно возвращается в перегонный аппарат. При этом происходит большее насыщение дистиллята лёгкими компонентами, то есть происходит более высокое разделение первоначального продукта.
Заострим наше внимание на простой дистилляции и по мере освоения различных технологий применяя дополнительное оборудование, будем пробовать усложнять процессы получения высококачественного продукта. В дальнейшем выберем материал для изготовления дистиллятора и рассчитаем создадим наш первый перегонный куб. Всё только начинается.
Дистилляция. Справка
Дистилляция (от лат. distillatio – стекание каплями) – перегонка, разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Процесс основан на различии температур кипения компонентов смеси.
Процесс дистилляции был известен в Древнем Китае и Риме во втором тысячелетии до нашей эры и применялся главным образом для выделения душистых веществ из ароматических растений. Египтяне, постигнув тайны дистилляции вина, изобрели перегонный аппарат (аламбик), получивший впоследствии большое распространение у других народов.
Описание способа дистилляции и его использования в лечебных целях приводится в трудах персидского ученого Авиценны (930–1037).
В Древней Руси упоминание о постройке винокурни для получения «хлебного вина» водки относится к 1174 году.
Определенная роль в совершенствовании процесса дистилляции принадлежит алхимикам средневековья, но наибольшее развитие она получила в конце 19 – начале 20 веков в связи с внедрением в промышленности (спиртовой, нефтеперерабатывающей и др.) высокопроизводительных колонных аппаратов.
В зависимости от физических свойств компонентов разделяемых жидких смесей применяют различные способы дистилляции.
Простая дистилляция проводится частичным испарением кипящей жидкой смеси, непрерывным отводом и последующей конденсацией образовавшихся паров. Так как пары над кипящей жидкой смесью содержат низкокипящих компонентов больше, чем жидкость, то конденсат (называемый дистиллятом) обогащается, а неиспарившаяся жидкость (кубовый остаток) обедняется ими. При простой дистилляции содержание низкокипящих компонентов в паровой и жидкой фазах непрерывно падает. Поэтому состав дистиллята меняется во времени. Простая дистилляция – периодический процесс. Для ускорения процесса применяют полунепрерывную дистилляцию, при которой в дистилляционный куб непрерывно поступает исходная смесь, равная массе уходящих паров.
Фракционная дистилляция, называемая также дробной перегонкой, – одна из разновидностей простой дистилляции. Такую дистилляцию применяют для разделения смеси жидкостей на фракции, кипящие в узких интервалах температур. При этом дистилляты разных составов отводят (последовательно во времени) в несколько сборников. В каждом из этих дистиллятов (фракциях) преобладает один или несколько компонентов исходной смеси с близкими температурами кипения. Простую дистилляцию для улучшения разделения смесей часто комбинируют с противоточной дефлегмацией (частичная конденсация). При этом образующиеся в кубе пары частично конденсируются в дефлегматоре, конденсат (флегма) непрерывно возвращается в куб, а остаток паров после дефлегматора поступает в конденсатор, откуда дистиллят стекает в сборник. Этим способом достигается большее обогащение дистиллята низкокипящими компонентами, т.к. при дефлегмации паров преимущественно конденсируются высококипящие компоненты.
Равновесная дистилляция (однократное испарение) характеризуется испарением части жидкости и продолжительным контактом паров с неиспарившейся жидкостью до достижения фазового равновесия. Разделяемая смесь проходит по трубам, обогреваемым снаружи топочными газами. Образовавшаяся при этом парожидкостная смесь, близкая к равновесному состоянию, поступает в сепаратор для механического отделения жидкости от пара. Пары из сепаратора поступают в конденсатор, откуда дистиллят стекает в приемник, а оставшаяся в сепараторе жидкость отводится в сборник. В этом процессе соотношение между паром и жидкостью определяется материальным балансом и условиями фазового равновесия. Равновесная дистилляция редко применяется для двухкомпонентных смесей; хорошие результаты получают в основном в случае многокомпонентных смесей, из которых можно получить фракции, сильно различающиеся по составу.
Дистилляцию в токе водяного пара или инертных газов применяют, когда необходимо понизить температуру процесса отгонки, в случае разделения нетермостойких компонентов, а также для отгонки веществ с низкой температурой испарения от компонентов с высокой температурой испарения. Пузырьки водяного пара или инертного газа барботируют (продавливают) через слой жидкости. При дистилляции с водяным паром образовавшаяся смесь паров воды и летучего компонента отводится из аппарата и подвергается конденсации и охлаждению. Состав образующихся в кубе паров не зависит от состава жидкости, а температура кипения смеси всегда ниже температуры кипения каждого из компонентов при данном давлении. При дистилляции с инертным газом компоненты раствора испаряются в поток газа, даже если раствор не кипит, а парообразование при испарении может происходить при любых температурах, вне зависимости от внешнего давления, что позволяет вести процесс при низких температурах.
Молекулярная дистилляция основана на разделении жидких смесей свободным их испарением в высоком вакууме 133–13,3 мн/м2 (10–3–10–4 мм ртутного столба) при температуре ниже точки их кипения. Процесс проводят при взаимном расположении поверхностей испарения и конденсации на расстоянии, меньшем длины свободного пробега молекул перегоняемого вещества. Благодаря вакууму молекулы пара движутся от испаряющей поверхности к конденсирующей с минимальным числом столкновений. При молекулярной дистилляции изменение состава пара по сравнению с составом жидкости определяется различием скоростей испарения компонентов. Поэтому этим способом можно разделять смеси, компоненты которых обладают одинаковым давлением паров. При данной температуре жидкости и соответствующем ей давлении паров скорость молекулярной дистилляции растет с понижением давления в аппарате.
Для молекулярной дистилляции применяют аппараты с горизонтальными и вертикальными поверхностями испарения, а также получившие наибольшее промышленное применение центробежные аппараты. В последних процесс характеризуется наименьшими толщиной жидкой пленки (в среднем 0,05 мм) и временем ее пребывания на поверхности нагрева (0,03м–1,2 сек). В центробежных аппаратах на испаритель, представляющий собой быстровращающийся конус (иногда диск), подается разделяемая смесь. Центробежная сила перемещает жидкость от центра к периферии (вверх). Пары перегоняемого вещества собираются на неподвижном конденсаторе, расположенном параллельно поверхности испарителя, откуда дистиллят непрерывно отводится. Остаток после перегонки сбрасывается в кольцевой желоб и выводится из куба. Для увеличения эффекта разделения устанавливают несколько аппаратов последовательно.
Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки высокомолекулярных и термически нестойких органических веществ, например для очистки эфиров себациновой, стеариновой, олеиновой и других кислот, для выделения витаминов из рыбьего жира и различных растительных масел, при производстве медицинских препаратов, вакуумных масел и др.
В металлургии понятие дистилляции объединяет пирометаллургические процессы, основанные на переводе восстанавливаемого металла в парообразное состояние с последующей конденсацией. Металлургическая дистилляция – сочетание химического (окислительно-восстановительной реакции) и физического (испарения и конденсации) процессов. Восстановление проводят с использованием углеродистых восстановителей или металлотермическим способом. Возможно выделение свободного металла при окислительном обжиге сульфидных концентратов. Степень разделения при дистилляции определяется различием состава перегоняемой смеси и ее пара. Полнота перехода металла в газовую фазу при дистилляции определяется восстановлением металлов при температурах и давлениях, обеспечивающих получение восстановленного металла в парообразном агрегатном состоянии.
Дистилляция применяется также в химической, лесохимической, фармацевтической и других 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.
Дистилляцию с дефлегмацией применяют в нефтепереработке и лабораторной практике, дистилляция с водяным паром – в химической, нефтехимической, парфюмерной и других отраслях промышленности для отгонки высококипящих компонентов из вязких смесей, содержащих значительные количества твердых или малолетучих жидких веществ. Также путем перегонки (однократной или многократной) на ликеро-водочных заводах получают полуфабрикат для множества алкогольных напитков: коньяка, рома, виски, а в домашних условиях – самогон.
В лабораторной практике условия дистилляции для некоторых видов продуктов стандартизованы. Наиболее известными являются ГОСТ 2177(ASTM D86) – перегонка 100 мл продукта с температурой кипения от комнатной до 400°С при атмосферном давлении. Это сделано для воспроизводимости результатов тестирования бензина, керосина, дизельного топлива, нефти, а также различных растворителей.
Дистилляция является давно известным и проверенным способом глубокой очистки воды.
Хорошо всем известный пример использования дистиллированной воды – заливка в аккумуляторы автомобиля. В быту же дистилляторы не нашли широкого применения.
И дело здесь совсем не в непригодности дистиллированной воды для питья. Вредность такой воды из-за отсутствия в ней «полезных» минеральных веществ – это, скорее, укоренившийся предрассудок. Дистиллированная вода действительно имеет невысокие вкусовые качества, часто ее вкус характеризуют как «затхлый». Однако с точки зрения влияния на здоровья нет никаких свидетельств того, что дистиллированная вода непригодна для питья.
Ограниченность же применения дистилляторов в быту объясняется следующими причинами:
Во-первых, бытовые дистилляторы имеют малую производительность (около одного литра в час).
Во-вторых, в бойлере дистиллятора постоянно образуются осадок, накипь и т.п., которые надо вычищать.
В-третьих, дистилляторы излучают тепло и в довольно значительных количествах.
В-четвертых, дистилляторы потребляют значительное количество электроэнергии, что для многих применений делает их использование менее рентабельным, чем обратный осмос (способ очистки воды, при котором вода, проходит через специальную полупроницаемую мембрану) или деминерализация на ионообменных смолах.
Молекулярная дистилляция
 |
 |
Плёночные (тонкоплёночные) испарители представляют собой корпус с термостатируемой рубашкой, в центре которого установлены специальные лопасти для размазывания стекающей жидкости в тонкую плёнку. Лопасти имеют особую форму, благодаря которой жидкость равномерно распределяется по стенкам (особенно важно при работе с вязкими жидкостями). Испарившиеся молекулы (лёгкая фаза) выводится в виде пара из системы, либо конденсируется на «холодном пальце», остаток (тяжёлая фаза) опускается по нагретой стенке в приёмник. Для разделения многокомпонентной смеси можно установить несколько плёночных испарителей подряд.
Плёночные (тонкоплёночные) испарители выполняют в стекле или металле, бывают смешанные модели. Как правило, лопасти изготавливают из тефлона, при работе выше 200°С рекомендуется использовать углерод. Одним из основных преимуществ стеклянных установок является их прозрачность, а следовательно, возможность визуального контроля процесса. В промышленных установках для улучшения теплопередачи (нагрева и конденсации) некоторых узлов (в частности, «холодный палец») стекло заменяют нержавеющей сталью. Для работы с коррозионно-активными веществами испарители делают из спецсплавов Hastelloy, Titanium, C-20 и т.п.
В зависимости от решаемой задачи возможна различная сборка (принципиальная схема) установки. Ниже приведены базовые схемы плёночных (тонкоплёночных) испарителей.
 | Концентрирование. Выпаривание. Данная схема плёночного испарителя используется, если целевым продуктом является осадок, а не дистиллят, например испарение воды из продукта. В этой схеме канавки на лопасти могут быть более широкими, чтобы дистиллят быстрее стекал. Пропускная способность по данной схеме одна из самых высоких. Эффективность работы можно повысить за счёт увеличения объёма питательной и приемной ёмкостей, а также за счёт выполнения установки из металла, а не из стекла. Данная схема может быть использована, в частности, для отгонки растворителя, причём чистота полученного дистиллята (выделенный растворитель) достаточна для его повторного применения. |
 | Молекулярная вакуумная дистилляция Данная схема применяется, когда целевым продуктом является дистиллят. Конденсатор в этом случае располагается внутри корпуса, расстояние между поверхностью испарения и конденсации небольшое, и испарившиеся молекулы не успевают столкнуться друг с другом. Эффективность работы может быть улучшена при работе под низким вакуумом, а также за счёт точного контроля температуры. |
 | Отпаривание Конструкция плёночного испарителя также позволяет проводить отпаривание продукта: пар подается снизу. Благодаря формированию тонкой плёнки с помощью лопастей, пар более тесно контактирует с молекулами жидкости. Пар собирается во внешнем конденсаторе, растворитель удаляется. В основе своей отгонка паром напоминает схему выпаривания, но не требует внутреннего конденсатора и внешнего нагрева продукта, хотя и может быть установлена для повышения эффективности. Данную схему рекомендуется выполнять в металле. Тонкоплёночные дистилляторы могут использоваться в качестве проточных реакторов для химического синтеза; реакция в тонких плёнках обеспечивает максимальный выход при высокой пропускной способности. Большая Энциклопедия Нефти и ГазаМолекулярная дистилляцияМолекулярная дистилляция происходит при более низкой температуре, нежели обычная. При этом дистиллируемая жидкость подвергается воздействию высокой температуры в отсутствии кислорода воздуха лишь на короткий срок. Благодаря этому имеется возможность дистиллировать без разложения такие термолабчль-ные вещества, как витамины. [17] Молекулярная дистилляция в отличие от обычной дистилляции не связана с кипением раствора, а протекает в условиях испарения со свободной поверхности. Она может быть применена для жидкостей, которые не выдерживают высоких температур и не могут быть доведены до кипения без опасности разложения. [18] Молекулярную дистилляцию применяют для получения специальных сортов масел и жиров из минеральных масел и их остатков, для разделения продуктов переработки каменноугольных смол, для получения витаминов, стеринов и углеводородов из натуральных масел и жиров. Молекулярная дистилляция может быть эффективно использована для разделения и очистки многих соединений, особенно высокомолекулярных органических соединений, которые разлагаются или вообще не поддаются разделению при обычных температурных и других условиях простой перегонки и ректификации. Однако молекулярной дистилляции м огут подвергаться только вещества, достаточно устойчивые при температуре, соответствующей глубокому вакууму, так как даже признаки разложения ( газообразования) в данном случае недопустимы. [20] Молекулярную дистилляцию определяют как процесс, протекающий на расстоянии средней длины свободного пробега молекул. Бэрч показал, как должна меняться вероятность возвращения молекулы в испаритель при однократном соударении в зависимости от расстояния, кратного длине свободного пробега. Кокс и Хикман, получив зависимость изменения скорости дистилляции от давления остаточного газа, нашли, что соударения оказывают меньшее влияние, чем предполагалось прежде. [24] Недостатком молекулярной дистилляции является низкая. Однократная молекулярная дистилляция малоэффективна, так что целесообразно применять многократный процесс. Наиболее эффективной областью применения является случай, когда испаряемый ценный компонент находится в исходной смеси в малых концентрациях. В таких случаях проведение процесса молекулярной дистилляции оказывается более выгодным, чем другие способы извлечения компонента. [26] Процесс молекулярной дистилляции складывается из диффузии молекул преимущественно НК из глубины слоя ( пленки) жидкости к поверхности испарения, перемещения молекул пара на поверхность конденсацией их конденсации на этой поверхности. В условиях обычной дистилляции жидкость интенсивно перемешивается при кипении с поднимающимися пузырями, и концентрации компонентов выравниваются в объеме жидкости. [28] Процесс молекулярной дистилляции протекает путем испарения жидкости с ее поверхности при отсутствии кипения. Поэтому, в отличие от ректификации, молекулярная дистилляция не характеризуется некоторыми постоянными температурой и давлением. [29]  Привет, друзья! Сегодня я хочу рассказать вам о волшебных  Привет, друзья! Сегодня я хочу рассказать вам о важных  Привет, друзья! Сегодня я хочу рассказать вам о чем-то  Привет, дорогие дети! Сегодня я хочу рассказать вам |