Фракционная дистилляция: разделение смесей на компоненты

Введение

Разделение соединения на составляющие его части. Фракционная дистилляция – это разделение смеси на её составные части, или фракции. Химические соединения разделяют, нагревая их до температуры, при которой одна или несколько фракций смеси переходят в парообразное состояние. В ней используется дистилляция для фракционирования. Как правило, точки кипения составных частей различаются менее чем на 25 °C при давлении в одну атмосферу. Если разница в точках кипения превышает 25 °C, обычно применяется простая дистилляция. Установка для перегонки сырой нефти использует фракционную дистилляцию в процессе её переработки.

История

Фракционная дистилляция органических веществ играла важную роль в работах IX века, приписываемых исламскому алхимику Джабиру ибн Хайяну, например, в ("Книге семидесяти"), переведенной на латынь Жераром Кремонским (ок. 1114–1187) под названием Liber de septuaginta. Эксперименты Джабира с фракционной дистилляцией животных и растительных веществ, а также, в меньшей степени, минеральных веществ, послужили основной темой трактата De anima in arte alkimiae – первоначально арабской работы, ошибочно приписываемой Авиценне, которая была переведена на латынь и впоследствии стала важнейшим алхимическим источником для Роджера Бэкона (ок. 1220–1292).

Настройка лаборатории

Фракционная дистилляция в лаборатории использует обычные лабораторные стеклянные изделия и аппараты, обычно включающие горелку Бунзена, колбу с круглым дном и конденсатор, а также фракционную колонну специального назначения. В качестве примера рассмотрим дистилляцию смеси воды и этанола. Таким образом, при нагревании смеси наиболее летучий компонент (этанол) будет концентрироваться в большей степени в паре, покидающем жидкость. Некоторые смеси образуют азеотропы, при этом смесь кипит при более низкой температуре, чем любой из компонентов. В этом примере смесь этанола и воды кипит при температуре ; смесь более летучая, чем чистый этанол. По этой причине этанол нельзя полностью очистить прямой фракционной дистилляцией смеси этанола и воды. Аппарат собирается, как показано на схеме (на схеме представлен периодический аппарат, в отличие от непрерывного). Смесь помещают в колбу с круглым дном вместе с несколькими антинакипными гранулами (или с тефлоновым магнитным мешалкой при использовании магнитного перемешивания), а фракционная колонна устанавливается сверху. Фракционная колонна устанавливается источником тепла в нижней части перегонного куба. По мере увеличения расстояния от перегонного куба в колонне формируется температурный градиент: вверху он самый холодный, а внизу – самый горячий. По мере подъема смешанного пара по температурному градиенту часть пара конденсируется и повторно испаряется вдоль градиента. Каждый раз, когда пар конденсируется и испаряется, увеличивается содержание более летучего компонента в паре. Это приводит к разделению пара вдоль длины колонны, и в конечном итоге пар состоит исключительно из более летучего компонента (или азеотропа). Пар конденсируется на стеклянных платформах, известных как тарелки, внутри колонны, и стекает обратно в жидкость внизу, обеспечивая обратный поток дистиллята. Эффективность, с точки зрения количества необходимого нагрева и времени для достижения разделения, может быть повышена путем теплоизоляции внешней стороны колонны изолятором, таким как вата, алюминиевая фольга или, предпочтительно, вакуумная рубашка. Самая горячая тарелка находится внизу, а самая холодная – наверху. В стационарных условиях пар и жидкость на каждой тарелке находятся в равновесии. Наиболее летучий компонент смеси выходит в виде газа в верхней части колонны. Затем пар в верхней части колонны поступает в конденсатор, который охлаждает его до тех пор, пока он не сконденсируется в жидкость. Разделение становится более чистым при добавлении большего количества тарелок (с практическим ограничением по теплоте, расходу и т. д.). Первоначально конденсат будет близок к азеотропному составу, но после отгонки большей части этанола конденсат постепенно будет обогащаться водой. Процесс продолжается до тех пор, пока весь этанол не выкипит из смеси. Это можно определить по резкому повышению температуры на термометре. Приведенное выше объяснение отражает теоретический принцип работы фракционирования. Обычные лабораторные фракционные колонны представляют собой простые стеклянные трубки (часто с вакуумной рубашкой и иногда с внутренним серебрением), заполненные насадкой, обычно небольшими стеклянными спиралями диаметром. Такую колонну можно откалибровать путем дистилляции известной смеси для количественной оценки колонны в терминах числа теоретических тарелок. Для улучшения фракционирования аппарат настраивается на возврат конденсата в колонну с помощью рефлюксного делителя (рефлюксная проволока, гаго, магнитное качающееся ведро и т. д.). При обычной тщательной фракции используется соотношение рефлюкса около 4:1 (4 части возвращаемого конденсата на 1 часть отбираемого конденсата). В лабораторной дистилляции обычно используются несколько типов конденсаторов. Конденсатор Либиха – это просто прямая трубка в водяной рубашке и является самой простой (и относительно недорогой) формой конденсатора. Конденсатор Грэма представляет собой спиральную трубку в водяной рубашке, а конденсатор Аллина имеет ряд больших и малых сужений во внутренней трубке, каждое из которых увеличивает площадь поверхности, на которой могут конденсироваться компоненты пара. В альтернативных установках можно использовать многовыходную приемную колбу для дистилляции (известную как «корова» или «свинья») для подключения трех или четырех приемных колб к конденсатору. Поворачивая «корову» или «свинью», дистилляты можно направлять в любую выбранную приемную колбу. Поскольку приемную колбу не нужно снимать и заменять во время процесса дистилляции, этот тип аппарата полезен при дистилляции в инертной атмосфере для химических веществ, чувствительных к воздуху, или при пониженном давлении. Треугольник Перкина – это альтернативный аппарат, часто используемый в этих ситуациях, поскольку он позволяет изолировать приемную колбу от остальной системы, но требует снятия и повторного присоединения одной приемной колбы для каждой фракции. Вакуумные дистилляционные системы работают при пониженном давлении, тем самым снижая точки кипения материалов. Однако антинакипные гранулы становятся неэффективными при пониженном давлении.

Fractional distillation in a laboratory makes use of common laboratory glassware and apparatuses, typically including a Bunsen burner, a round bottomed flask and a condenser, as well as the single purpose fractionating column. As an example, consider the distillation of a mixture of water and ethanol. Ethanol boils at while water boils at So, by heating the mixture, the most volatile component (ethanol) will concentrate to a greater degree in the vapor leaving the liquid. Some mixtures form azeotropes, where the mixture boils at a lower temperature than either component. In this example, a mixture of ethanol and water boils at ; the mixture is more volatile than pure ethanol. For this reason, ethanol cannot be completely purified by direct fractional distillation of ethanol–water mixtures. The apparatus is assembled as in the diagram. (The diagram represents a batch apparatus as opposed to a continuous apparatus.) The mixture is put into the round bottomed flask along with a few anti bumping granules (or a Teflon coated magnetic stirrer bar if using magnetic stirring), and the fractionating column is fitted into the top. The fractional distillation column is set up with the heat source at the bottom of the still pot. As the distance from the still pot increases, a temperature gradient is formed in the column; it is coolest at the top and hottest at the bottom. As the mixed vapor ascends the temperature gradient, some of the vapor condenses and vaporizes along the temperature gradient. Each time the vapor condenses and vaporizes, the composition of the more volatile component in the vapor increases. This distills the vapor along the length of the column, and eventually, the vapor is composed solely of the more volatile component (or an azeotrope). The vapor condenses on the glass platforms, known as trays, inside the column, and runs back down into the liquid below, refluxing distillate. The efficiency in terms of the amount of heating and time required to get fractionation can be improved by insulating the outside of the column in an insulator such as wool, aluminum foil, or preferably a vacuum jacket. The hottest tray is at the bottom and the coolest is at the top. At steady state conditions, the vapor and liquid on each tray are at equilibrium. The most volatile component of the mixture exits as a gas at the top of the column. The vapor at the top of the column then passes into the condenser, which cools it down until it liquefies. The separation is more pure with the addition of more trays (to a practical limitation of heat, flow, etc.) Initially, the condensate will be close to the azeotropic composition, but when much of the ethanol has been drawn off, the condensate becomes gradually richer in water. The process continues until all the ethanol boils out of the mixture. This point can be recognized by the sharp rise in temperature shown on the thermometer. The above explanation reflects the theoretical way fractionation works. Normal laboratory fractionation columns will be simple glass tubes (often vacuum jacketed, and sometimes internally silvered) filled with a packing, often small glass helices of diameter. Such a column can be calibrated by the distillation of a known mixture system to quantify the column in terms of number of theoretical trays. To improve fractionation the apparatus is set up to return condensate to the column by the use of some sort of reflux splitter (reflux wire, gago, Magnetic swinging bucket, etc.) – a typical careful fractionation would employ a reflux ratio of around 4:1 (4 parts returned condensate to 1 part condensate take off). In laboratory distillation, several types of condensers are commonly found. The Liebig condenser is simply a straight tube within a water jacket and is the simplest (and relatively least expensive) form of condenser. The Graham condenser is a spiral tube within a water jacket, and the Allihn condenser has a series of large and small constrictions on the inside tube, each increasing the surface area upon which the vapor constituents may condense. Alternate set ups may use a multi outlet distillation receiver flask (referred to as a "cow" or "pig") to connect three or four receiving flasks to the condenser. By turning the cow or pig, the distillates can be channeled into any chosen receiver. Because the receiver does not have to be removed and replaced during the distillation process, this type of apparatus is useful when distilling under an inert atmosphere for air sensitive chemicals or at reduced pressure. A Perkin triangle is an alternative apparatus often used in these situations because it allows isolation of the receiver from the rest of the system, but does require removing and reattaching a single receiver for each fraction. Vacuum distillation systems operate at reduced pressure, thereby lowering the boiling points of the materials. Anti bumping granules, however, become ineffective at reduced pressures.

Конструкция колонн промышленной дистилляции

Конструкция и работа дистилляционной колонны зависят от состава исходной смеси и требуемых продуктов. Для простой смеси из двух компонентов можно использовать аналитические методы, такие как метод Маккейба — Тиле или уравнение Фенске.