3.4.4. Фракционная перегонка

С помощью однократной простой перегонки, как правило, не удается чисто разделить на компоненты смесь двух или нескольких жидкостей с разницей в температурах кипения менее 80 ^оС. При нагревании таких смесей вместе с легколетучей жидкостью испаряется также некоторое количество компонента с более высокой температурой кипения. В отличие от простой перегонки, при которой разделение составляющих смесь продуктов происходит только на стадии испарения, фракционная перегонка предусматривает частичную конденсацию образующихся паров и возвращение их обратно в перегонный сосуд. Конденсации и возврату в перегонную колбу подвергаются в первую очередь пары высококипящего компонента, а очищенные пары летучего продукта далее полностью конденсируются в холодильнике и собираются в приемнике. Так поэтапно перегоняется вся жидкость.

Перегонка называется фракционной потому, что вся перегоняемая жидкость собирается в разные приемники отдельными порциями, которые называются фракциями. Первые фракции содержат преимущественно вещество с самой низкой температурой кипения, последние - с самой высокой. Чистота разделения на отдельные фракции зависит от природы веществ, составляющих перегоняемую смесь, и от конструкции конденсирующих приборов - дефлегматоров или ректификационных колонок.

В лабораториях при фракционной перегонке обычно применяют дефлегматоры. На рис. 10 изображена установка для фракционной перегонки с дефлегматором.

1 – плитка; 2 - перегонная колба; 2 - елочный дефлегматор; 4 – термометр; 5 – холодильник; 6 - алонж; 7 - приемный сосуд.

Рисунок 10 - Установка для фракционной перегонки с дефлегматором

Существуют дефлегматоры различных конструкций, однако внимания заслуживают лишь наиболее простые и эффективные из них (елочного типа) и дефлегматоры с насыпной насадкой (стеклянные шарики, мелкие кольца, спирали). Хорошие дефлегматоры должны обеспечивать как можно большую поверхность соприкосновения поднимающихся паров со стекающим навстречу конденсатом, который называется флегмой.

Елочные дефлегматоры (рис. 11, а) выгодно отличаются от прочих небольшим сопротивлением движению паров, простотой изготовления, легкостью очистки; они удерживают сравнительно небольшое количество флегмы, что ценно при перегонке малых количеств веществ, и в то же время обеспечивают хороший контакт флегмы с парами.

Большая активная поверхность соприкосновения жидкости с парами может быть достигнута в дефлегматорах с насадкой (рис. 11,6). Часто применяющиеся в качестве насадки стеклянные бусы обладают минимальной удельной поверхностью и поэтому малоэффективны. Наиболее пригодной для заполнения лабораторных дефлегматоров и колонок считается насадка из одновитковых проволочных или стеклянных спиралей. Обычно используют проволоку диаметром 0,2 - 0,3 мм из нержавеющей стали или нихрома. С уменьшением диаметра спиралей увеличивается эффективность насадки, однако одновременно возрастает сопротивление движению паров в дефлегматоре. Оптимальный диаметр витков для приборов среднего размера равен 3 - 5 мм. Для изготовления одновитковых спиралей проволоку наматывают с помощью станка на металлический прут подходящего диаметра. Расстояние между витками примерно должно быть равно толщине проволоки. Полученную спираль снимают и разрезают по длине ножницами.

Следует, однако, иметь в виду, что даже самые хорошие лабораторные дефлегматоры обладают весьма ограниченной разделяющей способностью и пригодны лишь для грубого фракционирования, для очистки растворителей от малолетучих примесей и т.п.

а - елочный дефлегматор; б - дефлегматор с насадкой; в - теплоизоляция дефлегматора с помощью муфты из стеклянной трубки; г - дефлегматор с вакуумной рубашкой; 1 - корковые пробки

Рисунок 11 - Дефлегматоры для фракционной перегонки

Удовлетворительное разделение с помощью дефлегматоров достигается лишь в тех случаях, когда разница в температурах кипения жидкостей составляет более 30 ^оС.

Если температура паров ни в начале, ни в конце перегонки не держится постоянной, это указывает на плохое качество разделения Количество промежуточной фракции при этом будет составлять более 1/3 от объема исходной смеси. В таких случаях для повышения качества разгонки следует использовать более эффективное оборудование. Ниже рассмотрены основные факторы, влияющие на эффективность фракционной перегонки с использованием дефлегматоров.

Высота дефлегматора. Размеры дефлегматора определяются количеством перегоняемой жидкости, температурой перегонки, требуемой полнотой разделения. С увеличением высоты рабочей части дефлегматора увеличивается и его разделяющая способность. Однако применение конструкций выше 80 - 90 см вряд ли целесообразно: вследствие неизбежных теплопотерь пары конденсируются в насадочной части и могут просто не достигнуть отводной трубки даже при интенсивном кипении жидкости в перегонной колбе. Кроме того, увеличение объема дефлегматора приводит к увеличению потерь перегоняемого продукта

Скорость перегонки. В отличие от простой перегонки, скорость которой ограничивается только возможной интенсивностью кипения жидкости и производительностью холодильника, скорость фракционной перегонки во многом определяет качество фракционирования. Превышение оптимальной скорости приводит к нарушению равновесия между флегмой и парами, и дефлегматор оказывается практически бесполезным. Кроме того, слишком высокая скорость испарения обычно вызывает «захлебывание» дефлегматора. При средней скорости в приемник должно поступать не более 1 - 2 капель дистиллята в секунду. В любом случае уменьшение скорости перегонки приводит к повышению качества фракционирования, однако соответственно увеличивается и время операции. Скорость перегонки регулируют обогревом перегонной колбы

Теплоизоляция. Для правильной работы дефлегматора его необходимо тщательно защитить от потери тепла (теплоизолировать). Применение дефлегматоров без изоляции - довольно распространенная грубая ошибка, резко снижающая качество фракционной перегонки. Надежность теплоизоляции должна быть тем выше, чем при более высокой температуре кипят разделяемые жидкости

Количество флегмы. Важным фактором, влияющим на качество фракционирования, является количество флегмы. Хорошее разделение достигается лишь в том случае, если большая часть паров образует флегму, а меньшая отводится в приемник.

В тех случаях, когда разница в температурах кипения подлежащих разделению жидкостей составляет менее 30 ^оС, даже самые хорошие дефлегматоры не обеспечивают удовлетворительного разделения. Лучшие результаты дает применение ректификационных колонок. От дефлегматоров они отличаются сравнительно большими размерами, более эффективной теплоизоляцией, иногда даже с дополнительным обогревом, но главное - наличием специального устройства, называемого головкой, позволяющего производить полную конденсацию паров и распределение конденсата между орошением колонки и приемником.

Следует, однако, иметь в виду, что тонкое разделение близко кипящих жидкостей с применением ректификационных колонок является одной из сложных операций в лабораторной практике и нередко вызывает затруднения даже у опытных работников. Объяснение всех тонкостей ректификации выходит за рамки данного руководства. Если ректификация все же окажется необходимой, следует обратиться к специальным руководствам.

Обычные ректификационные колонки позволяют разделять смеси жидкостей, температуры кипения которых различаются на 7 - 10 ^оС. Имеются специальные колонки, которые дают возможность разделять жидкости с разницей в температурах кипения 1 - 2 ^оС.