Разделение жидкостей — перегонка и ректификация

а) И проведение научных исследований, и практика постоянно требуют разделения смеси из двух хорошо растворимых друг в друге жидкостей на отдельные компоненты. Используемый для этого метод основан на том, что, если жидкости различаются по летучести, при кипении пар обогащен более летучим компонентом.

б) Способность смеси к разделению характеризуется так называемым коэффициентом разделения α, показывающим, во сколько раз отношение компонентов в газовой фазе отличается от такового в жидкой фазе:

в) Значит, в идеальном случае коэффициент разделения не зависит от состава смеси и определяется только отношением давлений насыщенного пара над чистыми жидкостями. Чем сильней различаются эти давления, тем лучше разделяются жидкости. В случае неидеальных смесей коэффициент разделения зависит и от состава смеси, т. е. меняется по ходу изменения состава.

г) Известны три модификации данного метода — простая перегонка, фракционная перегонка и ректификация.

1-2. Простая и фракционная перегонка. Ее суть показана на рис. 9.11.

II. Если бы пар не отводился из системы, то, как уже отмечалось при обсуждении рис.9.4, после испарения всей жидкости состав газовой фазы достиг бы исходного состава жидкой фазы (Х_2,0). Обогащения системы каким-либо компонентом в таком случае не происходило бы.

III. Благодаря же отведению пара общее содержание компонента 2 в остающейся системе не сохраняется постоянным, а понижается, и это позволяет достичь в жидкой фазе предельно низких значений Х₂.

Следовательно, в результате данной процедуры получается небольшое количество почти чистого компонента 1 (в оставшейся жидкости).

б) I. Затем отводимый пар подвергают конденсации. В большей степени конденсируется опять-таки менее летучий компонент 1.

II. Если конденсат сразу отводить от пара, то в системе пар—образующаяся жидкость будет повышаться общее содержание компонента 2, что в итоге
позволит получить небольшое количество почти чистого пара этого компонента.

в) Таким образом, путем простой (однократной) перегонки и конденсации удается получить небольшое количество каждого компонента в практически
чистом виде.

г) Но основная масса компонентов все же остается пока в жидкой смеси, образующейся при конденсации. Для увеличения выхода чистых веществ следует
повторить указанную процедуру несколько раз и объединить чистые фракции. Такая более сложная модификация метода обозначается как фракционная перегонка.

3. Ректификация. а) Третья разновидность метода – ректификация – представляет собой непрерывную фракционную перегонку, осуществляемую в специальных аппаратах – ректификационных колонках (рис.9.12). Колонка содержит систему «тарелок»; внизу находится нагреватель.

б) Поступающая в колонку жидкость попадает на одну из верхних «тарелок» и быстро доводится до кипения. Уже здесь часть её испаряется, а часть (обогащённая компонентом 1) из-за вытеснения новыми порциями жидкости перетекает на нижележащую «тарелку». Таким образом, жидкая фаза постепенно перемещается вниз, всё более обогащаясь компонентом 1.

в) Пар же, поднимаясь с каждой «тарелки», затем неоднократно конденсируется на вышележащих «тарелках», оставляя здесь менее летучий компонент 1.

г) В итоге, выходящий из колонки пар представлен почти только веществом 2, а вещество 1 остаётся в жидком состоянии.

4. Разделение азеотропных смесей. а) Если смесь — азеотропная, то методом перегонки можно получить в чистом виде только один компонент. Так, пусть речь идет об азеотропной смеси с положительным отклонением, т. е. на диаграмме кипения имеется локальный минимум (см. рис. 9.9,б).

б) На стадии испарения состав жидкой фазы меняется так, что изображающая точка на диаграмме движется от азеотропной точки. Это позволяет получить менее летучий компонент в чистом виде.

в) А при охлаждении пара изображающая точка уже движется по направлению к азеотропной точке. Например, пусть . При этом составе более летучим является компонент 2. Следовательно, при конденсации пара содержание вещества 2 в нем увеличивается, и пар по составу постепенно приближается к азеотропному.

В этом же состоянии летучесть компонентов одинакова, что исключает
дальнейшее разделение.

г) По этой причине методом ректификации спирт очищают лишь до 96° (9.14, а). Одним из методов дальнейшей очистки азеотропной смеси является химическое связывание одного из компонентов. Например, воду связывают водоотнимающими веществами (СаСl₂).

Краткое содержание главы 9

В главе рассмотрены СМЕСИ ДВУХ ЛЕТУЧИХ ЖИДКОСТЕЙ.

1. Общее давление пара над идеальной смесью линейно зависит от её состава:

Р₀ = Р₁⁰ + Х₂ (Р₂⁰ – Р₁⁰) ,

а по составу пар обогащён более летучим компонентом (ПЕРВЫЙ ЗАКОН КОНОВАЛОВА):

X₂′ > X₂ .

б) АЗЕОТРОПНЫЕ смеси имеют на диаграммах ЭКСТРЕМУМЫ, причём в этих точках составы жидкой и газовой фаз одинаковы (ВТОРОЙ ЗАКОН КОНОВАЛОВА).

3. Для разделения компонентов смеси используются 3 метода – простая перегонка, фракционная перегонка и ректификация. В случае азеотропных смесей эти методы позволяют получить в чистом виде лишь один компонент смеси.