Kapalný vzduch je základem pro výrobu čistého kyslíku. Frakční destilace Frakční destilace vzorce kapalného vzduchu

Destilace neboli destilace je proces dělení binárních a vícesložkových kapalných směsí na jednotlivé složky. V tomto případě lze dva procesy uvažovat odděleně: přechod kapaliny do stavu páry a kondenzaci páry.

Kapalina se vaří, když se tlak nasycených par rovná vnějšímu tlaku. Bod varu kapaliny se mění se změnami tlaku. Při destilaci čisté jednotlivé látky je bod varu při určitém tlaku konstantní, protože složení kapaliny a vzniklé páry jsou stejné. V případě destilace směsi kapalných látek, jejichž složky se vzájemně mísí v libovolném poměru, se složení páry a kapaliny neustále mění v důsledku obohacení plynné fáze těkavější komponent.

Pára, obohacená o těkavější složku, kondenzuje. Výsledkem je kapalina (destilát) stejného složení jako pára. Při destilaci destilátu nejprve vzniká pára, ještě více obohacená o nízkovroucí složku.

V důsledku takové opakované destilace lze směs prakticky rozdělit na čisté složky. To je podstatou metody oddělování směsi kapalných látek frakční destilací. Separace směsi látek frakční destilací je tím snazší, čím větší je rozdíl mezi složením kapaliny a složením páry. Frakční destilace však nemůže oddělit azeotropní (neodděleně vroucí) směsi.

Frakční destilace je extrémně časově náročný proces, a to i pro separaci směsi dvou látek. Při větším počtu složek vznikají ještě větší obtíže, které lze odstranit kolonovou destilací pro přesnou frakcionaci. V důsledku tohoto procesu vzniká řada vzájemně oddělených frakcí, které vrou v úzkých teplotních mezích.

Destilaci lze provádět nejen za atmosférického, ale také za zvýšeného a sníženého tlaku. Destilace za sníženého tlaku se používá k oddělení složek vysokovroucích kapalin, které se rozkládají nebo mění při bodu varu za atmosférického tlaku. Požadovaného bodu varu se dosáhne odpovídajícím snížením zbytkového tlaku.

K čištění nebo separaci látek, zejména těch, které jsou tepelně nestabilní, špatně rozpustné ve vodě nebo snadno oddělitelné od vody, se často používá destilace s nasycenou nebo přehřátou párou.

Jednoduchá destilace za atmosférického tlaku

Jednoduchá destilace spočívá v částečném odpaření vroucí kapalné směsi, úplném odstranění a kondenzaci vzniklých par. Jednoduchá destilace se zpravidla používá k oddělení tepelně stabilních kapalných látek, které se velmi liší svými body varu; k oddělení kapaliny od pevných látek v ní rozpuštěných; pro koncentrování roztoků; pro čištění zkapalněných plynů atd.

Nejjednodušší zařízení pro destilaci za atmosférického tlaku se skládá z Wurtzovy baňky, k jejímuž hrdlu je připájena trubička pro odvod par vroucí kapaliny do chladničky, nebo ze samostatné baňky vybavené Wurtzovou tryskou, teploměrem, sestupný kondenzátor, longue a přijímač (obr. 156). Jako destilační baňky lze použít baňky s kulatým dnem, špičaté nebo hruškovité. Wurtzova baňka nebo samostatná destilační baňka se volí s takovou kapacitou, aby destilovaná kapalina nezabírala více než 2/3 objemu. K destilaci vysokovroucích kapalin by se měly používat baňky s krátkým hrdlem. Malé objemy kapalin je lepší destilovat ze špičatých baněk, jejichž nakreslený tvar umožňuje destilaci na minimální zbytek. Nejvhodnější je destilační baňka hruškovitého tvaru, která poskytuje téměř konstantní odpařovací plochu při současném snížení obsahu baňky.

Skleněná tryska Wurtz je zvolena tak, aby číslo KN jádra odpovídalo číslu KN spojky destilační baňky. Ke kondenzaci páry se používá konvenční sestupný kondenzátor. Délka lednice by měla být tím větší, čím nižší je bod varu kapaliny.

Páry látek, které jsou při pokojové teplotě tuhé, by se neměly v lednici chladit na teplotu tuhnutí. Abyste tomu zabránili, doporučuje se pravidelně ohřívat chladničku teplou (horkou) vodou.

Při destilaci kapalin vroucích nad 150 °C se používají pouze vzduchové chladiče. Kapaliny vroucí v rozmezí 200-300 °C se destilují bez chladničky, jejíž funkci v tomto případě může plnit výstupní trubice nástavce destilační baňky (obr. 157).

Při destilaci nízkovroucích látek umístěte jímací baňku do ledové nebo chladicí lázně.

Destilace zdraví škodlivých látek (sulfid uhličitý, thionylchlorid atd.) by měla být prováděna v digestoři.

Teploměr musí být instalován v hrdle destilační baňky tak, aby jeho rtuťová kulička byla minimálně 5 mm pod spodním okrajem otvoru výstupní trubice v hrdle Wurtzovy baňky nebo destilační trysky. V tomto případě je teploměr dobře omýván kapalnými parami, což zajišťuje správné měření bodu varu. Na konci baňky teploměru by měla zůstat kapka kondenzátu; jeho nepřítomnost znamená, že pára v baňce je přehřátá, a proto zaznamenaná teplota neodpovídá skutečnému bodu varu.

Kónická baňka nebo baňka s kulatým dnem může sloužit jako zásobník destilátu. Přijímač se připojuje k lednici pomocí spojky s výstupní trubicí, která slouží k odvodu nezkondenzovaných škodlivých nebo nebezpečných plynových výparů na bezpečné místo nebo do mycí láhve s příslušným absorbérem (neutralizátorem).

Pokud je destilát citlivý na vlhkost nebo oxid uhličitý, připojí se k výstupní trubce trubice s chloridem vápenatým naplněná CaCl2, natronovým vápnem nebo ascaritem. Pokud je destilovaná látka citlivá na kyslík, pak se destilace provádí v proudu suchého dusíku. V tomto případě by měla být přijímací baňka připojena k absorpční baňce naplněné roztokem, který absorbuje kyslík.

Po sestavení zařízení se destilovaná kapalina nalije do baňky a pro rovnoměrný var se přidají kousky nepáleného porcelánu, cihly a skleněné kapiláry roztavené na jedné straně, které se vloží do baňky otevřeným koncem dolů. . Silné přehřátí může být doprovázeno „výbušným“ varem, stříkáním a vymrštěním destilované kapaliny.

Při dlouhodobém varu může být spotřebováno celé množství vzduchu adsorbovaného „kotlem“ a kapalina se začne vařit nerovnoměrně. Poté je nutné znovu zavést „kotle“ (nebo kapiláry), po ochlazení kapaliny pod bod varu, jinak může kapalina náhle prudce vřít.

Destilační baňka se zahřívá plynovým hořákem přes azbestovou síťku, na uzavřeném elektrickém sporáku nebo pomocí topného pláště, ve vodní, vzduchové, olejové nebo kovové lázni. Ohřev v lázni zajišťuje rovnoměrný ohřev, zabraňuje přehřátí a s tím spojeným poruchám v procesu varu. Teplota lázně by neměla překročit bod varu destilované látky o více než 20-30 °C.

Zahřívání se provádí tak, aby destilace neprobíhala příliš rychle. Při příliš intenzivním varu vzniká v důsledku přehřátí par v baňce zvýšený tlak a naměřená teplota neodpovídá bodu varu této frakce při atmosférickém tlaku. Rychlost destilace se považuje za normální, pokud z chladničky odteče 30-35 kapek kondenzátu za minutu.

Při destilaci jednotlivých látek je bod varu po celý proces konstantní, až ke konci destilace může stoupnout o několik stupňů. Neustálé zvyšování bodu varu ukazuje, že dochází k destilaci směsi látek.

Pro zvýšení účinnosti dělení směsi, kdy jednoduchá destilace nedosahuje požadovaných výsledků, použijte destilační baňku se zpětným chladičem. Deflegmátory se často nazývají frakcionační obaly; některé z nich sloužily jako prototyp moderních destilačních kolon.

V zpětném chladiči vlivem chlazení venkovním vzduchem kondenzuje část par destilované směsi a kondenzát (reflux) obsahuje převážně méně těkavou složku a páry těkavější.

Když se proudící kondenzát dostane do kontaktu se stoupajícími parami vroucí kapaliny, dochází mezi nimi k interakci, která vede k dodatečné kondenzaci méně těkavé složky a odpařování té těkavější.

Pro separaci směsi kapalin s relativně blízkými body varu jsou konvenční zpětné chladiče prakticky neúčinné. V praxi se pro zvýšení účinnosti jednoduchých a vakuových destilací používají zpětné chladiče různých konstrukcí a baňky Favorského a Arbuzova (obr. 158).

Při jednoduché destilaci za atmosférického tlaku se boční hrdlo Favorského baňky používá k naplnění destilované kapaliny, vyložení destilačního zbytku, přidání „varných kapalin“, průchodu proudu inertního plynu a instalace teploměru. Při vakuové destilaci, aby se zabránilo prudkému varu kapaliny, se do bočního hrdla vloží kapilára, která promíchá kapalinu s bublinkami vzduchu nebo inertního plynu.

Arbuzovova baňka je destilační baňka připájená ke kulovému zpětnému chladiči. Na dně každé koule takového zpětného chladiče je umístěna skleněná kulička, která výrazně zvyšuje separační schopnost zpětného chladiče.

Frakční destilace

Jednoduchou destilací nelze dosáhnout úplného oddělení směsi, ale lze izolovat pouze jednotlivé frakce, přičemž první je obohacena o těkavější složku a druhá o méně těkavou. Střední, střední frakce bude sestávat ze směsi nízko a vysokovroucích složek. Během frakční destilace se procesy odpařování a kondenzace mnohokrát opakují; destilát se stává pokaždé zdrojový materiál pro další proces. V důsledku toho se nízkovroucí složka koncentruje.

Frakční destilaci předchází zkušební destilace, jejímž výsledkem je zjištění hodnoty celého rozsahu varu směsi. Nechť je tento interval 90-135 °C. Předpokládejme, že separovaná směs se skládá ze dvou látek s body varu 90 a 135 °C. Interval mezi teplotami varu je rozdělen na tři stejné části. Během primární destilace se shromažďují frakce: I - v rozmezí 90-105 °C, II - 105-120 °C a III - 120-135 °C. Frakce I se destiluje podruhé, dokud teploměr neukáže 105 °C. Při této teplotě se destilace přeruší a ke zbytku v baňce se přidá frakce II a kapalina se znovu přivede k varu. To, co se destiluje na 105 °C, se shromažďuje ve stejné nádobě. Když teplota dosáhne 105 °C, vyměňte nádobu a oddestilujte kapalinu na 120 °C. Destilace se znovu přeruší, ke zbytku se přidá frakce III, zahřeje se a když teplota dosáhne 120 °C, vymění se jímka a shromáždí se destilát destilovaný při 120-125 °C. Po sekundární destilaci se ukazuje, že množství látky ve frakcích I a III se zvýšilo a ve frakci II výrazně pokleslo.

Často se doporučuje provádět frakční destilaci za sníženého tlaku, zejména v případech, kdy složky směsi mají podobné body varu a patří do různých tříd sloučenin. Někdy může být rozdíl v bodech varu takových látek ve vakuu výrazně větší než při atmosférickém tlaku.

Oprava ve sloupcích

Rektifikace - vícenásobné odpařování a kondenzace - se provádí v kolonách s protiproudem páry a kapaliny s částečné vrácení peněz(reflux) destilátu při ustálené hmotnosti a přenosu tepla. V destilačních kolonách se za podmínek známého teplotního rozdílu po celé délce kolony vytváří postupná řada fázových rovnováh mezi kondenzátem proudícím zpět do destilační baňky a párou stoupající vzhůru. V tomto případě vysokovroucí složka částečně kondenzuje z parní fáze a nízkovroucí složka se odpařuje z refluxu.

K separaci složek na koloně musí dojít za podmínek adiabatického procesu. Tepelné ztráty vedou k narušení rovnovážného stavu, kdy pára kondenzuje podél stěn kolony. Čím větší je povrch kontaktu mezi hlenem a párou, tím úplnější je oddělení.

Pro zvětšení kontaktní plochy páry a refluxu v laboratorních podmínkách se používají tzv. klecové kolony, což jsou skleněné nebo křemenné trubice s objemovou náplní jednotlivých skleněných nebo drátěných závitů. Kontaktní plocha mezi párou a kapalinou v koloně je velká, což usnadňuje přenos tepla a zlepšuje separaci složek.

Reflux, vracející se do destilační baňky, je obohacen o méně těkavou složku a plynná fáze vstupující nahoru je obohacena o těkavější složku.

Rychlost, s jakou se v koloně ustavuje fázová rovnováha, závisí na její konstrukci. Ustavení rovnováhy v koloně je obvykle sledováno odečtem teploměru. V okamžiku, kdy je kolona naplněna párou, teploměr ukazuje určitou teplotu, která časem klesne na určitou úroveň. Dosažení této úrovně znamená, že byla ustavena rovnováha, tj. páry jsou maximálně obohaceny o nejtěkavější složku pro danou kolonu.

Důležitým faktorem přesné frakcionace na koloně je refluxní poměr, měřený podílem kondenzátu vráceného do kolony pro reflux, tj. kondenzátem proudícím z hlavy kolony do naplněné destilační trubice. Hodnota refluxního poměru se obvykle nastavuje pomocí výtokového kohoutu podle počtu kapek refluxní kapaliny a počtu odebraných kapek destilátu tak, že dokud je produkt získán v čisté formě, množství odebrané za jednotku času se udržuje přibližně konstantní. Jakmile se však sníží množství destilované látky nebo se zvýší teplota varu, což naznačuje začátek destilace výševroucí složky směsi, měla by se rychlost výběru destilátu značně snížit.

Na hlavě kolony dochází ke kondenzaci par procházejících destilační kolonou a separaci kondenzátu do refluxní kapaliny proudící zpět z kolony do destilační baňky a vybraných částí destilátu. Pokud je pouze část páry zadržena v hlavě, jejíž kondenzát se používá k zavlažování kolony, a druhá část páry je kondenzována v chladničce a vybírá se jako destilátová frakce, pak se takové hlavy nazývají částečné kondenzační hlavy . V laboratorních kolonách pro analytické a preparativní účely se používají především kompletní kondenzační hlavy, ve kterých dochází ke kondenzaci všech par a kondenzát je speciálním zařízením separován na refluxní kapalinu a destilát.

Během destilace jedné složky zůstává bod varu konstantní, poté se prudce zvýší v důsledku výskytu další složky v destilátu a opět zůstává na konstantní úrovni odpovídající bodu varu této složky. Během „skoku“ teploty se získají různá množství meziproduktů. Kolona je považována za účinnější, čím menší je počet mezilehlých frakcí.

Provozní výkon kolony se odhaduje podle množství par a kapalin procházejících protiproudně kolonou, aniž by došlo k jejímu „zaplavení“, tj. naplnění centrální trubky přebytečným refluxem. Každá kolona má určitou optimální rychlost destilace, při které pracuje nejúčinněji. Při výběru kolony je třeba vzít v úvahu i to, že část kondenzátu se spotřebuje na zavlažování vnitřního prostoru kolony. Tato nevyužitá část produktu se nezískává jako destilát. Množství destilované kapaliny musí být alespoň 20krát větší než množství kondenzátu zavlažující kolonu.

Srovnávací separační účinnost destilačních kolon se běžně posuzuje počtem teoretických pater (NTP). Další hodnotou charakterizující účinnost destilační kolony je výška ekvivalentní jedné teoretické patě (HETP), která se získá vydělením výšky kolony počtem teoretických pater.

V laboratorní praxi se používají různé typy destilačních kolon. V mnoha laboratořích jsou zvláště široce používány kolony s hromadným plněním jednotlivých závitů skleněné spirály nebo odřezků spirály z kovového drátu. Jedna z možností pro takové skleněné sloupy je znázorněna na Obr. 159.

Sériově jsou vyráběny skleněné díly pro montáž laboratorních kolon pro přesnou rektifikaci za atmosférického a sníženého tlaku s výškou rektifikační části 400 a 1100 mm. Celková délka centrální trubky s plnou kondenzační hlavicí je 840 a 1620 mm. Objem destilované kapaliny je 10-50 a 50-500 ml. Spojení instalačních dílů se provádí pomocí běžných výměnných brusných sekcí. Obecná forma sloupy sestavené ze skleněných dílů jsou na Obr. 160.

Stacionární laboratorní destilační jednotka RUT je určena pro separaci různých látek v kontinuálním nebo vsádkovém procesu. Zařízení může provádět rektifikaci jak při sníženém, tak při atmosférickém tlaku. Jednotky jsou vyráběny s kotoučovými kolonami tří standardních velikostí RUT-20, RUT-25 a RUT-55. Pro separaci velkých objemů organických látek za atmosférického a sníženého tlaku se vyrábí stacionární laboratorní zařízení s náplní UPF kolony. Pro separaci ropných frakcí uhlovodíkových směsí a komplexních směsí jiných organických sloučenin v laboratorních podmínkách je vyráběna přesná rektifikační aparatura AChR-2.

V závislosti na konstrukci použité kolony se výrazně mění i technika destilace. Existují však obecné operace pro provádění destilace na plněných kolonách, jejichž stručný popis je uveden níže.

Když je kolona sestavena ze skleněných částí (podle přiloženého návodu), měla by být omyta a vysušena. K tomu se umístí do destilační baňky ethanol, zahřejte baňku s uzavřeným kohoutem, abyste odebrali vzorek destilátu, a zároveň připusťte vodu, aby se ochladila hlava kolony. Poté je režim ohřevu nastaven tak, aby počet kapek padajících do kolony z hlavy za jednotku času byl 2-2,5krát menší než počet kapek padajících z kolony do baňky a teplota pláště byla 5-10 ° C nižší bod varu alkoholu. V tomto případě se sloupec „dusí“. V důsledku toho je z trysky vytlačen vzduch a celá je smáčena refluxem. Snížením zahřívání destilační baňky se přebytek zpětného toku nechá odtékat po dobu 15–20 minut, poté za stálého zahřívání kolony zvyšujte zahřívání baňky, dokud se v hlavě opět neshromáždí sloupec kapaliny. Je vhodné udržovat kolonu ve stavu „zaplavení“ po dobu 5-10 minut tak, aby objem kapaliny nad tryskou byl 10-25% objemu trysky. „Sytič“ se opakuje 2–3krát, poté se nastaví režim zrychlení a kolona je nucena pracovat 30–60 minut při plném zavlažování, několikrát se odebere 0,5–1,0 ml destilátu k propláchnutí kohoutku a výstupních trubek, načež se ohřev baňky vypne. Po odtečení veškerého hlenu z kolony se baňka odpojí, pomocí vodní trysky napojené na výstupní trubici hlavice se kolonou čerpá suchý vzduch, ze kterého se v tuto chvíli uvolňuje voda. Po dokončení popsaných operací je kolona připravena k použití.

Látka určená k destilaci se umístí do destilační baňky. Pokud je teplota varu složky směsi nepřesahují 150 °C, destilace se s výhodou provádí při atmosférickém tlaku, při vyšším vysoké teploty- při nízkém tlaku: 133 Pa (1 mm Hg).

Je výhodné zahřívat destilační baňku v kapalné lázni s řízeným ohřevem. Zapnutím ohřevu destilační baňky nastavte režim ohřevu kolony, jak je popsáno výše, a nechte kolonu 2x „zadusit“. Poté se nastaví požadovaný režim ohřevu pro baňku a plášť. Po úplném promývání se kolona udržuje po dobu asi 1 hodiny, aby se ustavila fázové rovnováhy. Dále je experimentálně stanoven optimální provozní režim kolony.

Při práci s kolonami, které nemají ohřev, je provozní režim určen pouze rychlostí odpařování kapaliny.

Destilát lze odebírat průběžně nebo periodicky. Při kontinuálním vzorkování mírně otevřete kohout destilátu u kompletní kondenzační hlavy tak, aby se nastavil předem stanovený refluxní poměr (1:10, 1:20, 1:30).

Teplota se měří při každém odběru destilátu.

Pokud se v jímce shromažďuje jednotlivá látka, což dokazuje konstantní teplota páry v hlavě po určitou dobu, lze hodnotu refluxního poměru snížit zvýšením rychlosti výběru destilátu. Při přechodu z frakce na frakci se refluxní poměr opět zvýší, čímž se sníží rychlost selekce destilátu. Tomu se říká „stlačování zlomku“.

Při periodickém vzorkování destilátu po dobu 1-5 sekund zcela otevřete kohout pro výběr destilátu, vypusťte malé množství destilátu do sběrné nádoby a kohout zavřete. Protože se tím odstraní část těkavé složky, naruší se rovnováha v koloně a teplota páry v hlavě se začne zvyšovat. Při opětovném uzavření ventilu se v koloně postupně ustavuje rovnovážný stav a teplota páry klesá. Po ustálení teploty se znovu odebere vzorek destilátu. Teplota a objem destilátu se počítají okamžitě v okamžiku odběru další dávky destilátu.

Při rektifikaci ve vakuu je hlava kolony vybavena vakuovým přijímačem.

Destilace ve vakuu

Některé látky nelze destilovat za atmosférického tlaku z důvodu jejich částečného nebo úplného rozkladu při bodu varu. Takové látky lze destilovat za předpokladu, že se tlak v destilační baňce sníží natolik, že bod varu látky je pod teplotou jejího rozkladu. Například látky, které vrou s rozkladem při 350 °C a 101 kPa (760 mmHg), lze destilovat bez rozkladu při 160-210 °C a 1,33 kPa (10 mmHg) nebo při 100-130 °C a 1,33 Pa (0,01 mm Hg).

Při vakuové destilaci jsou látky méně vystaveny kyslíku. V některých případech, jak je uvedeno výše, vakuová destilace usnadňuje separaci azeotropních směsí.

Zařízení pro destilaci ve vakuu (obr. 161) se skládá z destilační baňky, zařízení na její ohřev, teploměru, lednice, jímače kondenzátu nebo zařízení na výměnu jímačů, zdroje vakua a zařízení na měření a regulaci tlaku. .

Jako destilační baňky lze použít baňky Claisenova, Favorského a Arbuzova, baňky s kulatým dnem nebo s ostrým dnem na přízemních úsecích s destilační tryskou nebo Claisenova lednice.

Tvar a kapacita destilační baňky jsou určeny limity objemu a teploty varu destilované kapaliny. Objem posledně jmenovaného by neměl přesáhnout 1/2 objemu baňky. Vysokovroucí kapaliny by měly být destilovány z baněk s nízkou pájkou a širokou boční výstupní trubicí.

Aby se zabránilo „výbušnému“ varu, je do centrálního hrdla Claisenovy baňky nebo Claisenovy destilační trysky vložena tenká skleněná kapilára, dosahující téměř ke dnu baňky. Vhodnost kapiláry se posuzuje profukováním vzduchu přes ni do zkumavky obsahující diethylether. Dobrá kapilára i při mírném přetlaku propouští jen malé jednotlivé bublinky, které tvoří v kapalině tenký řetízek. Po připojení zařízení k vývěvě musí kapalinou procházet velmi malé plynové (vzduchové) bublinky zajišťující promíchání destilované kapaliny a rovnoměrný var.

Do bočního hrdla destilační baňky nebo trysky je umístěn teploměr.

Při použití Claisenovy baňky bez spojů se kapilára a teploměr zasunou skrz kusy pryžové vakuové trubice, čímž je zajištěna správná těsnost.

Při destilaci pěnivých kapalin ve vakuu vznikají značné potíže. Aby se zabránilo přenosu kapaliny, doporučuje se naplnit boční hrdlo baňky nebo trysky kousky skleněných zkumavek, skleněné vaty nebo místo teploměru vložit druhou skleněnou kapiláru. Pěnivé kapaliny se destilují, když je destilační baňka jen mírně naplněna. Pěnění je často způsobeno nečistotami obsaženými v destilované kapalině; Při opakované destilaci se pěna zpravidla netvoří.

Destilační baňka se obvykle zahřívá v silikonové lázni pro kapaliny vroucí pod 200 °C, nebo kovové lázni pro kapaliny s vysokou teplotou varu. Teplota lázně je řízena teploměrem. Destilát se ochladí stejným způsobem jako při destilaci za atmosférického tlaku.

K samostatnému sběru několika destilačních frakcí bez vypnutí vakua se používají různá zařízení. Nejjednodušší z nich je „pavoučí“ longe. „Pavoučí“ větve jsou napojeny na přijímače, jejichž objem je úměrný očekávanému objemu frakce. Jako přijímače se používají baňky nebo zkumavky s kulatým nebo špičatým dnem s leštěnými částmi; Sekce jsou mazány čistým ricinovým olejem nebo glycerinem. Mazivo zajišťuje dobrý skluz a zabraňuje zadření spojů.

Zařízení, které umožňuje během destilace měnit libovolný počet přijímačů, je znázorněno na Obr. 162. Použití takového jímače pro jímání nízkovroucích kapalin vylučuje možnost kontaktu par destilátových frakcí umístěných v samostatných jímacích nádobách a tím zabraňuje vzájemné kontaminaci frakcí.

Použití vodního čerpadla k vytvoření vakua nevyžaduje další zařízení pro absorpci par destilované kapaliny; stačí chránit lůžko a destilační baňku před vniknutím vody, k tomu je mezi čerpadlo a destilační zařízení umístěna bezpečnostní láhev. V případě použití olejové vývěvy musí být mezi destilační aparaturou a vývěvou absorpční nebo mrazicí systém.

Vakuová destilace je výbušná. Malé skleněné úlomky vzniklé při výbuchu evakuované nádoby představují velké nebezpečí zejména pro oči. Proto je při práci ve vakuu nutné nosit ochranné brýle nebo používat ochrannou masku.

Před zahájením vakuové destilace je třeba zkontrolovat těsnost systému při minimálním tlaku bez použití tepla.

Nevytvářejte vakuum v destilační baňce naplněné horkou kapalinou. Po oddestilování rozpouštědla při atmosférickém tlaku nejprve ochlaďte obsah baňky a poté zapněte vývěvu.

Skleněné nádoby, jako jsou vakuové exsikátory, ve kterých se vytváří snížený tlak, by měly být zakryty víkem nebo zabaleny do lehké odolné látky, aby se zabránilo odletujícím úlomkům (pokud nádoba exploduje). Nedoporučuje se přemisťovat evakuované nádoby z místa na místo.

Na konci vakuové destilace ropných produktů by se mělo zapnout čerpadlo a systém by měl být připojen ke vzduchu, pokud je teplota ropného produktu alespoň 50 °C pod jeho teplotou samovznícení.

Parní destilace se používá k izolaci, čištění a separaci látek, které jsou mírně rozpustné ve vodě a mají dostatečný tlak par při bodu varu vody. Jsou-li látky ve vodě nerozpustné, je tlak par směsi roven součtu parciálních tenzí par každé ze složek. V důsledku toho je bod varu látky při destilaci s vodou vždy nižší než bod varu vody při daném tlaku. Parní destilace proto umožňuje oddestilovat látky, které se při klasické destilaci do té či oné míry rozloží.

Pokud jsou látky rozpustné ve vodě, snižuje se v přítomnosti vody tlak jejich par. Například kyselina máselná, která je hůře rozpustná ve vodě než kyselina mravenčí, se destiluje vodní párou lépe než kyselina mravenčí, přestože bod varu kyseliny mravenčí je 101 °C a kyseliny máselné 162 °C .

Parní destilaci lze provádět buď za atmosférického tlaku, nebo ve vakuu. Přiváděná vodní pára musí být nasycená nebo přehřátá. Přehřátá vodní pára umožňuje oddestilovat látky s poměrně nízkým tlakem par. K přehřátí vodní páry se používají přehříváky páry. Jsou to obvykle kovová nebo skleněná spirála vyhřívaná plynovými hořáky nebo topnými lázněmi, ve kterých se nasycená vodní pára přeměňuje na přehřátou vodu.

Parní destilace se provádí pomocí zařízení znázorněného na obr. 163. Baňka je umístěna šikmo tak, aby stříkance létající vzhůru nespadaly do trubice pro výstup páry.

Pára vycházející z pařáku je velmi mokrá a destilační baňka se může rychle naplnit vodou, proto je mezi pařák a destilační baňku instalován odlučovač vody.

Pro destilaci vodní párou ve vakuu se jako parogenerátor používá destilační baňka, která je připojena k vakuovému potrubí. Tenká kapilára umístěná v baňce umožňuje regulovat proudění vodní páry.

Při parní destilaci by měla být destilační baňka zahřátá a hrdlo baňky by mělo být izolováno azbestovou šňůrou. Pokud začnou z chladničky unikat nezkondenzované páry destilátu, musíte snížit přívod páry nebo zvýšit přívod chladicí vody do chladničky.

Při destilaci pevné látky často v lednici tuhnou. Je vhodné roztavit krystaly během destilačního procesu a dočasně zastavit přívod chladicí vody do chladničky. Pokud je bod tání pevné látky vyšší než teplota páry, tak se na konci destilace tato látka vytlačí z lednice dlouhou skleněnou tyčinkou nebo se extrahuje vhodným rozpouštědlem, ze kterého dobře krystalizuje.

Parní destilace někdy produkuje stabilní emulze. V tomto případě může být destilovaný produkt izolován separací nebo extrakcí organickým rozpouštědlem.

Konec destilace látek nerozpustných ve vodě se posuzuje destilací čisté vody, která neobsahuje olejové nečistoty. Při destilaci látek rozpustných ve vodě se postup destilace posuzuje podle fyzikálních, chemických nebo jiných vlastností destilátu.

O.S.GABRIELYAN,
I.G. OSTROUMOV,
A.K.AKHLEBININ

ZAČNĚTE V CHEMII

7. třída

Pokračování. Pro začátek viz č. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/2006

Kapitola 3.
Jevy vyskytující se u látek

(konec)

§ 17. Destilace nebo destilace

Získání destilované vody

Voda z kohoutku je čistá, průhledná, bez zápachu... Je ale tato látka z pohledu chemika čistá? Podívejte se do konvice: vodní kámen a nahnědlé usazeniny, které se objevují na spirále a stěnách konvice v důsledku opakovaného vaření vody v konvici, jsou snadno rozpoznatelné.
(obr. 71). Co vodní kámen na kohoutcích? Přírodní i vodovodní voda jsou homogenní směsi, roztoky pevných a plynných látek. Jejich obsah ve vodě je samozřejmě velmi malý, ale tyto nečistoty mohou vést nejen k tvorbě vodního kamene, ale také k většímu vážné následky. Ne náhodou se injekční léky připravují pouze za použití speciálně čištěné vody, tzv destilovaná.

Odkud se toto jméno vzalo? Voda a další kapaliny se čistí od nečistot procesem tzv destilace, nebo destilace. Podstata destilace spočívá v tom, že se směs zahřeje k varu, vzniklé páry čisté látky se odstraní, ochladí a znovu se přemění na kapalinu, která již neobsahuje nečistoty.

Na stole učitele je smontováno laboratorní zařízení pro destilaci kapalin (obr. 72).

Učitel nalije do destilační baňky vodu zbarvenou do oranžova s ​​rozpustnou anorganickou solí (dichromanem draselným). Na vlastní oči tedy uvidíte, že tato látka v čištěné vodě nebude. Pro zajištění rovnoměrného varu se do baňky vhodí 3-4 kusy porézního porcelánu nebo pemzy (varné kameny).
Voda se přivádí do pláště chladničky a destilační baňka se zahřívá, dokud se obsah nevyvaří pomocí elektrického ohřívače. Vodní pára vstupující do chladničky kondenzuje a destilovaná voda proudí do přijímače.
Jakou teplotu ukazuje teploměr? Jakým výstupem myslíte, že je studená voda přiváděna do chladničky a kterým je odváděna?

Destilovaná voda se používá nejen k přípravě léků, ale také k získávání roztoků používaných v chemických laboratořích. Dokonce i motoristé používají destilovanou vodu a přidávají ji do baterií, aby udrželi hladinu elektrolytu.

A pokud je nutné získat pevnou látku z homogenního roztoku, pak použijte vypařování nebo krystalizace

Krystalizace

Jedním ze způsobů izolace a čištění pevných látek je krystalizace. Je známo, že při zahřívání se rozpustnost látky ve vodě zvyšuje. To znamená, že při ochlazení roztoku se určité množství látky vysráží ve formě krystalů. Pojďme si to ověřit experimentálně.

Demonstrační experiment. Pamatujete si na krásné oranžové krystaly dichromanu draselného, ​​kterými učitel „barvil“ vodu pro destilaci? Vezmeme asi 30 g této soli a „kontaminujeme“ ji několika krystaly manganistanu draselného. Jak vyčistit hlavní látku od vnesené nečistoty? Směs se rozpustí v 50 ml vroucí vody. Po ochlazení roztoku se rozpustnost dichromanu prudce sníží a látka se uvolní ve formě krystalů, které lze oddělit filtrací a poté promyt na filtru několika mililitry ledové vody. Pokud rozpustíte čištěnou látku ve vodě, pak podle barvy roztoku můžete určit, že neobsahuje manganistan draselný. Manganistan draselný zůstal v původním roztoku.

Krystalizaci pevné látky z roztoku lze dosáhnout odpařením rozpouštědla. K tomu jsou určeny odpařovací kelímky, se kterými jste se setkali při poznávání chemického skla.

Pokud k odpařování kapaliny z roztoku dochází přirozeně, pak se pro tento účel používají speciální silnostěnné skleněné nádoby, které se nazývají krystalizátory. Také jste je potkali praktická práce № 1.

V přírodě jsou solná jezera unikátními bazény pro krystalizaci. Vlivem odpařování vody na březích takových jezer krystalizuje gigantické množství soli, která po vyčištění končí na našem stole.

Destilace oleje

Destilace se používá nejen k čištění látek od nečistot, ale také k oddělení směsí na samostatné části - frakce, které se liší bodem varu. Například olej je přírodní směs velmi složitého složení. Při frakční destilaci ropy se získávají kapalné ropné produkty: benzín, petrolej, motorová nafta, topný olej a další. Tento proces se provádí ve speciálních zařízeních - destilačních kolonách (obr. 73). Pokud má vaše město ropnou rafinerii, možná jste je viděli chemický přístroj, které průběžně rozdělují ropu na důležitou a v životě potřebnou moderní společnost výrobků (obr. 74).

Benzín je hlavním palivem pro osobní vozy. Traktory a nákladní automobily používají jiný ropný produkt jako takový - nafta(nafta). Palivem pro moderní letadla je především petrolej. S tímto malým příkladem můžete pochopit, jak důležitý je proces, jako je destilace ropy, v moderním životě.

Rýže. 74. Ropa a ropné produkty

Frakční destilace kapalného vzduchu

Už víte, že jakékoli plyny se mísí v jakémkoli poměru. Je možné izolovat jednotlivé složky ze směsi plynů? Úkol to není snadný. Chemici ale navrhli velmi účinné řešení. Směs plynů může být převedena na kapalný roztok a podrobena destilaci. Například vzduch se silným ochlazením a stlačením zkapalní a pak se jednotlivé složky (frakce) nechají jednu po druhé vyvařit, protože mají různé teploty varu. Z kapalného vzduchu se jako první odpařuje dusík (obr. 75), má nejnižší bod varu (–196 °C). Z kapalné směsi kyslíku a argonu lze následně odstranit argon (–186 °C). Zůstává téměř čistý kyslík, který je docela vhodný pro technické účely: svařování plynem, chemická výroba. Ale pro lékařské účely je třeba ji dále čistit.

Takto získaný dusík se používá k výrobě čpavku, který se zase používá k výrobě dusíkatých hnojiv, léčiv a výbušnin, kyseliny dusičné atd.

Ušlechtilý plyn argon se používá při speciálním druhu svařování, kterému se říká argon.

1. Co je to destilace nebo destilace? Na čem je založena?

2. Jaký druh vody se nazývá destilovaná? Jak to získáte? Kde se používá?

3. Jaké ropné produkty se získávají při destilaci ropy? Kde se používají?

4. Jak rozdělit vzduch na samostatné plyny?

5. Jak se liší odpařování (krystalizace) od destilace (destilace)? Na čem jsou založeny oba způsoby dělení kapalných směsí?

6. Jaký je rozdíl mezi procesy odpařování a krystalizace? Na čem jsou založeny obě metody izolace pevné látky z roztoku?

7. Uveďte příklady z Každodenní život, při kterém se využívá odpařování a destilace.

8. Jakou hmotnost soli lze získat odpařením 250 g 5% roztoku? Jaký objem vody lze z tohoto roztoku získat destilací?

PRAKTICKÁ PRÁCE Č. 4.
Rostoucí krystaly soli
(domácí experiment)

Než začneš dokončit práci, pozorně si přečtěte jeho popis až do konce.

Nejprve vyberte vhodnou sůl pro experiment. Pro pěstování krystalů je vhodná jakákoli sůl, která je vysoce rozpustná ve vodě (síran měďnatý nebo železitý, kamenec atd.). Poslouží i kuchyňská sůl – chlorid sodný.

Vybavení, které budete potřebovat:

Litrovou sklenici nebo malý rendlík, ve kterém budete připravovat solný roztok;

Dřevěná lžíce nebo míchací tyčinka;

Nálevka s vatou pro filtraci roztoku;

Termoska se širokým hrdlem o objemu 1 litr (je potřeba, aby se roztok pomalu ochlazoval, pak vyrostou velké krystaly).

Pokud nemáte trychtýř nebo správnou termosku, můžete si je vyrobit sami.

Chcete-li vytvořit trychtýř, vezměte plastovou láhev na pití a opatrně odřízněte hrdlo nůžkami, jak je znázorněno na obr. 76.

Místo termosky postačí obyčejná skleněná litrová zavařovací sklenice. Umístěte jej do lepenkové nebo pěnové krabice. Není třeba brát velkou krabici, hlavní věc je, že se úplně vejde do sklenice. Mezery mezi krabicí a sklenicí pevně utěsněte kousky hadru nebo vaty. K těsnému uzavření sklenice budete potřebovat plastové víko.

Připravte horký nasycený solný roztok. Chcete-li to provést, naplňte nádobu do poloviny horkou vodou (nemusíte používat vařící vodu, abyste se nespálili). Po částech osolíme a mícháme. Když se sůl přestane rozpouštět, nechte roztok jednu až dvě minuty působit, aby se nerozpuštěné krystaly měly čas usadit. Horký roztok přefiltrujte přes nálevku naplněnou vatou do čisté termosky. Termosku uzavřete víčkem a roztok nechte dvě až tři hodiny pomalu chladnout.

Roztok se trochu ochladil. Nyní do něj vložte semínko - krystal soli zavěšený na niti. Po zavedení semene přikryjte nádobu víkem a nechte dlouho působit. Bude trvat několik dní nebo dokonce týdnů, než velký krystal vyroste.

Na niti obvykle roste několik krystalů. Je nutné pravidelně odstraňovat přebytečné, aby vyrostl jeden velký krystal.

Důležité je zaznamenat podmínky experimentu a jeho výsledek, v našem případě se jedná o charakteristiky výsledného krystalu. Pokud se získá několik krystalů, je uveden popis největšího.

Prohlédněte si výsledný krystal a odpovězte na otázky.

Kolik dní jsi krystal pěstoval?

jaký má tvar?

Jakou barvu má krystal?

Je to průhledné nebo ne?

Rozměry krystalu: výška, šířka, tloušťka.

Krystalová hmota.

Výsledný krystal načrtněte nebo vyfotografujte.

PRAKTICKÁ PRÁCE Č. 5.
Čisticí kuchyňská sůl

Účelem této práce je úklid stolní sůl znečištěné říčním pískem.

Kontaminovaná kuchyňská sůl, kterou vám nabízíme, je heterogenní směs krystalů chloridu sodného a písku. K jeho oddělení je potřeba využít rozdílu vlastností složek směsi, například rozdílné rozpustnosti ve vodě. Jak víte, stolní sůl se dobře rozpouští ve vodě, zatímco písek je v ní prakticky nerozpustný.

Kontaminovanou sůl dodanou učitelem dejte do kádinky a přidejte 50–70 ml destilované vody. Obsah míchejte skleněnou tyčinkou, dokud se sůl zcela nerozpustí ve vodě.

Solný roztok lze od písku oddělit filtrací. Chcete-li to provést, sestavte instalaci, jak je znázorněno na obr. 77. Pomocí skleněné tyčinky opatrně nalijte obsah sklenice na filtr. Průhledný filtrát vyteče do čisté sklenice, zatímco nerozpustné složky původní směsi zůstanou na filtru.

Kapalina ve sklenici je vodný roztok kuchyňské soli. Čistá sůl se z něj dá izolovat odpařením. K tomu nalijte 5–7 ml filtrátu do porcelánového hrnku, kelímek vložte do stativového kroužku a opatrně jej zahřívejte nad plamenem lihové lampy za stálého míchání skleněnou tyčinkou.

Porovnejte krystaly soli získané po odpaření roztoku s původní kontaminovanou solí. Uveďte techniky a operace, které jste použili k čištění kontaminované soli.

Skutečně rozsáhlé uplatnění v technologii našel až ve 20. století, jeho kořeny však sahají až do 18. století. Století, kdy vědecká komunita neměla ani tušení o samotné existenci kyslíku a dusíku, o argonu ani nemluvě. Vzduch byl považován za samostatný prvek, který nebylo možné rozdělit na složky. Charakter hoření určitých látek podle tehdejších převládajících představ určoval obsah hořlavé složky v nich – flogistonu. Čím více flogistonu je v materiálu, tím je hořlavější a tím více tepla při uvolnění generuje.

Základy pro adekvátnější popis reality položili švédský chemik Karl Scheele a jeho anglický kolega Joseph Priestley, kteří oddělením určitých komplexních sloučenin zahřátím získali „hořlavý vzduch“, ve kterém plamen svíčky hořel mnohem jasněji než obvykle. Scheele šel ještě dál: ukázal, že při hoření látek v izolované nádobě se množství vzduchu sníží asi o dvacet procent, zatímco ve zbývajícím vzduchu je spalování nemožné. Avšak lpění na flogistonové teorii přimělo tyto vynikající vědce k tomu či onomu vysvětlení zjevných skutečností v rámci zavedeného dogmatu. První, který po provedení série experimentů navrhl novou teorii spalování, uvádějící, že vzduch se skládá ze dvou částí – hořlavé (kyslík) a inertní (dusík), – a látka se při spalování spojuje s kyslíkem a váže jej. , byl Lavoisier. Přesným vážením zjistil, že hmotnost spalin je vždy větší než hmotnost původní látky. Zároveň se nezměnila hmotnost uzavřené baňky, ve které pálil určitá činidla. V kombinaci se skutečností, že Scheele zjistil, že množství vzduchu během procesu spalování klesá, Lavoisier dospěl k závěru, že reaktivní část vzduchu se váže s původní látkou a tvoří produkty spalování. Tak byl objeven kyslík a dusík.

Mezitím uplynulo mnoho let, než mohly být tyto plyny použity v průmyslovém měřítku. Během prvních dvou třetin 19. století se kyslík získával ve velmi malých množstvích laboratorními metodami, takže se o nějakém jeho širokém využití nemluvilo. Zdálo by se to jako paradox: atmosféra je celý oceán kyslíku a dusíku, zbývá jen najít způsob, jak tyto dva plyny oddělit, a problém jejich získání je vyřešen. Přitom nejpřirozenější způsob dělení vzduchu na kyslík a dusík – kvůli rozdílu teplot varu – zůstával po dlouhou dobu nedostupný. V první řadě kvůli nutnosti hlubokého chlazení vzduchem. Obecně byly dusík a kyslík kdysi považovány za „trvalé“ plyny, tedy plyny, které nelze zkapalnit. I když to samozřejmě odráželo pouze nedostatek potřebných metod a technologií, a nikoli nějakou zásadní vlastnost těchto plynů.

Jednou z hlavních překážek průmyslové výroby atmosférických plynů v jejich čisté formě byla tedy nedokonalost technologie chlazení. Polští fyzici Olszewski a Wroblewski (Univerzita v Krakově) byli jedni z prvních, kteří se pokusili překonat tuto bariéru, paralelně s Jamesem Dewarem (Velká Británie), který ke zkapalnění kyslíku a dusíku použil princip kaskádového chlazení. Později pomocí stejného schématu Kammerlingh Onnes (Nizozemsko) získal kapalný vzduch. Podstatou metody je důsledné snižování teploty pomocí několika kompresních chladniček s různými pracovními látkami.

Princip fungování kaskádového procesu lze vysledovat pomocí Obr. 1.

Nejprve se plyn zvolený jako chladivo zkapalní při pokojové teplotě vysokou kompresí pomocí kompresoru. Teplo uvolněné při kompresi je odváděno systémem vodního chlazení. Zkapalněný plyn se přivádí do výparníku pod nižším tlakem, kde se vaří, odebírá teplo, a poté vstupuje do kompresoru, kde je opět zkapalněn. V tomto případě je výparník prvního stupně současně chladicí lázní pro zkapalněné chladivo druhého stupně. Přirozeně je pro každý stupeň zvoleno chladivo, jehož bod varu odpovídá požadovaným úrovním chlazení.

Rýže. 1. Parní kompresní chladnička: 1 – kompresor; 2 – voda; 3 – nádrž chladicího systému; 4 – plyn; 5 – kapalina; 6 – výparník (kryostat)

Kaskádový proces sehrál důležitou roli v historii výroby technických plynů, prokázal zásadní zkapalnitelnost vzduchu. Později však ustoupila pokročilejším technologickým schématům.

Lindeova metoda, navržená tímto německým fyzikem v roce 1895, je založena na Joule-Thompsonově jevu, který spočívá ve změně teploty plynu, když expanduje prostřednictvím nějakého druhu hydrodynamického odporu (škrcení). Faktem je, že vnitřní energie skutečných plynů se skládá z potenciální energie přitažlivosti mezi částicemi a kinetické energie jejich chaotického pohybu. Když plyn expanduje bez výměny energie s vnější prostředí jeho potenciální energie interakce mezi molekulami se zvyšuje se zvětšující se vzdáleností mezi nimi. Nárůst potenciální energie v důsledku „odtrhávání“ molekul na větší vzdálenost od sebe je kompenzován poklesem jejich kinetické energie (energie tepelného pohybu) a následně i teploty. Je pravda, že podobný účinek je pozorován pouze do určitého teplotního prahu, nad nímž se mění znaménko: nyní se plyn zahřívá, když se rozpíná. V tomto případě potenciální energie sama jednoduše změní znaménko. Jestliže dříve (do určité teploty) bylo určováno přitažlivými silami, nyní převládají síly odpudivé. A expanze (naopak) dává extra vzpruha tepelný pohyb molekul. Podobný „obrácený“ Joule-Thompsonův efekt za normálních teplot je charakteristický pro vodík.

Vzduch se však ochlazuje škrcení v poměrně velkém teplotním rozsahu, což umožnilo využít tuto vlastnost v Lindeově cyklu. V něm je vzduch stlačován kompresorem na tlak 200 atmosfér, kompresní teplo se uvolňuje ve výměníku tepla a proudí přes škrticí klapku, přičemž expanduje a ochlazuje. Ochlazený vzduch proudí stejným výměníkem tepla, ale na druhé straně, odebírá teplo z nové části stlačeného plynu, načež sám vstupuje do komprese. Tím, že takto poměrně dlouho cirkuluje, se vzduch ochladí na takovou teplotu, že při škrcení část začne zkapalňovat. Lindeova zásluha však nespočívala jen v tom, že dokázal postavit zkapalňování vzduchu na průmyslovou základnu, ale především v tom, že oddělil zkapalněný vzduch a získal tak vysoce čistý dusík a kyslík.

Využil k tomu dvojitou rektifikaci vzniklého kapalného vzduchu, neboť prostou destilací nevznikly produkty požadované čistoty. Navzdory tomu, že bod varu kyslíku (-183 °C) je o třináct stupňů vyšší než bod varu dusíku (-196 °C), nebylo možné tyto plyny zcela oddělit pouhým odpařením dusíku.

Samotná myšlenka destilační kolony je protipohyb kapaliny obohacené nízkovroucí složkou (v našem případě dusíkem) směrem k páře plynné směsi obohacené vysokovroucí složkou (kyslíkem). Kapalina je přiváděna z horní části kolony, směs plynů se odpařuje z jejího dna.

Pro zvětšení kontaktní plochy fází se používají tzv. destilační desky. Při kontaktu s nimi plyn částečně kondenzuje a kapalina se částečně odpařuje. V tomto případě přechází převážně vysokovroucí část plynu do kapalného stavu a nízkovroucí část kapaliny se odpařuje. V důsledku takové výměny je vzestupný proud plynné směsi obohacen o nízkovroucí složku a sestupný proud kapaliny je obohacen o vysokovroucí složku. V konvenčních destilačních kolonách se pro vytvoření zpětného toku kapaliny část nízkovroucí složky získané na výstupu z kolony kondenzuje a posílá zpět.

Problém je v tom, že kapalný vzduch nelze oddělit „najednou“. Pomocí i těch nejúčinnějších destilačních kolon můžeme na výstupu získat docela čistý dusík, ale na dně kolony zůstane směs dusíku a kyslíku, i když oproti původnímu složení vzduchu obohacená o kyslík.

Proto Linde navrhl schéma dvojité destilace. Stručně si popišme procesy v nich probíhající (obr. 2).

• 1) Do první (spodní) destilační kolony je přiváděn zkapalněný vzduch, který se během destilačního procesu rozdělí na téměř čistý dusík a směs dusíku a kyslíku.
• 2) Dusík kondenzuje v horní části první kolony, odkud je odebírán, a poté je posílán v kapalné formě do horní části druhé (horní) kolony a vytváří proud kapaliny stékající dolů.
• 3) Směs dusíku a kyslíku se přivádí do střední části druhé kolony. Vzhledem k tomu, že proces je kontinuální, už na ni čeká jednak proud plynů z výparníku, obohacený kyslíkem, a jednak shora dolů stékající kapalina obohacená dusíkem.
• 4) Jakmile se dostane do takové „křížové palby“, směs dusíku a kyslíku se začne oddělovat v souladu s dříve popsanými principy. Čistý dusík nakonec stoupá s plyny a čistý kyslík se shromažďuje na dně.

Elegance navrženého schématu spočívá mimo jiné v tom, že výparník druhé kolony je zároveň kondenzátorem pro první. To umožňuje výrazně snížit spotřebu energie. Mezitím nutné teplotní režim je zajištěna tlakovým rozdílem ve dvou kolonách a je udržována automaticky.

Souběžně s Lindem pracoval francouzský vědec Claude na separaci vzduchu. Zároveň pro předběžné zkapalnění nepoužíval škrcení, ale expandéry - stroje, ve kterých plyn, expandující, pracoval a chladil. Tato technologie se ukázala být méně účinná než technologie navržená společností Linde, a to především kvůli potížím s provozem mechanických částí při nízkých teplotách. Mezitím byl počátkem třicátých let obecně vyvinut turboexpandér, ve kterém vzduch (nebo jakýkoli jiný plyn), expandující, roztáčí lopatky turbíny, čímž dochází k jeho ochlazování a následnému zkapalňování. Taková zařízení se dokonce začala částečně používat v průmyslová produkce, ale měl poměrně nízkou účinnost. O průlom v použití turboexpandérů se postaral P. L. Kapitsa, který navrhl zdánlivě samozřejmou myšlenku, která však dříve nikoho nenapadla. Dříve se ke zkapalňování plynů používala turbína podobná charakteristikám parní turbíny. Kapitsa upozornil na skutečnost, že studený stlačený vzduch v něm pracující má vlastnosti bližší kapalině než páře. To ho přimělo vzít vodní turbínu jako prototyp nového turboexpandéru: „... správně zvolený typ turboexpandéru bude kompromisem mezi vodní a parní turbínou"- Kapitsa věřil. To skutečně prudce zvýšilo účinnost zkapalňování plynu, takže nyní je to turboexpandér vyvinutý Kapitsou, který je základem pro výrobu kapalného vzduchu. Jeho následná separace probíhá podle schématu navrženého Lindem."

Rýže. 2. Dvojitá rektifikační aparatura: 1, 2 – kolonová rektifikace; 3 – kondenzátor-výparník

Vzduch však obsahuje více než jen dusík a kyslík. Obsahuje malé množství inertních plynů, jako je argon, neon, krypton a xenon. Neon jako nízkovroucí složka se shromažďuje pod víkem druhé destilační kolony spolu s heliem. Směs neonu a helia se čistí od dusíku v protiproudém zpětném chladiči. A samotný neon se z něj extrahuje adsorpční metodou. Krypton a xenon jako vysokovroucí složky jdou dolů kolonou spolu s kyslíkem. Směs kyslík-krypton-xenon se v přídavné koloně rozdělí na čistý kyslík a tzv. „primární koncentrát“, kde je obsah inertních plynů vyšší než v původní směsi. A krypton a xenon jsou odděleny od primárního koncentrátu adsorpcí.

S argonem je to složitější. Jeho bod varu je nižší než u kyslíku, ale vyšší než u dusíku. Část tedy vychází s kyslíkem a druhá část s dusíkem. Aby k takovému vývoji událostí nedocházelo, je určitá část směsi, která se tam nachází, odebírána ze střední části kolony, vedena do další separační kolony, odkud se směs kyslíku a dusíku zbavená argonu vrací zpět. argonový koncentrát se dodává k dalšímu čištění.

Všimněte si, že dnes kromě kryogenních existují i ​​jiné způsoby separace plynů.

Například adsorpční metoda se vyznačuje nízkou cenou a snadnou kontrolou produkční proces a poměrně vysoký stupeň čistoty výsledných plynů. Tato metoda je založena na schopnosti některých látek specificky (převážně) absorbovat určité plyny. Při výrobě dusíku je vzduch pod tlakem přiváděn do adsorbéru obsahujícího uhlíková molekulová síta (obr. 3). V důsledku toho je kyslík absorbován adsorbentem a výstupem je dusík. Zároveň je omezen objem kyslíku, který adsorbent dokáže absorbovat, proto je nutné neustále regenerovat molekulární síta. Toho se obvykle dosáhne uvolněním tlaku: kyslík se odpaří z povrchu adsorbentu a ten je připraven oddělit novou dávku vzduchu.

K získání kyslíku využijte toho, že dusík se na hlinitokřemičitanových sítech adsorbuje rychleji než kyslík. Proto průchodem vzduchu adsorbérem s hlinitokřemičitanovou náplní je na výstupu kyslík o čistotě až 95 %.

Rýže. 3. Adsorpční separace plynů:
a) schéma získávání dusíku ze vzduchu adsorpční metodou;
b) instalace pro separaci adsorpčních plynů

Membránová metoda separace vzduchu je další metodou získávání plynů z atmosféry. Vychází z toho, že složky vzduchu procházejí membránami propustnými pro plyn, obvykle polymerem, různými rychlostmi (obr. 4). V tomto případě je vzduch přiváděn pod tlakem do membránového modulu sestávajícího z mnoha dutých polymerních vláken s nanesenou vrstvou separace plynu. Molekuly kyslíku a argonu jsou „vytlačeny“ membránou a ve vláknech zůstává směs plynů obohacená dusíkem. Sekvenční filtrování vzduchu přes několik membránových modulů umožňuje získat poměrně čistý dusík (až 99,9 %).

Rýže. 4. Membránová separace plynu:
a) membrány – dutá polymerová vlákna;
b) instalace pro membránovou separaci

Membránové i adsorpční metody vzduchové separace sice umožňují získat relativně čistý dusík, ale nemohou se pochlubit uvolňováním kyslíku v čistotě potřebné pro technické účely, nemluvě o argonu a dalších plynech. Hlavní metodou separace plynů proto dnes zůstává kryogenní rektifikační metoda, která umožňuje získat finální produkty prakticky bez nečistot.

Pojem frakční destilace by měl být chápán jako postupné opakované opakování procesu odpařování a kondenzace.

Rektifikace je nepřetržité opakované opakování procesu vypařování a kondenzace.

Frakční destilace se používá k oddělení homogenní směsi kapalin vroucích při různé teploty a nevytvářet mezi sebou neustále vroucí směsi. Základem každé frakční destilace je zákon fázové rovnováhy v systému kapalina-pára, který objevil D. P. Konovalov: „pára je obohacena o tu složku, jejíž přidání do kapaliny snižuje její bod varu? (tedy snadněji vroucí) a slouží k dokonalejší separaci směsi, zejména při malém rozdílu bodů varu jejích složek.

Díky velké kontaktní ploše mezi párou a kapalinou v koloně je usnadněn přenos tepla a zlepšena separace fází (pára a kapalina). Díky tomu je kapalná fáze vracející se do destilační baňky obohacena o méně těkavou složku a plynná fáze vstupující nahoru je obohacena o těkavější složku.

Z diagramu fázové rovnováhy je zřejmé, že parní fáze při jakémkoliv bodu varu obsahuje větší množství nízkovroucí složky než fáze kapalná; v tomto případě každý bod varu odpovídá přesně definovaným složením kapaliny a páry.

Pára generovaná z vroucí binární směsi tedy vždy obsahuje obě složky, ale je obohacena o tu těkavější z nich (složení M1). Když taková pára úplně zkondenzuje, získá se kapalina se stejným složením jako pára. Při sekundární destilaci této kapaliny vzniká pára (složení M2), ještě více obohacená o nízkovroucí složku. V důsledku opakovaného opakování podmínek fázové rovnováhy (destilace) pro každou první frakci je možné nakonec získat v první frakci z poslední destilace nízkovroucí složku směsi, která neobsahuje další složku. V souladu s tím bude poslední frakce sestávat z čisté vysokovroucí složky původní směsi. To je v podstatě princip frakční destilační separace.

Používají se jako jednoduché destilační kolony v laboratoři. různé typy zpětné kondenzátory (obr. 46), čím vyšší je jejich účinnost, tím větší je jejich povrch.

Účinek zpětných chladičů spočívá v tom, že když pára vroucího roztoku není zcela ochlazena, dochází k částečné kondenzaci páry kapaliny s vyšší teplotou varu. Výsledný meziproduktový kondenzát se nazývá reflux.

Reflux proudí zpět do reakční baňky a pára je obohacena o složku s nižším bodem varu a vstupuje do chladničky, kde dochází k úplné kondenzaci.

Deflegmátory podporují uvolňování části kondenzátu s úzkým rozmezím bodu varu asi 1-2oC.

V případě frakční destilace se směs disperguje v aparatuře (obr. 47), skládající se z destilační baňky se zpětným chladičem, teploměru, lednice, allonge a jímky.

Po sestavení a instalaci zařízení se naloží pracovní směs.

Rýže. 47.

Destilát by měl vstupovat do přijímače rychlostí 30-40 kapek za minutu. Když je dosaženo horní hranice teplotního rozsahu první frakce, přijímač se vymění. Bez zastavení ohřevu pokračují ve sběru další frakce do druhého přijímače. Poté se přijímač změní na třetí. Destilace se zastaví, když v destilační baňce zůstanou 2-3 ml kapaliny.

Pro lepší oddělení směsi látek se provádí sekundární destilace. První frakce se umístí do destilační baňky a destiluje se ve stejných teplotních mezích. Když teplota výfukových par dosáhne horní hranice prvního teplotního intervalu, destilace se zastaví a zařízení se ochladí. Střední frakce z první destilace se přidá do destilační baňky a destilace se znovu spustí, jak je popsáno výše. Na konci destilace střední frakce se ke zbytku přidá třetí frakce a pokračuje se v destilaci, přičemž se frakce shromažďují ve 2. a 3. jímce. Když se destilace mnohokrát opakuje, průměrná frakce se výrazně sníží a rozdělí se na první a třetí frakci. V tomto případě se teplotní rozsahy extrémních frakcí zužují. Tímto způsobem je možné poměrně dobře oddělit směs složek, které mají velmi blízké rozmezí teplot varu.

Azeotropní směs je směs dvou nebo více kapalin, jejichž složení se varem nemění, to znamená směs se stejným složením rovnovážné kapalné a parní fáze.

Například azeotrop vody a ethylalkoholu obsahuje 95,57 % C2H5OH a vře při 78,15 °C. To vysvětluje přijatou průmyslovou koncentraci ethylalkoholu 96 %: jedná se o azeotropní směs a nelze ji rozdělit na frakce další destilací. Teplota varu azeotropní směsi může být buď nižší (pozitivní azeotropy) nebo vyšší (negativní azeotropy) než teplota varu nízkovroucí složky.

Při změně tlaku se mění nejen bod varu, ale i složení azeotropní směsi, čímž se liší od čistých kapalin.

K separaci azeotropních směsí se používají různé technologie:

Odstranění jedné ze složek v důsledku adsorpce na pevný porézní materiál.

Separace na porézních membránách

Pervaporace na neporézních membránách

Destilace při jiném než atmosférickém tlaku, zejména ve vakuu, viz výše.

Destilace s další složkou, vytvoření trojitého (nebo více) azeotropu

Fázový diagram dvousložkového pozitivního azeotropu.

destilační tlakové mletí

Slovo azeotrop pochází z řeckých slov jEein (vroucí) a fsrpt (stav) v kombinaci s předponou b- (ne), což dává obecný význam „beze změny při varu“.

Azeotropní destilace

Mnoho látek, braných v určitém poměru, tvoří mezi sebou azeotropní směsi. Mezi známé azeotropní směsi patří například 96% ethylalkohol (aq.) - bp. 78,15 °C - minimální bod varu; koncentrovaná kyselina bromovodíková, která má konstantní bod varu 126 °C – maximální bod varu v porovnání s oběma složkami směsi (bromovodík a voda).

Při zahřívání směsi dvou látek, které tvoří azeotrop s maximální teplotou varu, se nejprve oddestiluje složka přítomná v přebytku vzhledem ke složení azeotropní směsi. Poté se azeotrop s maximálním bodem varu (s minimálním tlakem par) oddestiluje. Při destilaci směsi, která tvoří azeotrop s minimálním bodem varu, se nejprve oddestiluje azeotropní směs a poté složka, která je v přebytku. Je známo více než 3000 dvojitě azeotropních směsí s minimálním bodem varu a pouze asi 250 s maximem (zpravidla se jedná o homogenní směsi vysoce polární povahy)***.

Azeotropické sušení je v praxi velmi důležité. K tomu se přidá k sušené látce sloučenina, která tvoří s vodou azeotropní směs a pokud možno se nemísí s vodou za studena (například benzen). Směs se poté zahřívá, destilát se kondenzuje v sestupném chladiči a shromažďuje se v odměrné nádobě. Voda, která tvoří s benzenem azeotropní směs (bod varu směsi 60 °C, voda 100 °C, benzen 80 °C), je v jímce rozdělena do dvou vrstev. Tímto způsobem můžete látku nejen vysušit, ovládat okamžik konce uvolňování vody, ale také sledovat průběh reakcí, při kterých se voda uvolňuje, a také oddestilováním vody posouvat rovnovážné reakce. v požadovaném směru.

Známé azeotropní směsi jsou uvedeny v knize: Gordon A., Ford R. Chemist's Companion. M., Mir, 1976. 28

K separaci vody při azeotropickém sušení se nejčastěji používá benzen, izomerní xyleny, toluen, chloroform a chlorid uhličitý. Nemělo by se zapomínat, že CHCl3 a CCl4 jsou těžší než voda.

Frakční destilace má celou řadu důležité aplikace, například získávání kyslíku, dusíku a vzácných plynů z kapalného vzduchu, rafinace ropy, výroba alkoholických nápojů (viz úvodní text k této kapitole) atd.

Na Obr. Obrázek 6.16 ukazuje schematický diagram typické laboratorní frakční destilace. Vertikální kolona je vyplněna skleněnými kuličkami nebo náhodně orientovanými krátkými délkami skleněných trubic. Místo toho může být použit bublinkový sloupec. Taková kolona umožňuje, aby se sublimující páry dostaly do kontaktu s kapalinou stékající dolů.

Uvidíme, co se stane, když frakční destilace dvousložkové směsi složení xA(C) (obr. 6.17). Když se tato směs zahřeje, její teplota stoupne na bod C. Poté začne kapalina vřít. Vzniklá pára je bohatší než kapalina na těkavější složku A. Při bodu varu jsou tato pára a kapalina v rovnováze. Tato rovnováha odpovídá spojovacímu vedení CD ve fázovém diagramu. Pára stoupající frakcionační kolonou se postupně ochlazuje a nakonec kondenzuje na kapalinu. Tento pokles teploty je na fázovém diagramu znázorněn svislou čarou DD V bodě D se ustaví nová rovnováha mezi kondenzátem, který má složení xA(D) a jeho párou, která má složení xA(E) . Kapalný kondenzát stéká kolonou a stoupá jím pára. Na každé úrovni kolony jsou tedy proudící kapalina a stoupající pára v rovnováze. Tyto rovnováhy jsou znázorněny spojovacími čarami. Jak pára stoupá kolonou a prochází každou následnou rovnováhou, je stále více obohacena o těkavější složku. Nakonec pára uniká otvorem v horní části kolony, kondenzuje a výsledná kapalina proudí do sběrné nádoby. Mezitím se kapalina v baňce stále více obohacuje o méně těkavou složku a v důsledku toho se její bod varu postupně zvyšuje.

V důsledku odvodu páry otvorem v horní části kolony se rovnováha v ní plynule posouvá. Dobré separace se dosáhne pouze tehdy, když se baňka zahřívá dostatečně pomalu, aby se umožnilo urovnání rovnováhy. V praxi se k separaci vícesložkových kapalných směsí obvykle používá frakční destilace.

V Ugandě je rozšířena výroba alkoholického nápoje „inguli“, který se získává frakční destilací piva v domácích destilačních přístrojích.V Ugandě držitelé licencí na výrobu inguli prodávají své výrobky do průmyslových lihovarů, kde alkoholický nápoj se z něj získává tzv. „waragi“. Domácí inguli a podobné domácí produkty alkoholické nápoje, vyrobené ve východoafrických zemích, jsou nebezpečné pro spotřebu, protože druhá frakce často obsahuje toxické nečistoty první a třetí frakce. Z tohoto důvodu ve většině východoafrických zemí platí zákaz výroby a konzumace takových alkoholických nápojů.

Inguli. Kvašením sladiny z melasy a banánové šťávy vzniká Africké pivo "Inguli", ze kterého se destilací odebírají tři frakce.

První frakce obsahuje toxické nízkovroucí aldehydy, ketony a alkoholy. Například propanal (bod varu 48 °C, toxický), propanon (teplota varu 56 °C, toxický) a metanol (teplota varu 64 °C, velmi toxický, způsobuje ztrátu zraku).Tato frakce je zničena.

Druhá destilační frakce představuje cílový produkt inguli. O. obsahuje vodu a ethanol. Ethanol (etylalkohol) má bod varu 78 0C. při konzumaci v malém množství neškodí (viz však úvodní text na začátku této kapitoly).

Třetí frakce obsahuje alkoholy s bodem varu v rozmezí 12 až 130 °C. Tato frakce je také zničena.