Общая теория дистилляции: что такое дистилляция, технология перегонки, простейший дистиллятор. Что собой представляет дистилляция спирта Характеристика дистилляции
Дистилляция и ректификация широко используются в промышленности. Этими способами очищают этиловый спирт, из нефти выделяют керосин, бензин, ДТ и прочие компоненты, в парфюмерии получают ароматические вещества и многое другое.
В основу обеих технологий положен один и тот же принцип перегонки жидкости. Тем не менее, различия есть, и довольно серьезные.
Определение, схема устройств и принцип работы
Дистилляция
Дистилляцией называется процесс, в ходе которого жидкость, находящаяся в кубе (емкости) нагревается и испаряется, после чего охлаждается и конденсируется. Пар в итоге может переводиться в жидкость или твердое тело (второй вариант в данной статье не рассматривается). Продукт на выходе называется дистиллят. Или кубовый остаток (так называется жидкость, которая не испарилась), в зависимости от того, с какой целью перегоняли исходную смесь.
Устройство простейшего аппарата для получения дистиллированной воды. Жидкость находится в кубе 1 с крышкой 2 и термометром 3. После нагрева емкости, вода превращается в пар, который поднимается вверх и попадает в трубку 4 с вентилем 5. А оттуда – в трубку 6, находящуюся в холодильнике 7. Чтобы пар сконденсировался и снова перешел в жидкое состояние, его надо охладить. Для этого трубка 6 омывается проточной ледяной водой. Для повышения эффективности охлаждения, она завита в спираль, чтобы пар дольше находился под действием низкой температуры. Выйдя из холодильника, жидкость попадает в сосуд для сбора дистиллята.
При дистилляции смеси, состоящей из двух компонентов (одним из них является базовая растворяющая жидкость, а второй – в ней растворенный), в пар превращается низкокипящий, то есть тот, у которого более низкая температура кипения. А высококипящий (с более высокой температурой кипения) остается в жидком состоянии. Термометр нужен для регулирования степени нагрева так, чтобы данный параметр находился между указанными температурами.
Отличительной особенностью дистилляции является тот факт, что летучие компоненты испаряются однократно. При таком простом способе невозможно добиться высокой степени разделения составляющих смеси. Кроме того, выделяется только один ингредиент.
Ректификация
Ректификация – это процесс, на начальном этапе которого жидкость, как и при дистилляции, тоже нагревается и испаряется. Но затем пар попадает в ректификационную колонну. В ней, за счет противотока между жидкой и газообразной фазами смеси, происходит тепловой и массовый обмен между паром и сконденсировавшимися каплями. Исходная смесь делится (притом, с высокой степенью очистки) на компоненты с разными температурами кипения за счет того, что жидкость, фактически, многократно испаряется и конденсируется.
Схема простейшего ректификатора, который можно изготовить даже в домашних условиях. Он состоит из куба, подогреваемого на огне или водяной бане. Над ним расположена ректификационная колонна (в бытовых аппаратах – царга, представляющая собой жесткую трубу) с заполняющими ее насадками (на рисунке называются «мочалки», потому что для домашних устройств их нередко делают из дешевых металлических кухонных мочалок). Над ней – дефлегматор. Сбоку, напротив узла отбора дистиллята, находится специальная отводящая трубка (на схеме окрашена красным). Она соединена с холодильником и далее – с приемной емкостью. В лабораторных и бытовых ректификаторах в качестве «мочалок» применяются насадки, которыми заполняется колонна. Самые популярные: спирально призматическая (Селиваненко) и регулярно проволочная (Панченков). Первая дает самую лучшую степень очистки, вторая, при достаточно эффективной работе, наиболее простая по конструкции. Делаются, обычно, из нержавейки или меди. В промышленных установках вместо насадок применяются специальные тарелки.
Аппарат работает следующим образом. Исходная смесь нагревается в перегонном кубе и начинает испаряться. Пар проходит через ректификационную колонну. На узле отбора дистиллята часть пара отводится через красную трубку, попадает в холодильник, конденсируется и стекает в приемную емкость. Другая часть поднимается в дефлегматор. Последний представляет собой, по сути, еще один холодильник с проточной водой в рубашке. В нем эта вторая часть пара тоже конденсируется, после чего в виде капель, которые называются флегмой или орошением, стекает в ректификационную колонну и движется внутри нее сверху вниз. Расход воды для охлаждения дефлегматора можно регулировать, тем самым изменяя количество орошения, поступающего обратно в колонну.
В ректификационной колонне осуществляется противоток двух фаз – пар поднимается вверх, флегма опускается вниз. Между ними происходит массовый и тепловой обмен, в результате которого пар обогащается низкокипящими (легколетучими) компонентами смеси, а капли стекающей жидкости – высококипящими (труднолетучими) ингредиентами. За счет этого, при достаточной высоте колонны, из верхней ее части (узел отбора дистиллята) выводится целевая фракция большой степени чистоты. Насадки в колонне служат для интенсификации массового и теплового обмена, поскольку конденсация пара осуществляется именно на их развитой поверхности. В промышленных установках это происходит на тарелках.
Каждая находящаяся в колонне тарелка, называется физической (ФТ). Она нужна для того, чтобы между жидкой и паровой фазами как можно быстрее достигалось состояние равновесия. Пузырьки пара проходят сквозь находящийся на ФТ слой флегмы. В результате ускоряется массовый и тепловой обмен между фазами. Но, после прохождения пара через одну ФТ равновесия еще не будет, потому что КПД данного элемента колеблется в пределах от 50% до 60%. Таким образом, чтобы получить равновесное состояние фаз, которое бы соответствовало одной теоретической тарелке (ТТ), надо поставить две ФТ. Это значит что, если по расчету требуется колонна на 40ТТ, то в действительности в нее надо ставить 80ФТ.
Установки для ректификации бывают непрерывные и периодические.
В первых жидкая смесь все время подается в колонну, и также постоянно из нее выводятся разделенные ингредиенты. Во вторых в куб сразу загружается определенное количество смеси, после чего аппарат работает до полной ее переработки.
В бытовых устройствах в качестве ректификационной колонны используется царга. Это труба диаметром от 30мм до 50мм, заполненная по всему объему насадками. Чтобы последние не высыпались, по краям ставят проницаемые для пара и капель пыжи. Состояние равновесия фаз достигается в том случае, когда пар проходит через некоторый слой царги, эквивалентный одной ТТ. Его высоту рассчитывают в миллиметрах и называют высотой единицы переноса.
Главные особенности ректификации: выделение нужного ингредиента в чистом виде и возможность разделения исходной смеси сразу на несколько компонентов. Чем выше колонна, тем медленнее идет процесс, но тем чище конечный продукт.
Процессы в виноделии
В отрасли изготовления алкогольных напитков, разница между дистиллированным и ректифицированным спиртом объясняется следующим образом. Дистиллят – это сырье, в котором остается органолептика (вкус и запах) исходного продукта. То есть, если делается напиток зерновой, то зерна, если яблочный – яблока и так далее. При этом в дистиллированном этиловом спирте еще есть множество примесей. Часть из них формируют вкус и запах. От прочих избавляются с помощью различных рецептов. Ректификат – это рафинированно очищенный спирт. Органолептика исходного продукта полностью отсутствует. В нем вкус и запах только спирта, и больше – ничего. На следующих стадиях технологического процесса, с помощью вкусовых добавок и ароматизаторов, в него вносят заданную органолептику, после чего получают широкий ассортимент наливок, настоек и прочего.
Исходя из этого, нельзя говорить, что один способ лучше, а другой – хуже. У каждого свое предназначение. Если, например, делается бренди со вкусом и ароматом винограда, то нужна дистилляция. После ректификации указанные особенности исчезнут. Для получения приятного аромата, дистиллированный спирт выдерживают в дубовых бочках. А для ректифицированного 96%-го спирта это бесполезно, он годится лишь для разведения, например, при изготовлении водки. К этому еще можно добавить, что оборудование для ректификации спирта стоит дороже, чем для дистилляции. К тому же, для проведения ректификации требуется дистиллированная брага.
Теоретические основы дистилляции
В смеси, состоящей из двух ингредиентов (одним из которых является жидкость, как основа раствора), концентрация растворенного вещества в жидкости С1 отличается от концентрации С2 его же в паре этой жидкости. Коэффициент разделения (распределения)
является характеристикой процесса. В некоторых случаях удобней работать с обратной величиной: А = 1 / В, которая называется так же. Данный параметр зависит от условий проведения дистилляции и природы веществ, составляющих смесь.
В зависимости от условий, коэффициент В может быть:
Идеальный. На него влияют только парциальные давления ингредиентов смеси (парциальным называется давление отдельно взятого газа, входящего в смесь из нескольких газов; то есть, это давление одного газа, которое у него было бы, если бы он занимал весь объем, который занимает смесь газов).
Равновесный. В этом случае число молекул газа Н, улетучивающихся из жидкости, равно числу его молекул Н1, которые возвращаются в жидкость за то же время.
Эффективный.
На практике на проведение дистилляции влияют перемешивание раствора и наличие в нем примесей. Присутствие последних может оказаться настолько значительным, что по разделению основного вещества и примесей эффективный коэффициент может очень сильно отличаться от идеального.
Не менее важными параметрами процесса являются температура испарения и степень отклонения системы от фазового равновесия между жидкостью и паром. Во время дистилляции:
Где НС – число молекул, переходящих в конденсат. Количественно отклонение определяется соотношением: НС / Н. В этом случае есть два предельных состояния системы. Если НС = 0, то имеет место равновесие, сколько частиц ушло из жидкости за единицу времени, столько же в нее и вернулось. Если НС = Н, то это молекулярная дистилляция, то есть, все частицы, испарившиеся из жидкости, перешли в конденсат. Обычно такое бывает, если процесс проводится в вакууме, давление пара небольшое, а расстояние от поверхности воды до точки конденсации минимальное. В этом случае частицы пара не сталкиваются, ни с молекулами воздуха, ни между собой.
Виды дистилляции
Описанный в начале статьи процесс, при котором жидкость нагревается и частично испаряется, а ее пары непрерывно отводятся в холодильник и там конденсируются, называется простой перегонкой. При работе с многокомпонентной жидкой смесью, применяется дробная перегонка или фракционная дистилляция. В этом случае ингредиенты смеси собирают в конденсат по частям, в зависимости от их летучести, начиная с самого низкокипящего.
Ректификация многими специалистами считается разновидностью дистилляции. Она происходит за счет того, что любая замкнутая система, состоящая из газа и жидкости, стремится к состоянию равновесия. А при ректификации рабочая (фактическая) концентрация ингредиентов паровой фазы отличается от той, которая должна быть, чтобы данная жидкость находилась в равновесии.
Дистилляция и ректификация – это два способа разделения компонентов жидкой смеси, в основе которых лежит один и тот же физический процесс. Но разные технологии их проведения позволяют получить на выходе совершенно различные результаты.
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.
В результате дистилляции мы получаем самогон, а не спирт. Даже после многократных перегонок в нем все равно останется немного сивушных масел и других примесей. Сейчас в продаже есть ректификационные колонны, и делать чистый спирт дома стало легко. Так почему самогонщики продолжают выбирать дистилляторы?
Дистилляция – это испарение жидкостей (например, спиртосодержащей браги), охлаждение и конденсация пара. Ректификация – это отделение спирта в процессе многократного теплообмена между спиртосодержащими жидкостью и паром. В процессе дистилляции мы получаем самогон – более или менее крепкую жидкость, содержащую спирт, воду и небольшое количество примесей. В процессе ректификации мы получаем чистый спирт практически без примесей.
Дистиллят, даже самый чистый, содержит примеси. В ректификате примесей практически нет.
Казалось бы, чистый спирт всегда лучше. Для того и занимаемся самогоноварением, чтобы пить чистые напитки. Спирт можно разбавить и получить водку, можно настоять на ягодах или травах. Значит, делаем простейшую сахарную брагу, строим , гоним спирт и используем как основу для приготовления напитков без сивушных масел и ацетона. И будет нам счастье.
На основе ректификата можно готовить водку, наливки, настойки и ликеры.
Но не все так просто. Возьмем, например, коньяк – ароматный напиток, сделанный методом возгонки из виноградного вина. Откуда берется его аромат? Это и есть сивушные масла, изначально содержащиеся в вине. Если вино ректифицировать, отобрав все примеси, мы получим очень чистый, но безликий спирт. Если вино дистиллировать, сохранив в процессе перегонки ароматические вещества, получится основа для приготовления коньяка. Конечно, ее еще нужно выдержать в специально подготовленной , но главное – основа из правильного материала. Из спирта-ректификата “коньяк” можно получить, только добавив .
Примеси – это не только опасный метанол, но и ароматические вещества, которые создают запах коньяка или виски.
Конечно, для приготовления хорошего коньяка дистиллят все равно требуется очищать от головной фракции, в которой не содержится ничего вкусного и полезного. И начать отбор хвостовой фракции для хорошнего результата тоже нужно вовремя. В городе Коньяк во Франции этим занимаются настоящие мастера дистилляции, тонко чувствующие, когда отобрать самую лучшую часть дистиллята. Но и простой смертный может научиться этому, если будет настойчив в пробах.
Со временем винокур приобретает необходимый опыт и отбирает питейную часть, отсекая все вредное и сохраняя аромат зерна, яблок или винограда в напитке.
Выводы. Выбор оборудования сводится к выбору между напитками. Что вы больше любите – виски или водку? Кальвадос или абсент? Чачу или наливки? Если вы везде выбрали первое – вам нужен дистиллятор. Для второго берите ректификационную колонну. Ваш Алковод.
Дистиллированная или очищенная вода получается путём перегонки воды в кубе. Аппарат называют ещё и по названию процесса - дистиллятор. Нагревают жидкость, пары, оседая в конденсаторе, избавляются от примесей.
Если дважды прогнать жидкость, на выходе получат бидистиллят. Только для изготовления его используют другую установку - кварцевый аппарат. Вещество отличается полным очищением от солей. В такой воде ничего полезного для здоровья человека нет.
Применение очищенной воды
Дистиллят используют для приготовления различных веществ или соединений в научной деятельности, химической промышленности и фармакологии. Для контроля продукции в каждой лаборатории предприятия применяют воду, полученную при дистилляции.
Область применения бидистиллята меньше. Продукт перегонки используют при работе с веществами особой чистоты.
Дистилляция при изготовлении алкоголя
Процесс дистилляции происходит и в быту, когда цель - получение самогона из браги. Её прогоняют через аппарат. Жидкость нагревают, испаряются газообразные соединения спирта. В конденсаторе змеевидного типа при перегонке на главной стадии дистилляции происходит обратный процесс: пары превращаются в самогон. В нём содержатся сивушные масла.
Примеси удаляют добавлением кристаллов марганца. Вещество, вступая в реакцию с соединениями, выпадает в осадок чёрного цвета. Жидкость фильтруют, затем самогон можно использовать по назначению.
Некоторые недобросовестные производители перебивают полученный спирт после перегонки ароматизирующими добавками или очищают химикатами. Качество такого самогона самое низкое. Употребляя её, люди наносят вред здоровью.
Другой метод избавления от примесей - дополнительная перегонка. Процесс позволяет изготовить не только очищенный спирт, но и увеличить крепость.
Изготовление водки
Водка изготавливается по сложной технологии ректификации, когда отгоняемый продукт разделяют на фракции. Теоретически дистилляция и ректификация отличается сложной технологической схемой производства.
- Спирт очищают в специальных фильтрах древесным углем от примесей, главное, в получении качественной продукции - это этап ректификации.
- В качестве основного сырья выступает пшеница. Для создания сусла используются также зерновые и бобовые культуры: ячмень, просо, кукуруза, горох.
- Злаки тщательно измельчают. Муку добавляют в специальные колонны, куда поступает и очищенная вода. В жидкости убирают соли с помощью молекулярной и ультрафиолетовой очистки. Применение дистиллята не допускается! Он портит вкус конечного спиртового продукта, делая его жёстким.
- В колоннах сусло подогревают под давлением. На следующем этапе заваренную массу подают в чаны, куда добавляют дрожжи. Происходит процесс ферментации и превращения смеси в брагу.
Жидкость подаётся в перегоночную колонну для получения спирта-сырца. Задача следующей ректификационной колонны - очистка. На стадии технологической цепочки становится ясно, чем отличается дистилляция от ректификации.
Температура кипения спирта 78 градусов, воды - 100. Свойство химического органического соединения используют для разделения на части. Каждая фракция отгоняемого спирта с определённым составом поступает в специальную ёмкость.
- С этанолом связан отбор фракций при ректификации. Первые капли жидкости с неприятным запахом и вредными веществами при отгонке бракуют. Их называют ещё «голова» или «первач». Они отделяются при более низких температурах.
- «Тело» - средняя фракция практически без запаха. При температуре 90-95 градусов происходит отгонка. Ректификованный спирт имеет крепость 37-45 %.
- «Хвост» представляет собой последнюю фракцию, где оставшиеся вещества - сивушные масла. Они переходят при ректификации в конечный продукт. Отличие этой части от средней фракции в характерном резком запахе. При перегонке важно проследить заключительную стадию, чтобы не отогналось «тело» с вредными соединениями.
Отсюда отличие промышленного производства водки от изготовления в быту. Скрупулёзное следование технологии ректификации позволяет получить чистый спирт. Отличие его от дистиллята в отсутствии примесей. В ректифицированный продукт вносят органолептику, помещая его в бочки из древесины, чаще дуба.
В домашнем виноделии нужно определить для себя задачу: добиться напитка чище слезы или получить настойку с ароматом калгана, других трав и даже букета, сделав домашний коньяк. Последний вариант позволяет ощутить вкус и аромат настойки.
Но иногда при изготовлении алкогольных напитков требуется, чтобы оставались органолептические свойства: аромат, консистенция, цвет. При создании кальвадоса - яблочного и грушевого бренди используют сидр, который получают только из фруктов.
Процессы дистилляции и ректификации применяют при производстве спиртных напитков, в фармацевтической промышленности, науке. Несмотря на различия, они востребованы и имеют достоинства.
Внимание - ректификат вызывает зависимость!
Как видите изготовление спиртов таит в себе нюансы и весомые отличия. А как думаете, чем отличается исходное сырьё .
Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой получаемый дистиллят имеет усреднённый состав вследствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является дистиллят 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.
Энциклопедичный YouTube
1 / 4
✪ 7.4.Дистилляция часть-4 вторичная дробная дистилляция
✪ Вакуумная дистилляция Часть 1
✪ 7.2. Дистилляция часть-2 первичная дистилляция
✪ 7.3. Дистилляция часть-3 первичная дистилляция
Субтитры
История
Первые сведения о дистилляции относятся к I веку и упоминаются в работах греческих алхимиков в Александрии (Египет) . В XI веке, у Авиценны , дистилляция упоминается как метод получения эфирных масел . C середины XIX века разрабатывается ректификация .
Применение
Теория дистилляции
В теории дистилляции в первую очередь рассматривается разделение смесей двух веществ . Принцип дистилляции основан на том, что концентрация некоторого компонента в жидкости отличается от его концентрации C 2 {\displaystyle C_{2}} в паре этой жидкости. Отношение β {\displaystyle \beta } = C 2 / C 1 {\displaystyle C_{2}/C_{1}} является характеристикой процесса и называется коэффициентом разделения (или распределения) при дистилляции. (Также коэффициентом разделения при дистилляции называют величину α=1/β). Коэффициент разделения зависит от природы разделяемых компонентов и условий дистилляции. В зависимости от условий дистилляции различают идеальный (определяемый только парциальными давлениями паро́в чистых компонентов), равновесный (когда число частиц, покидающих в единицу времени жидкость, равно числу частиц, возвращающихся в это же время в жидкость) и эффективный коэффициенты разделения. Практически дистилляция веществ сильно зависит от интенсивности перемешивания жидкости, а также от взаимодействия примесей с основным компонентом и с другими примесными компонентами с образованием соединений (в связи с чем дистилляция считается физико-химическим процессом). Эффективный коэффициент разделения смеси «основное вещество - примесь» может на несколько порядков отличаться от идеального коэффициента разделения.
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, n 1 {\displaystyle n_{1}} - число частиц, возвращающихся в это же время из пара в жидкость, n c {\displaystyle n_{c}} - число частиц, переходящих в это время в конденсат. Отношение n c {\displaystyle n_{c}} /n является показателем отклонения процесса от равновесного. Предельными являются режимы, в которых n c {\displaystyle n_{c}} =0 (равновесное состояние системы жидкость-пар) и n c {\displaystyle n_{c}} =n (режим молекулярной дистилляции).
Идеальный коэффициент разделения двухкомпонентного вещества может быть выражен через давления p 1 0 {\displaystyle p_{1}^{0}} и p 2 0 {\displaystyle p_{2}^{0}} чистых компонентов при температуре процесса: β i {\displaystyle \beta _{i}} = p 2 / p 1 {\displaystyle p_{2}/p_{1}} . С учётом коэффициентов активности компонентов γ 1 {\displaystyle \gamma _{1}} и γ 2 {\displaystyle \gamma _{2}} , отражающих взаимодействие компонентов в жидкости, равновесный коэффициент β = γ 2 p 2 0 / γ 1 p 1 0 {\displaystyle \beta =\gamma _{2}p_{2}^{0}/\gamma _{1}p_{1}^{0}} . Коэффициенты активности имеют температурную и концентрационную зависимости (см. активность (химия)). С понижением температуры значение коэффициента разделения обычно удаляется от единицы, то есть эффективность разделения при этом увеличивается.
При n c {\displaystyle n_{c}} =n все испаряющиеся частицы переходят в конденсат (режим молекулярной дистилляции). В этом режиме коэффициент разделения β m = β M 1 / M 2 {\displaystyle \beta _{m}=\beta {\sqrt {M_{1}}}/{\sqrt {M_{2}}}} , где M 1 {\displaystyle M_{1}} и M 2 {\displaystyle M_{2}} - молекулярные массы первого и второго компонентов соответственно. Определение молекулярного режима дистилляции возможно по величине N=h/(Kλ), где h - расстояние от испарителя до конденсатора, λ - длина свободного пробега молекул дистиллируемого вещества, K - константа, зависящая от конструкции аппарата. При N<0,25 наблюдается молекулярное испарение, при N>4 между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие, а при других значениях N испарение имеет промежуточный характер. 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 β=1, - азеотропных смесей , включая смеси изотопов .
Для различных режимов дистилляции выведены уравнения, связывающие содержание второго компонента в конденсате C / C 0 {\displaystyle C/C_{0}} и в остатке с долей перегонки G / G 0 {\displaystyle G/G_{0}} или с долей остатка при заданных условиях процесса и известной начальной концентрации жидкости ( G {\displaystyle G} , G 1 {\displaystyle G_{1}} и G 0 {\displaystyle G_{0}} - 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 β 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 G 1 / G 0 {\displaystyle G_{1}/G_{0}} , C 1 {\displaystyle C_{1}} и C 0 {\displaystyle C_{0}} , когда используются концентрации в процентах, имеет вид:
L g G 1 G 0 = 1 β − 1 l g C 1 C 0 − β β − 1 l g 100 − C 1 100 − C 0 {\displaystyle lg{\tfrac {G_{1}}{G_{0}}}={\tfrac {1}{\beta -1}}lg{\tfrac {C_{1}}{C_{0}}}-{\tfrac {\beta }{\beta -1}}lg{\tfrac {100-C_{1}}{100-C_{0}}}} .
Для дистилляции с конденсацией пара в жидкость при малом содержании примеси
C / C 0 = 1 − (1 − G / G 0) β G / G 0 {\displaystyle C/C_{0}={\tfrac {1-(1-G/G_{0})^{\beta }}{G/G_{0}}}} ,
C 1 / C 0 {\displaystyle C_{1}/C_{0}} = (G 1 / G 0) β − 1 {\displaystyle (G_{1}/G_{0})^{\beta -1}} ,
где β - отношение концентраций примеси в паре и в жидкости.
Приведённые дистилляционные уравнения описывают не только процессы равновесия компонентов в системах газ-жидкость, но и при описании распределения компонентов двух контактирующих фаз при интенсивном перемешивании (например, 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 разделения. Зачастую они пригодны для теоретического описания сублимации - прежде всего, при температуре вблизи температуры плавления.
Дистилляция с конденсацией пара в жидкость
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 колонне . В результате этого примеси, содержащиеся в паре, частично переходят во флегму и возвращаются в куб, при этом чистота пара (и конденсата) повышается.
Дистилляция с конденсацией пара в твёрдую фазу
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 дистилляции соотношение между количествами Q 1 {\displaystyle Q_{1}} и Q 2 {\displaystyle Q_{2}} осаждённых в конденсаторе первого и второго компонентов, соответственно, выражается равенством:
Q 1 / Q 2 = (μ η 1 W 1 0 − W 1) / (μ η 2 W 2 0 − W 2) {\displaystyle Q_{1}/Q_{2}=(\mu \eta _{1}W_{1}^{0}-W_{1})/(\mu \eta _{2}W_{2}^{0}-W_{2})} ,
где W 1 0 {\displaystyle W_{1}^{0}} и W 1 {\displaystyle W_{1}} - скорости испарения первого компонента из расплава и с поверхности реиспарения соответственно, W 2 0 {\displaystyle W_{2}^{0}} и W 2 {\displaystyle W_{2}} - то же для второго компонента, η 1 {\displaystyle \eta _{1}} и η 2 {\displaystyle \eta _{2}} - 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:
C / C 0 = β (1 − x / L) β − 1 {\displaystyle C/C_{0}=\beta (1-x/L)^{\beta -1}} ,
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 (то есть 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
C / C 0 = 1 − (1 − β) e x p (− β {\displaystyle C/C_{0}=1-(1-\beta)exp(-\beta } x / λ) {\displaystyle x/\lambda)} ,
где С - концентрация примеси в конденсате на расстоянии х от начала конденсата, λ - длина жидкой зоны.
Девятых Г. Г., Еллиев Ю. Е. Введение в теорию глубокой очистки веществ. - М.: Наука, 1981. - 320 с.
