Состав паровой фазы и температура дистилляции с водяным паром

Перегонку с водяным паром применяют для несмешивающихся с водой жидкостей. Если в такую жидкость, кипящую при высокой температуре, добавить воду, то температура кипения образовавшейся смеси при атмосферном давлении будет ниже 100 °C.

Температуру кипения смеси при перегонке с водяным паром можно определить по кривым давления паров. Точки пересечения кривых давления паров каждого вещества с кривой давления водяного пара указывают температуры кипения смесей при заданном давлении. Например, по диаграмме, изображенной на рис. 2.1, температура перегонки бензола с водяным паром при давлении 760 мм рт. ст. будет ~ 69,5°С, а при давлении 100 мм рт. ст. — только ~ 20 °C. Следовательно, при уменьшении давления понижается и температура кипения смеси. Этим приемом часто пользуются для перегонки жидкостей, которые разлагаются при обычных температурах кипения.

Рис. 2.1. Кривые давления паров различных жидкостей для расчета перегонки с водяным паром: 1 — вода (760 — Р_г), 2 — вода (100 — Р_г) 3 — бензол; 4 — толуол; 5 — скипидар; б — нитротолуол.

Рис. 2.2. Схема установки для перегонки с водяным паром: / - куб с рубашкой; 2 — барботср для острого пара; 2 — холодильник-конденсатор; 4 — смотровой фонарь; 5 — отстойник; 6 — сборник продукта Таким образом, перегонка с водяным паром и перегонка под вакуумом применяются для разделения смесей, состоящих из труднолетучего вещества, содержащего примеси нелетучего вещества. Это позволяет проводить разделение при температурах ниже точки кипения труднолетучего компонента.

Перегонку с водяным паром обычно ведут в перегонных кубах, снабженных рубашкой и барботером, через который подается острый пар (рис. 2.2).

Подогрев исходной смеси до температуры кипения осуществляют при помощи дымовых газов или водяного пара, передавая тепло через стенку куба. Если исходная смесь содержит воду, то острый пар начинают пускать только после отгонки воды из смеси.

После конденсации отгоняемые продукты легко отделяются от воды, с которой они не смешиваются, путем отстаивания или центрифугирования.

Общий расход тепла при перегонке с водяным паром больше, чем при простой перегонке на то количество тепла, которое уходит с паром. При перегонке с водяным паром требуется больший расход охлаждающей воды, поскольку приходится конденсировать не только пары низкокипящих компонентов, но и водяные пары.

Органические вещества с высокой температурой кипения часто невозможно отделить друг от друга или очистить от нелетучих примесей при помощи высокотемпературной дистилляции или ректификации под атмосферным давлением, так как они могут осмоляться под действием высоких температур. Для их разделения применяют дистилляцию под пониженным давлением или дистилляцию с водяным паром, что дает возможность понизить температуру кипения, устраняет опасность термического разложения органических веществ и дает возможность использовать в качестве источника тепла пар низких параметров, и тем самым способствует экономии пара высокого давления и температуры.

Применение пониженного давления при дистилляции с водяным паром дает возможность уменьшить температуру кипения больше, чем это возможно в случае применения каждого из этих факторов в отдельности. Однако дистилляцию с водяным паром можно применять в основном лишь в том случае, если дистиллируемое вещество не растворяется в воде или же растворяется в незначительном количестве. В промышленности дистилляция с водяным паром применяется при переработке и очистке жирных кислот, органических полупродуктов, эфирных масел, смол и т. п.

Используют дистилляцию с водяным паром также для десорбции, при которой из жидкой смеси удаляют легколетучее вещество; для дезодорации, при которой из масел и жиров растительного или животного происхождения удаляются вещества, обусловливающие неприятный запах.

Этот способ как специальный способ разделения жидких смесей можно в какой-то мере сравнить с процессом экс;

тракции, при которой в качестве растворителя используют воду. Паровая фаза, образовавшаяся при дистилляции с водяным паром, при конденсации дает дистиллат, который расслаивается на две фазы. Между фазами в соответствии с коэффициентом распределения устанавливается равновесие третьего компонента, присутствующего в смеси. Поэтому из органической фазы дистиллата, как и при экстракции, в воду переходят те компоненты, которые растворимы в воде.

Дистилляцию с водяным паром используют также для очистки высококипящих, но растворимых в воде веществ от нелетучих примесей, например, при производстве глицерина. В этих случаях для дистилляции может использоваться только перегретый пар. Кроме того, этот метод используют и для разделения азеотропных систем, так как присутствие водяного пара изменяет концентрацию азеотропа. Возможно возникновение тройного азеотропа, что в ряде случаев позволяет разделить исходную смесь путем дистилляции. Так в начале XX в. получали абсолютный спирт.

Для многих аналогичных и интересных жидких смесей отсутствуют данные по равновесию в присутствии воды, что препятствует применению такой дистилляции в промышленности. Дистилляция с водяным паром интересна и с точки зрения кинетики, так как введение струи водяного пара в дистиллируемую жидкость ускоряет ее циркуляцию в кубе, и тем самым улучшает теплопередачу от греющей поверхности к жидкости.

Наряду с приведенными выше достоинствами дистилляция с водяным паром имеет свои недостатки, к которым относится большой расход водяного пара, сопровождающего дистиллируемое вещество в дистиллат. Примесь водяного пара обусловливает необходимость конденсации большого количества паров в установке, для чего требуются большие поверхности конденсации и охлаждения, а также большой расход охлаждающей воды, так как теплота испарения воды очень велика.

В случае использования инертных газов увеличиваются потери дистиллируемого вещества, так как при охлаждении некоторая часть дистиллируемого вещества остается в инертных газах.

Первые наблюдения о влиянии воды на температуру кипения не растворимых в воде жидкостей принадлежат Ю. Либиху. В 1832 г. он заметил, что при дистилляции смеси дихлорэтана и воды температура кипения смеси ниже, чем температура кипения чистого дихлорэтана и чистой воды. В том же году Гей-Люссак показал, что общее давление паров смеси из двух взаимно нерастворимых жидкостей при температуре кипения смеси соответствует сумме давлений паров чистых компонентов при той же температуре. Этим была доказана причина уменьшения температуры кипения смеси взаимно нерастворимых жидкостей по сравнению с температурами кипения отдельных жидкостей.

На основе опытных данных дистилляции с водяным паром бензола, толуола и других не растворимых в воде органических веществ, А. Науман в 1877 г. выразил состав паровой фазы в виде отношения:

где V_Zy V_A — объемный состав воды и вещества соответственно; р_л — парциальное давление воды и вещества.

Данное отношение может быть легко получено непосредственно из закона Дальтона. Поэтому его часто рассматривают как одно из математических выражений закона Дальтона. Это выражение применяется часто в виде соотношений массовых количеств вещества A (Ga) и воды (Gz):

Дистилляцию с водяным паром в конце XIX и на рубеже XX столетия изучали Д. Коновалов, У. Рамзай, С. Янг и другие исследователи.

При дистилляции с водяным паром может быть применен как насыщенный, так и перегретый водяной пар или любой инертный газ. В первом случае имеем трехфазную, а во втором — двухфазную систему. На основе закона Гиббса при дистилляции с насыщенным водяным паром система обладает лишь одной степенью свободы, т. е. при определенном внешнем давлении температура дистилляции определена однозначно.

При дистилляции с перегретым водяным паром или инертным газом в кубе находится только одна жидкая фаза.

(дистиллируемая жидкость), и, следовательно, система имеет две степени свободы. Поэтому дистилляцию с перегретым водяным паром при определенном внешнем давлении можно проводить при разных температурах. Для определенности системы необходимо одновременно зафиксировать как давление, так и температуру дистилляции.