Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой получаемый конденсат имеет усреднённый состав вследствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является конденсат или остаток (или и то, и другое) – в зависимости от дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и соединяющий их обогреваемый паропровод.

История

Применение

Дистилляция применяется в промышленности и в лабораторной практике для разделения и рафинирования сложных веществ: для разделения смесей органических веществ (например, разделение нефти на бензин, керосин, соляр и др.; получение ароматических веществ в парфюмерии; получение алкогольного спирта) и для получения высокочистых неорганических веществ (например, металлов: бериллий, цинк, магний, кадмий и др.).

Теория

В теории дистилляции в первую очередь рассматриваются двухкомпонентные вещества. Действие дистилляции основано на том, что концентрация некоторого компонента в жидкости отличается от его концентрации в паре, образующемся из этой жидкости. Отношение = является характеристикой процесса и называется коэффициентом разделения при дистилляции. Коэффициент разделения зависит от природы разделяемых компонентов и режима дистилляции.

Режимы дистилляции характеризуются температурой испарения и степенью отклонения от фазового равновесия жидкость-пар. Обычно в дистилляционном процессе n=+, где n - число частиц вещества, переходящих в единицу времени из жидкости в пар, - число частиц, возвращающихся в это же время из пара в жидкость, - число частиц, переходящих в это время в конденсат. Отношение /n является показателем отклонения процесса от равновесного. Предельными являются режимы, в которых =0 (равновесное состояние системы жидкость-пар) и =n (режим молекулярной дистилляции).

При =0, когда число частиц, покидающих в единицу времени жидкость, равно числу частиц, возвращающихся в это же время в жидкость, равновесный коэффициент разделения двухкомпонентного вещества может быть выражен через давления и чистых компонентов при температуре процесса: , где и - так называемые коэффициенты активности, учитывающие взаимодействие компонентов в жидкости. Эти коэффициенты имеют температурную и концентрационную зависимости (см. активность (химия)). С понижением температуры значение коэффициента разделения обычно удаляется от единицы, т. е. эффективность разделения при этом увеличивается.

При =n все испаряющиеся частицы переходят в конденсат (режим молекулярной дистилляции). В этом режиме коэффициент разделения , где и - молекулярные массы первого и второго компонентов соответственно. Режим молекулярной дистилляции может применяться в различных дистилляционных способах, включая ректификацию. Обычно молекулярная дистилляция осуществляется в вакууме при низком давлении пара и при близком расположении поверхности конденсации к поверхности испарения (что исключает столкновение частиц пара друг с другом и с частицами атмосферы). В режиме, близком к молекулярной дистилляции, проводится дистилляция металлов. В связи с тем, что коэффициент разделения при молекулярной дистилляции зависит не только от парциальных давлений компонентов, но и от их молекулярных (или атомных) масс, молекулярная дистилляция может применяться для разделения смесей, для которых , - азеотропных смесей, включая смеси изотопов.

Для различных режимов дистилляции выведены уравнения, связывающие содержание второго компонента в конденсате и в остатке с долей перегонки или с долей остатка при заданных условиях процесса и известной начальной концентрации жидкости (, и - масса конденсата и остатка, а также начальная масса дистиллируемого вещества соответственно). Расчёты проводятся в предположении идеального перемешивания дистиллируемой жидкости, а также жидкого конденсата. Также выведены уравнения распределения компонентов в твёрдом конденсате, получаемого дистилляцией с направленным затвердеванием конденсата или зонной дистилляцией. Параметром этих уравнений является коэффициент разделения α для заданных условий дистилляции.

При дистилляции вещества с большой концентрацией компонентов с конденсацией пара в жидкость при несильной зависимости коэффициентов активности компонентов от их концентраций взаимосвязь величин , и , когда используются концентрации в процентах, имеет вид:

Для дистилляции с конденсацией пара в жидкость при малом содержании примеси

Дистилляционные уравнения могут использоваться для описания процессов распределения примесей в других фазовых переходах из фазы с интенсивным перемешиванием (таких как переходы жидкий кристалл-кристалл, жидкий кристалл-жидкость, газ-плазма, а также в переходах, связанных с квантово-механическими состояниями – сверхтекучая жидкость, конденсат Бозе-Эйнштейна) – при подстановке в них соответствующих коэффициентов распределения.

Дистилляция с конденсацией пара в жидкость (простая перегонка, фракционная дистилляция, ректификация)

Простая перегонка - частичное испарение жидкой смеси путём непрерывного отвода и конденсации образовавшихся паров в холодильнике. Полученный конденсат называется дистиллятом, а неиспарившаяся жидкость - кубовым остатком.

Фракционная дистилляция (или дробная перегонка) - разделение многокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу части - фракции путём сбора конденсата частями с различной летучестью, начиная с первой, обогащенной низкокипящим компонентом. Остаток жидкости обогащён высококипящим компонентом. Для улучшения разделения фракций применяют дефлегматор.

Ректификация - способ дистилляции, при котором часть жидкого конденсата (флегма) постоянно возвращается в куб, двигаясь навстречу пару в контакте с ним. В результате этого примеси, содержащиеся в паре, частично переходят во флегму и возвращаются в куб, при этом чистота пара (и конденсата) повышается (См. ректификация , ректификационная колонна).

Дистилляция с конденсацией пара в твёрдую фазу (с конденсацией пара в градиенте температуры; с направленным затвердеванием конденсата; зонная дистилляция)

Дистилляция с конденсацией пара в градиенте температуры – дистилляционный процесс, в котором конденсация в твёрдую фазу осуществляется на поверхности, имеющей градиент температуры, с многократным реиспарением частиц пара. Менее летучие компоненты осаждаются при более высоких температурах. В результате в конденсате возникает распределение примесей вдоль температурного градиента, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Разделение компонентов пара при реиспарении подчиняется собственным закономерностям. Так, при молекулярной дистиляции соотношение между количествами и осаждённых в конденсаторе первого и второго компонентов, соответственно, выражается равенством:

где и - скорости испарения первого компонента из расплава и с поверхности реиспарения соответственно, и - то же для второго компонента, и - коэффициенты конденсации первого и второго компонентов соответственно, μ – коэффициент, зависящий от поверхности испарения и углов испарения и реиспарения. Реиспарение повышает эффективность очистки от трудноудаляемых малолетучих примесей в 2-5 раз, а от легколетучих - на порядок и более (по сравнению с простой перегонкой). Этот вид дистилляции нашёл применение в промышленном производстве высокочистого бериллия.

Дистилляция с направленным затвердеванием конденсата (дистилляция с вытягиванием дистиллята) – дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c полным расплавлением дистиллируемого вещества и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере вытягивания конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.

В получаемом конденсате возникает неравномерное распределение примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс является дистилляционным аналогом нормальной направленной кристаллизации. Распределение примеси в конденсате описывается уравнением:

где С – концентрация примеси в дистилляте на расстоянии х от начала, L – высота конденсата при полностью испарившемся дистиллируемом материале.

Зонная дистилляция - дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c частичным расплавлением рафинируемого вещества в перемещаемой жидкой зоне и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере выхода конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.

При движении зонного нагревателя вдоль контейнера сверху вниз в контейнере формируется твёрдый конденсат с неравномерным распределением примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс может быть повторён многократно, для чего конденсат, полученный в предыдущем процессе, должен быть перемещён (без переворота) в нижнюю часть контейнера на место рафинируемого вещества. Неравномерность распределения примесей в конденсате (т. е. эффективность очистки) растёт с увеличением числа повторений процесса.

Зонная дистилляция является дистилляционным аналогом зонной перекристаллизации. Распределение примесей в конденсате описывается известными уравнениями зонной перекристаллизации с заданным числом проходов зоны – при замене коэффициента распределения k для кристаллизации на коэффициент разделения α для дистилляции. Так, после одного прохода зоны

где С – концентрация примеси в конденсате на расстоянии х от начала конденсата, λ – длина жидкой зоны.

См. также

Литература

• Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. Введение в теорию глубокой очистки веществ. - М.: Наука, 1981. - 320 с.
• Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. Глубокая очистка веществ. - М.: Высшая школа, 1974. - 180 с.
• Степин Б.Д., Горштейн И.Г., Блюм Г.З., Курдюмов Г.М., Оглоблина И.П. Методы получения особо чистых неорганических веществ. - Л.: Химия, 1969. - 480 с.
• Корякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества. Руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. - М.: Химия, 1974. - с.
• Беляев А.И. Физико-химические основы очиски металлов и полупроводниковых веществ. - М.: Металлургия, 1973. - 320 с.
• Пазухин В.А., Фишер А.Я. Разделение и рафинирование металлов в вакууме. - М.: Металлургия, 1969. - 204 с.
• Иванов В.Е., Папиров И.И., Тихинский Г.Ф., Амоненко В.М. Чистые и сверхчистые металлы (получение методом дистилляции в вакууме). - М.: Металлургия, 1965. - 263 с.
• Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. - М.: Издательство АН СССР, 1961 - 320 с.
• Кравченко А.И. О временной зависимости состава двойного сплава при его разгонке в вакууме // Известия АН СССР. Серия: Металлы. - 1983. - № 3. - С. 61-63.
• Кравченко А.И. Об уравнениях дистилляции при малом содержании примеси // Вопросы атомной науки и техники, 1990. - № 1 - Серия: «Ядерно-физические исследования» (9). - С. 29-30.
• Нисельсон Л.Я., Ярошевский А.Г. Межфазовые коэффициенты распределения (Равновесия кристалл-жидкость и жидкость-пар). - М.: Наука, 1992. - 399 с.
• Kravchenko A.I. Simple substances refining: efficiency of distillation methods // Functional Materials, 2000 - V.7. - N. 2. - P. 315-318.
• Кравченко А.И. Уравнение распределения примеси в твёрдом дистилляте // Неорганические материалы, 2007. - Т. 43. - № 8. - С. 1021-1022.
• Кравченко А.И. Эффективность очистки в дистилляционном и кристаллизационном процессах // Неорганические материалы, 2010. - Т. 46. - № 1. - С. 99-101.
• Кравченко А.И. Дистилляция с вытягиванием дистиллята // Вопросы атомной науки и техники, 2008. - № 1 - Серия: «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники» (17). - С. 18-19.
• Кравченко А.И. Зонная дистилляция // Вопросы атомной науки и техники, 2011. - № 6 - Серия: «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники» (19). - С. 24-26.
• Кравченко А.И. О распределении примесей при фазовых переходах из фазы с идеальным перемешиванием // Вопросы атомной науки и техники, 2011. - № 6 - Серия: «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники» (19). - С. 27-29.
• ГОСТ 2177 (ASTM D86)

Галерея

Дистилляция
Теория

Различные спиртные напитки получают различным путем. Помимо сырьевых различий спиртное может относиться к дистилляту или ректификату. Отличия у этих двух групп напитков на первый взгляд могут показаться незначительными, однако на деле эта разница существенна. И дистиллят, и ректификат можно получить в домашних условиях, если (рекомендуем выбрать аппарат с ректификационной колонной марки или с сухопарником марки ), позволяющий проводить режим ректификации. Для этого в его конструкции в обязательном порядке должна наличествовать колонна с призматической или регулярной проволочной насадкой, на которой и будет происходит процесс ректификации. Конечно, можно , но в случае с ректификационной колонной придется потрудиться значительно больше, чем с простым бытовым дистиллятором.

Нужно понимать, что и ректификат, и дистиллят — это растворы этилового спирта. В чем же принципиальное отличие этих двух жидкостей?

Дистиллят или ректификат: что чище?

Дистиллят получают путем дробной (фракционной) перегонки браги. Чаще всего брагу сначала перегоняют без разделения фракций на спирт-сырец, а уж его затем перегоняют дробно с отделением “голов”, “тела” и “хвостов”. Так вот “тело” — это и есть дистиллят. Это раствор этилового спирта крепостью не выше 85-90 градусов, содержащий в себе различные примеси. Это важно. Именно примеси (сложные эфиры, другие спирты, др.) создают характерный вкус и аромат дистиллята: это привкус и аромат того сырья, из которого была поставлена брага. Именно в этом суть изысканных и элитных дистиллятов — виски, коньяков, кальвадоса, рома и прочих. Виноградное, зерновое, фруктовое сырье дает свои характерные неповторимые нотки.

Ректификат же — это полностью очищенный спирт. В его растворе присутствуют только этанол и вода. При выгонке на ректификационной колонне крепость его доходит до 95-96 градусов (максимально возможная крепость при нормальных условиях). Ректификат лишен каких-либо вкусоароматических ноток сырья, из которого этанол был получен при брожении. Без сомнения, ректификат абсолютно чист, по сравнению с дистиллятом. Но насколько это важно?

Ректификат или дистиллят: что вреднее для здоровья?

Существует мнение, что определенное наличие примесей делает дистиллят более безопасным для употребления. Дело в том, что при употреблении дистиллята отдельные вещества из группы “сивушных масел” (в малом количестве) как бы “подготавливают” печень к переработке спиртного. Исходя из этого предположения, получается, что при одинаковом употреблении правильно очищенный дистиллят вызовет гораздо менее выраженный похмельный синдром, чем при той же дозе разведенного до той же крепости ректификата. Ну и нагрузка на печень будет чуть меньшая. Некоторые научные труды времен СССР подтверждают более токсичное воздействие на организм ректификата по сравнению с дистиллятом. Ректификат в силу своей чистоты будет и более “жестким” на вкус, поскольку примеси в дистилляте (в зависимости от сырья) будут его смягчать.

Однако каких-либо широко известных научных исследований в этой области обнародовано не было, поэтому на 100% говорить о том, что дистиллят менее вреден, чем ректификат, нет оснований. Да и индивидуальная переносимость алкоголя каждым конкретным человеком варьируется в широких пределах. По этой же причине не совсем корректно будет судить о том, что лучше — дистиллят или ректификат. Как известно, на вкус и цвет все фломастеры разные.

Ну, и чтобы не оставалось непонимания, ответим на самые частые вопросы:

1. Самогон — дистиллят или ректификат?
   Самогон — это дистиллят. Получают его дистилляцией — перегонкой (спирта-сырца). Крепость его, как правило, не превышает 85-90 градусов.
2. Водка — дистиллят или ректификат?
   А вот водка — это ректификат. Максимально очищенный спирт, разведенный водой до крепости 40 градусов. Это уже потом водку настаивают на березовых бруньках, перце и прочих приятных вещах. Но все равно спирт в ней остается ректифицированным. Конечно, все это имеет место, если речь идет о водке промышленного производства. Домашние “водки”, полученные разведением сахарного, зернового или виноградного дистиллята дистиллятами и останутся.
3. Спирт — ректификат или дистиллят?
   Название “спирт” говорит само за себя. Это ректификат, поскольку дистиллят имеет определенные примеси и его очистка не стопроцентная. Медицинский спирт — это всегда ректификат. И даже технические спирты получают в промышленности ректификацией.

В любом случае, только Вам решать, что больше приходится по вкусу — дистиллят или ректификат. В зависимости от предпочтений у Вас и будет задача, : остановиться на классическом дистилляторе или приобрести полноценную ректификационную колонну. Надо отметить, что бытовые колонны могут работать также и в режиме дистилляции, потому они более универсальны, хотя и чуть более дороги, чем классические самогонные аппараты.

Основные виды концентрирования, очистки и разделения веществ.

В настоящее время существует значительное количество методов разделения, концентрирования и очистки веществ и создаются все новые в связи с актуальностью задач получения и анализа суперчистых материалов с заданными свойствами, например, для наноэлектроники, полупроводниковой и вычислительной техники, биологических препаратов нового поколения. Наиболее распространенными из них являются:

Ø методы испарения (перегонка, упаривание и отгонка);

Ø озоления;

Ø экстрагирования;

Ø осаждения и соосаждения;

Ø управляемой кристаллизации;

Ø сорбционные и ионообменные методы;

Ø электрохимические методы.

Применение каждого из методов очистки определяется как выбранной методикой анализа, так и физико-химическими свойствами системы (агрегатное состояние компонентов, химическая и термическая устойчивость веществ, содержание определяемого компонента в исходной пробе и т. д.). Как правило в основе процесса очистки лежит либо химическая реакция (реакции осаждения, ионного обмена, окисления), либо физический процесс (диффузия, адсорбция и десорбция, испарение и конденсация) (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – общие принципы и способы разделения компонентов на фазы (концентрирования и разделения веществ).

Учитывая многообразие способов концентрирования веществ, поясним значение некоторых терминов.

Разделение –это операция, в результате которой компоненты, входящие в исходную смесь, отделяются друг от друга.

Концентрирование – это процесс, в результате которого содержание определяемого или очищаемого компонента в веществе повышается, по сравнению с его исходным содержанием. Концентрирование может быть абсолютным и относительным .

Абсолютное концентрирование – это перевод микрокомпонента (примеси) из исходного образца большого объема или массы, в новый образец с меньшим объемом (массой). Такое концентрирование происходит при процессах экстрагирования, осаждения, перегонки и т. д.

Относительное концентрирование (обогащение) заключается в увеличении содержания интересующего компонента в исходном образце по отношению к другим компонентам или растворителю. Например, при упаривании раствора или озолении пробы.

Испарение – процесс перехода вещества из жидкой или твердой фазы в газообразную, который осуществляется тем или иным путем. Методы испарения можно реализовать в виде перегонки и отгонки (упаривания, выпаривания и возгонки).

Перегонка – это разделение жидких смесей, основанное на переводе летучего компонента в газовую фазу путем испарения его и последующей конденсацией.

Конденсат – продукт, образующийся при охлаждении газовой или паровой фазы.

Отгонка – удаление летучих компонентов из твердых веществ (порошков, кристаллов) или растворов при нагревании.

Упаривание – метод отгонки, в процессе которого происходит удаление части растворителя и летучих примесей в следствии длительного нагрева пробы. При упаривании часть основы (обычно растворителя) остается в образце.

Выпаривание (до суха) сопровождается полным удалением растворителя и летучих компонентов из исходного образца.

Возгонка или сублимация – это процесс, при котором твердое вещество переводят в газовую фазу минуя стадию плавления. Продукт конденсации, образующийся в процессе возгонки называют сублиматом .

Озоление – метод, при котором исходный образец путем нагрева переводят в минеральный остаток, называется золой . Его используют обычно при анализе различных веществ на содержание микроэлементов или общего количества органических веществ (анализ почв). Различают сухое озоление , когда пробу вещества калят в тигле при нагреве не выше 500ºС, и влажное (мокрое) . При влажном озолении исходную навеску вещества помещают в тигель и обрабатывают либо кислотами, либо ще6лочами, а образующиеся летучие продукты удаляются в процессе ее прокаливания. Озоление можно рассматривать как частный случай минерализации пробы.

Метод перегонки (дистилляция)

Перегонка (дистилляция) относится к группе методов, базирующихся на термическом испарении веществ, и применяется для очистки воды и разделения органических жидкостей с относительно близкими температурами кипения . Она основана на различии в летучести веществ . Сущность процесса перегонки заключается в том, что в испарителе смесь веществ (обычно раствор) нагревают выше температуры кипения наиболее летучего компонента. Образовавшаяся таким образом газовая (паровая) фаза имеет более высокую концентрацию летучего компонента, по сравнению с исходным раствором. Эту фазу затем охлаждают (конденсируют) в холодильнике, получая на его выходе конденсат (жидкость либо твердое вещество), обогащенный наиболее летучим соединением. При необходимости процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень разделения или концентрирования компонентов.

Процесс перегонки можно охарактеризовать количественно, рассчитав коэффициент распределения D . Пусть имеется 2-х компонентная идеальная система А + В (отсутствует межмолекулярное взаимодействие, а компоненты химически инертны по отношению друг к другу). При нагревании такой системы до температуры испарения, например компонента А , получим газовую фазу, которая находится в равновесии с оставшимся раствором. При этом газовая фаза обогатится более летучим компонентом А , а в оставшемся растворе возрастет соответственно концентрация компонента В. Молярные доли компонентов А и В в обеих фазах связаны соотношением:

где у А и у В – молярные доли в газовой фазе; a = 1/D – коэффициент разделения (относительная летучесть); х А и х В – молярные доли компонентов в жидкой фазе. Учитывая, что x + y = 1 – сумма молярных долей компонентов в исходном растворе, и x A + x В = x; y A + y В = y, то коэффициент распределения D можно вычислить из соотношения:

D = . (2.2)

Формула (3.2) может быть преобразована с помощью уравнения Клаузиуса-Клапейрона в выражение для приближенного вычисления летучести компонентов:

lga = 8,9 . (2.3)

где Т кип (А) и Т кип (В) – температуры кипения разделяемых компонентов А и В соответственно. Из формулы 2.3 следует, что чем выше разница в температурах кипения разделяемых компонентов, тем выше степень их разделения в одностадийном процессе.

В пищевой, фармацевтической и химической промышленности дистилляция - это один из способов водоподготовки, который применяется наряду с ионным обменом. Для аналитических целей пригодна вода либо однократной очистки (дистиллят), либо двукратной – бидистиллят . Одностадийная дистилляция обычно используется для разделении веществ со значительной разницей в температурахкипения . При этом анализируемым компонентом может обогащаться как жидкая фаза, остающаяся после дистилляции, так и газовая фаза, а значит и образующийся конденсат Этот метод непригоден для азеотропных смесей (системы, в которых состав газовой и жидкой фазы одинаковы и находятся в состоянии равновесия). В этом случае полного разделения компонентов достичь невозможно.

Метод ступенчатой дистилляции (ректификации) осуществляют в специальных колоннах и используют при разделении на фракции многокомпонентных гомогенных смесей жидкостей с достаточно близкими температурами кипения . Он широко распространен в перерабатывающей промышленности, в частности, при получении продуктов перегонки нефти, таких как: петролейные эфиры, бензины, керосины и масла.

При очистке продуктов с низкой термической устойчивостью, присущей для некоторых органических и биологически активных веществ, осуществляют молекулярную дистилляцию - низкотемпературная дистилляция в высоком вакууме , которую проводят при остаточном давлении 1,3 – 1,8 кПа и ниже. В этом случае процесс разделения и концентрирования может протекать либо без нагрева, либо при температурах, значительно ниже комнатной. Молекулярная дистилляция используется при производстве фармацевтических препаратов и биоактивных пищевых добавок.

Методы отгонки.

Отгонку делят на простую или выпаривание и возгонку (сублимацию ). При выпаривании вещества удаляются в форме готовых летучих соединений. Осуществить выпаривание можно различными способами: нагреванием снизу (водяные и песчаные бани); сверху (инфракрасные лампы), используя сушку под вакуумом (лиофильная сушка ) - для исключения потерь связанной влаги или термически неустойчивых компонентов. Выпаривание позволяет к примеру, значительно повысить концентрацию солей в растворе (получение рапы).

Частный случай выпаривания – упаривание до суха . Этот прием применяют, когда необходимо или значительно повысить концентрацию нелетучего компонента, или растворитель и летучие примеси мешает проведению анализа. При упаривании вещество сначала длительно осторожно нагревают (выпаривают) до образования практически сухого остатка. Иногда применяют дополнительно прокаливание сухого остатка при более высокой температуре, чтобы удалить следовые количества растворителя. Качество выпаривания можно контролировать по изменению массы сухого остатка.

Отгонка будет более эффективна, если на вещество воздействовать еще и химически с помощью реагентов – сухая и мокрая минерализация . Минерализацию образцов широко используют в элементном органическом анализе. Пробу, органическую или биологическую, помещают в трубчатую печь или автоклав, через которую продувают воздух или кислород. В процессе окисления (сжигания) ее образуются летучие соединения такие, как CO, CO 2 , N 2 , SO 2 , SO 3 , которые легко могут быть определены с помощью специальных приборов – газоанализаторов или, после селективного поглощения (адсорбции ) газов, по стандартной методике. При сухой минерализации погрешность анализа выше, чем при мокрой . Это обусловлено потерями легколетучих компонентов и отчасти нелетучих, захватываемых каплями образовавшегося аэрозоля. Снижения потерь вещества при сухой минерализации можно добиться при использовании автоклавов (устройства для нагрева при повышенном давлении).

Мокрая минерализация заключается в воздействии на пробу минеральных кислот или щелочей в комплексе с окислителями (H 2 O 2 , KClO 3 , KMnO 4), растворение устойчивых соединений проводят в автоклавах при нагреве и повышенном давлении, а определение – в специальных камерах, соединенных с анализатором. Эффективно также применение ряда твердых, жидких и газообразных минерализаторов, способных селективно переводить некоторые труднорастворимые вещества в газовую фазу (галогены и галогеноводороды, CCl 4 , AlCl 3 , BBr 3).

Сублимация это вариант отгонки, который заключается в разделении веществ путем перевода одного или нескольких компонентов при нагревании в газовую фазу минуя жидкую . Для этой цели применяют устройства - сублиматоры , состоящие из испарителя и зоны сублимации с более низкой температурой (вплоть до отрицательных). В зоне сублимации при конденсации газов вновь образуется твердое вещество (сублимат). Этот метод можно использовать в том случае, когда разделяемые компоненты, например, плохо растворимы или трудно плавятся. Ограниченное применение сублимации обусловлено малым количеством пригодных для этой цели матриц. Примером сублимационной очистки в аналитических целях служит отделение кристаллического иода от нелетучих примесей.

На качество очистки при сублимации влияют размер частиц и однородность распределения компонентов в них. Поэтому более качественной будет отгонка в тщательно измельченных пробах, а также в тех, где отгоняется основное вещество (макрокомпонент) , а не примеси (микрокомпоненты ).

Для низко температурного полного обезвоживания неустойчивых веществ применяют низкотемпературную отгонку под вакуумом – сублимационная сушка , которую можно рассматривать как вариант лиофильной сушки, выполняемой в болеежестком режиме.

Метод экстрагирования.

Метод экстракционного разделения (экстракция ) широко применяется не только в химическом анализе, но и на производстве, так как позволяет сконцентрировать анализируемое вещество в небольшом объеме раствора. Процесс экстракции основан на избирательном извлечении одного или нескольких компонентов из смеси жидких или твердых фаз с помощью органического растворителя (экстрагента) не смешивающегося с водой. В основе процесса экстракции - различие растворимости компонентов смеси в водной и органическойфазах . В органических веществах (спиртах, эфирах, бензинах и т.д.) хорошо растворяются многие неорганические соли (нитраты, хлориды, роданиды) и комплексные соединения.

Более эффективно извлечение происходит при применении смеси экстрагентов. Явление возрастания степени извлечения при воздействии смеси экстрагентов называют синергизмом. Степень извлечения можно также повысить, добавляя в экстрагент экстракционный реагент, например, дитизон или оксихинолин, формирующие комплексы со многими катионами металлов. В результате проведения экстракции получается экстракт , который может быть как в виде раствора, так и сухого вещества (сухие экстракты ). Сухие экстракты обычно образуются из жидких путем их высушивания каким-либо способом.

К основным понятиям этого метода относят:

Ø реэкстракция – процесс извлечения выделяемого компонента из экстракта в водную или иную фазу;

Ø реэкстрагент – раствор реагента (чаще водный), используемый для извлечении вещества из экстракта;

Ø соэкстрагент – органический или иной растворитель, применяемый в смеси с основным экстрагентом с целью повышения селективности процесса или степени экстракции;

Ø синергизм – существенное повышение степени извлечения (экстракции) при использовании смеси экстрагентов, по сравнению с действием каждого из них по-отдельности;

Ø экстрагент – органический или иной растворитель, извлекающий компонент из водного раствора;

Ø экстракционный реагент – составная часть экстрагента, реагент, образующий с извлекаемым веществом хорошо растворимое в экстрагенте соединение, чаще всего - органический комплекс;

Ø экстракт – органическая фаза, содержащая выделяемый компонент;

Ø экстрактор – аппарат для проведения экстракции.

Конструкции экстракторов достаточно разнообразны (рис. 2.2) и подбираются в зависимости от условий проведения процесса и применяемых реагентов.

Рисунок 2.2 – схемы экстракторов различного назначения

(в – водная фаза; о – органический растворитель):

а – делительные воронки (случай, когда плотность экстрагента выше, чем водной фазы); б – прибор непрерывной экстракции (при плотность экстрагента ниже, чем воды).

Различают: периодическую экстракцию (выполняется отдельными порциями экстрагента), непрерывную (при постоянном перемещении фаз друг относительно друга, при этом водная фаза обычно неподвижна) и противоточную , где органическая фаза постоянно перемещается через серию экстракционных трубок, содержащих свежие порции водного раствора. В качестве простейшего экстрактора можно использовать делительную воронку с двумя кранами (рис. 2.2 – а), которая применяется для выполнения периодической экстракции . После заполнения воронки водно-органической смесью раствора, ее энергично встряхивают и дают отстояться, через нижний кран осторожно удаляют водный раствор (если плотность органического реагента меньше, чем водного), стараясь, чтобы экстракт остался в воронке. Разделение фракций протекает с высокой скоростью в течении 1 – 3 минут. Если плотность органической фазы выше, чем водной, то в нижней части воронки будет скапливаться экстракт, который затем также осторожно удаляется.

ДИСТИЛЛЯЦИЯ (ПЕРЕГОНКА)

Для систем без азеотропной точки и вдали от критической точки справедливо правило, что при равновесии с жидкой фазой пар всегда обогащен более летучим компонентом, т.е. тем, который имеет в чистом виде более низкую температуру кипения и более высокое давление пара. В любом случае (за исключением Тир, близких к критическим) справедлив первый закон Коновалова: пар, находящийся в равновесии с жидкой фазой, относительно богаче тем компонентом, добавление которого повышает давление фазового равновесия при данной температуре или понижает температуру фазового равновесия при данном давлении.

Еще одно правило, известное как третий закон Коновалова, констатирует: с увеличением содержания одного из компонентов в жидкой фазе при постоянной температуре или давлении его содержание в равновесной газовой фазе увеличивается. (То есть у в является возрастающей функцией х в.)

Эти свойства лежат в основе метода разделения компонентов жидких смесей, называемого перегонкой или дистилляцией. Вообразим, что смесь бензола и толуола нагрели при постоянном давлении до такой температуры, когда фигуративная точка прошла приблизительно половину пути в области двухфазных состояний (точка «а» на рис. 7.7). Равновесный пар в точке «г» имеет мольную долю бензола у в, которая больше, чем содержание бензола п в /п в системе. Если систему «открыть» и пар сконденсировать отдельно от жидкой фазы, то получится жидкость (конденсат), обогащенная бензолом по сравнению с начальным составом. Конденсат можно снова нагреть до равновесия жидкость - пар, открыть систему и сконденсировать в отдельную емкость пар, еще более богатый бензолом. Повторяя процесс несколько раз, можно получить практически чистый бензол, хотя в тем меньшем количестве, чем он чище. Аналогичный процесс разделения компонентов можно осуществить при постоянной температуре путем понижения давления для испарения, затем отделения пара и последующего повышения давления для конденсации в отдельной емкости. Такой способ разделения называется изотермической перегонкой.

Рис. 7.7.

На практике вместо стадийной конденсации в разные емкости применяют непрерывный процесс, в котором пар и жидкость движутся в вертикальной фракционной колонке над емкостью, содержащей перегоняемую жидкость. Такую перегонку называют фракционной. Пар поднимается по колонке, в которой имеется множество «полочек» для конденсации. Жидкость стекает по полкам в противоположном направлении. В установившемся режиме, который достигается после некоторого времени работы устройства, температура в колонке плавно распределена по высоте от высоких температур внизу до более низких вверху. Так как составы жидкости и пара являются функциями температуры, на низких полках конденсируется пар с относительно высоким содержанием компонента, имеющего более высокую температуру кипения, тогда как пар, поднимающийся по колонке, обогащен компонентом с более низкой температурой кипения. В результате последовательной конденсации на своем пути вверх пар постепенно обогащается одним компонентом и в заключение конденсируется в отдельную емкость. Рисунок 7.8 дает представление о способе осуществления этого процесса в лаборатории. Фракционная колонка в такой установке называется дефлегматором. Она представляет собой полую трубку, обычно стеклянную, с теплоизолирующей рубашкой вокруг нее и множеством мелких стеклянных

Рис. 7.8. Перегонка с дефлегматором в лаборатории деталей внутри (например, насыпанные стеклянные кольца или радиальные выступы из стеклянных стенок). Окончательная конденсация происходит в «холодильнике» - полой трубке, вокруг которой протекает холодная вода для резкого снижения температуры пара.

При данной разности температур кипения чистых компонентов степень обогащения пара одним компонентом зависит от длины и конструкции фракционной колонки. С этой точки зрения процесс характеризуют числом теоретических тарелок (тарелок, на которых могли бы происходить последовательная конденсация и испарение смеси). Это число можно посчитать с помощью диаграммы жидкость-пар, если вообразить, что процессы испарения и конденсации происходят стадийно и с максимальным возможным обогащением на каждой стадии (на каждой тарелке). Например, если в результате дистилляции смесь бензол-толуол обогащается от х в = 0,20 до х в = 0,81, то число теоретических тарелок по фазовой диаграмме этой системы равно трем (рис. 7.9).

Рис. 7.9.

В промышленности часто требуется разделить смесь многих компонентов, из которых одни различаются по летучести существенно, а другие - очень мало. Для этой цели сначала проводят предварительное, грубое разделение на фракции простой дистилляцией, а затем одну или каждую из фракций перегоняют с дефлегмацией для полного разделения компонентов. Стадию более глубокого разделения называют ректификацией. В промышленном производстве ректификационная колонна может иметь высоту до 75 м и характеризоваться тысячами теоретических тарелок. Это необходимо для разделения компонентов, имеющих очень близкие температуры кипения.

Если на диаграмме системы есть точка азеотропа, то разделение жидкости на чистые компоненты невозможно. При любом начальном составе (за исключением чистых компонентов и самого азеотропа) самое полное разделение заканчивается двумя жидкостями: один чистый компонент и азеотроп. Например, смесь этанола и воды имеет азеотропный состав с весовыми долями 96% этанола и 4% воды (при нормальном давлении). Это содержание этанола является максимальным, которое может быть достигнуто при дистилляции любой бинарной смеси вода - этанол с начальным содержанием воды более 4%. С другой стороны, существование азеотропной точки позволяет получать двухкомпонентные смеси с точно определенным и известным составом. Например, концентрированная хлористоводородная кислота НС1 (водный раствор) имеет массовую долю НС1, известную до пяти значащих цифр, а именно 20,222%, если она получена дистилляцией при 101,325 кПа (нормальное давление). Такой промышленный продукт применяется в лабораториях для приготовления растворов НС1 с точно известной концентрацией.

Когда требуется очистить растворитель от растворенных веществ, имеющих очень высокую температуру кипения или очень низкое давление пара при обычной температуре (таких, как неорганические соли), необходимости во фракционной перегонке нет. Достаточно применить простую перегонку: выпарить жидкость и сконденсировать ее в отдельную емкость. Такая простая дистилляция повсеместно применяется для очистки воды от «солей жесткости» и от гидроксидов железа - обычных примесей водопроводной воды в городах.

Дистилляцию чаще проводят при атмосферном давлении. Но если температура кипения отгоняемой жидкости велика и особенно если при этой температуре вещество разлагается, то применяют дистилляцию при пониженном давлении и соответственно при более низкой температуре. Во многих случаях нет необходимости снижать общее давление в системе насосом, достаточно ввести в нее инертный компонент, который не смешивается с перегоняемым веществом в жидкой фазе, а просто снижает парциальное давление насыщенного пара. Для органических веществ, практически не смешивающихся с Н 2 0 в жидкой фазе, применяют перегонку с водяным паром.

На практике перегонка с водяным паром заключается в том, что пар Н 2 0 пропускают через перегоняемую жидкость (в которой Н 2 0 практически не растворяется) так, что над жидкостью находится смесь насыщенных паров, когда температура системы повышается до температуры совместного кипения воды и жидкости Г А+В. Газовую фазу конденсируют отдельно и получают две жидкости: воду и очищенный перегоняемый продукт.

Эффективность этого процесса принято характеризовать отношением массы воды /Яд к массе перегоняемого с ней продукта В /я в (расход пара на 1 кг перегоняемого вещества). Так как перегонка осуществляется при давлении р, равном сумме давлений насыщенных паров чистых компонентов: р = р в + р А, можно записать для массы одного компонента в газовой фазе:

Аналогично для массы второго компонента:

В результате:

Так как молярная масса воды (компонент А) значительно меньше молярной массы любого органического вещества с высокой температурой кипения, расход пара обычно сравнительно невелик.

Как сделать качественный алкоголь, и в чем заключается отличие ректификата от дистиллята. Эти две технологии по производству спирта и самогонки вызывают вопросы среди начинающих. Они интересуются, в чем заключается суть технологий, и какая из них лучше? Чем отличается дистилляция от ректификации, с помощью каких способов и приспособлений достигается нужный результат.

Дистилляция самогона

Когда говорят «гнать самогон» – это означает проведение дистилляции (distillatio -латинское слово, переводится как стекание каплями). При перегонке пары спирта испаряются из браги и конденсируются. Чтобы увеличить крепость и избавиться от лишних примесей самогон перегоняют несколько раз.

Дистилляция – это получение спирта из браги с использованием дистиллятора

Для этого созревшую брагу нагревают и ждут испарения. После охлаждения пар, прошедший по охладителю (змеевику), конденсируется и начинает капать водно-спиртовой раствор. Дистилляция подразделяется на простую и фракционную. В чем разница между ними?

Простая дистилляция

Простая дистилляция или получение спирта сырца, брага просто перегоняется на самогонном аппарате быстрым способом без разделения на фракции. При такой дистилляции примеси из напитка не удаляют, как того требует технология. Первые капли самогона с вредными примесями остаются в напитке. Такой продукт имеет неприятный запах. Некоторые недобросовестные виноделы очищают некачественный дистиллят химикатами, чтобы избавиться от запаха. Этот алкоголь вреден для здоровья, так как в нем содержится метиловый спирт, вредные для здоровья альдегиды и сивушные масла. Такой метод требует дальнейшую переработку, дробную перегонку с разделением на фракции или ректификацию.

Фракционная дистилляция

Хороший самогон получается при фракционной дистилляции с отделение головных и хвостовых фракций, которые вредны и в конечном продукте не нужны. Этот метод позволяет получить качественный напиток.

Особенности фракционной дистилляции:

• Головную фракцию «отсекают», это первые 10% от абсолютного спирта. Она подходит только для технического использования. «Первач» имеет неприятный запах и содержит в большом количестве вредные вещества такие как ацетон, метил и прочее
• Хвостовая фракция содержит сивушные масла, портящие вкус самогона. Хвосты начинают идти когда температура в перегонном кубе достигает 91-65 градусов, при достижении такой температуры отбор питьевого тела нужно прекращать. Их можно использовать только для последующей ректификации

После того как перегнали два раза готовый напиток получается чистым от вредных примесей, его крепость составляет 90-92%. Самогон получается чистым, но специфический вкус и аромат исходного сырья сохраняется.

Ректификация - что это?

Чтобы получить в домашних условиях питьевой спирт, пользуются специальной ректификационной колонной. Этот аппарат немного сложнее самогонного, но вполне доступный и имеется в продаже. Большинство самогонных аппаратов нового поколения идут как дистиллятор или ректификационная колонна одновременно, путем несложного изменения конфигурации можно делать спирт и самогон. Стоимость качественных колонн достаточно высокая, но лучше не покупать недорогие модели, так как они могут испортить напиток.

Процесс ректификации отличается от повторной дистилляции. Чистота спирта на выходе не менее 96%. Ректификационная колонна выдает спирт без вкуса и аромата исходного сырья. Для ректификации нельзя использовать чисто брагу, только спирт сырец после первой перегонки крепостью 30-40%.

Дистиллят и ректификат: что предпочтительнее

Чтобы оценить преимущества и недостатки ректификата и дистиллята, важно решить, какой результат вам нужен: тонкий вкус напитка или чистый спирт.

Дистилляция и ректификация – эти методы используются для получения разных продуктов: самогон получают методом дистилляции, а водка – это продукт ректификации

Основные различия:

• После дистилляции напиток сохраняет аромат продукта из которого сделана брага
• При ректификации исходный аромат и вкус сырья теряется. Это то, чем отличается спирт от самогона

Сказать, что лучше пить дистиллят или ректификат, сложно. Это разные алкогольные напитки, одни люди предпочитают самогон, а другие спирт. Противники ректификации утверждают, что при ректификации выходит «мертвый» напиток.