Дистилляция двойных смесей

Дистилляцией называется процесс разделения раствора на составные части путем перегонки. В основе метода лежит различие в составах равновесных жидкостей и пара. Разделение осуществляется тем легче, чем больше различаются по составу равновесные жидкость и пар.

t

пар

ж+п

C R D

жидкость

A N₂ N₁ N N₄ N₃ N₅ B

состав

Рис. 10.6. Диаграмма состав-температура кипения двойной жидкой системы без экстремума

Рассмотрим двухкомпонентную жидкую систему, кипящую без образования азеотропа (рис. 10.6).

Если нагревать раствор состава N₁, то кипение его начинается при температуре t₁. Пар, равновесный с этим раствором, имеет состав N₃. Так как он богаче компонентом В по сравнению с жидким раствором, то после испарения некоторого количества раствора, остающаяся часть его становится более богатой компонентом А и имеет, например, состав N₂. Раствор такого состава не может кипеть, пока температура не поднимется до t₂. Пар, находящийся в равновесии с этим раствором, имеет состав N₄. Он тоже богаче компонентом В, чем раствор. Поэтому остаток раствора обогащается компонентом А и температура кипения повышается. В результате в остатке будет содержаться практически чистый компонент А и температура кипения достигнет t_A.

Обратимся теперь к парам. Если пар, выделяющийся из раствора, например пар состава N₃, сконденсирован в другой сосуд и полученный конденсат, в свою очередь, подвергнут дистилляции, то он будет кипеть при температуре t₃ и пар его будет еще более богат компонентом В (состав N₅). Продолжая такой процесс конденсации и дистилляции, можно в конце концов достигнуть того, что выделяющийся пар будет представлять собой практически чистый компонент В. Таким образом, можно разделить двойную жидкую смесь путем дистилляции на чистые компоненты.

В системах, содержащих азеотропы, осуществить разделение раствора на чистые компоненты таким путем нельзя.

Рассмотрим диаграмму состав-температура кипения с минимумом (рис. 10.7). Если раствор, имеющий состав, промежуточный между А и С, например N₁, подвергнуть дистилляции, то пар, находящийся в равновесии с раствором, будет иметь состав N₂, то есть будет содержать больше компонента В, чем раствор. Остаток же, обогащаясь компонентом А, будет кипеть при более высокой температуре, например t₂.

Продолжая дистилляцию, можно получить в остатке чистый компонент А. Чистый же компонент В из раствора состава N₁ получить аналогичным путем не удается.

t

пар

m

жидкость

A N₁ N₂CN₄ N₃ B

состав

Рис. 10.7. Диаграмма состав-температура кипения системы с азеотропной точкой

В самом деле, при повторной конденсации и дистилляции пара можно достигнуть состава С. Пар такого состава при конденсации дает жидкость такого же состава С, и новая дистилляция приведет опять к пару того же состава С, так как в азеотропных растворах состав пара и жидкости одинаков. Таким образом, раствор состава N₁ можно разделить перегонкой только на чистый компонент А и азеотропный раствор С. Этот вывод относится ко всем растворам, имеющим состав между А и С.

Рассуждая подобным же образом, можно показать, что любой раствор, обладающий составом, промежуточным между С и В, путем дистилляции можно разделить только на чистый компонент В и опять-таки на азеотропный раствор состава С.

К системам этого типа относится, например, система вода-этиловый спирт. Она обладает минимумом температур кипения (78,13 °С) при составе 95,57 % спирта (при атмосферном давлении). Этиловый спирт в чистом состоянии путем такой дистилляции выделить невозможно. Однако состав азеотропа изменяется при изменении внешнего давления. Например, при достаточно низком давлении методом дистилляции можно получить чистый этанол.

Рассмотренный выше процесс разделения раствора путем отбора отдельных частей (фракций) конденсата и последующей повторной их фракционной конденсации и дистилляции дает возможность в системах, не содержащих азеотропов, разделить раствор на чистые компоненты. Этот метод разделения называется дробной или фракционной перегонкой.

Автоматизированный процесс дробной перегонки называется ректификацией.