Дистилляция — разделение смесей испарением¶

Дистилляция — метод разделения жидких смесей, основанный на различии в летучести (давления пара) компонентов. Метод заключается в испарении смеси с последующей конденсацией образовавшегося пара, что позволяет разделять вещества по их температурам кипения. Дистилляция — один из старейших и наиболее распространённых способов очистки и разделения в химической технологии, лабораторной практике, пищевой промышленности и нефтепереработке.

¶Принцип метода

При нагревании жидкой смеси каждый компонент испаряется с интенсивностью, зависящей от его давления пара. Если компонент А имеет более низкую температуру кипения, чем компонент Б, то пар над смесью будет обогащён компонентом А. Конденсируя этот пар, получают дистиллят — очищенную фракцию.

Полнота разделения зависит от разницы давлений паров компонентов. Если температуры кипения различаются более чем на 25 °C, разделение обычно эффективно. Если разница мала, простая одноступенчатая дистилляция не даёт хорошего результата — применяют многократную перегонку (рефлюксные колонны).

¶Виды дистилляции

• Простая (однократная) перегонка. Смесь испаряют, пар конденсируют. Подходит для разделения компонентов с большой разницей температур кипения, например для получения дистиллированной воды из воды с нелетучими примесями.
• Фракционная дистилляция. Многократное испарение и конденсация в колонне с тарелками или насадкой. Каждая ступень эквивалентна отдельной простой перегонке. Основной промышленный метод: применяется для разделения нефти, воздуха, спиртовых бродильных сусел.
• Вакуумная дистилляция. Проводится при пониженном давлении, что снижает температуру кипения компонентов. Используется для веществ, разрушающихся при высокой температуре (тяжёлые фракции нефти, некоторые органические соединения).
• Паровая дистилляция. Через смесь пропускают водяной пар, что позволяет выделять малолетучие вещества (эфирные масла, алкалоиды) при температуре ниже 100 °C, не разрушая их.
• Экстрактивная дистилляция. В смесь вводят посторонний растворитель, изменяющий относительную летучесть компонентов. Применяется для разделения азеотропных смесей.
• Реактивная дистилляция. Реакция и разделение продуктов происходят одновременно в колонне. Сдвигает химическое равновесие по принципу Ле-Шателье, повышая выход продукта.
• Мембранная дистилляция. Пар проходит через гидрофобную мембрану, разделение основано на переносе пара через поры.

¶Азеотропы

Азеотропная смесь — такая смесь, пар которой имеет тот же состав, что и жидкость. Такие смеси нельзя разделить простой дистилляцией. Классический пример — этанол и вода образуют азеотроп с 95,6 % спирта при 78,2 °C. Для получения абсолютного спирта применяют азеотропную дистилляцию с добавлением бензола или иного компонента, либо молекулярные сита.

¶Аппаратура

В лаборатории для простой перегонки используют перегонный куб, дефлегматор (холодильник), приёмник. Температуру контролируют термометром на выходе из дефлегматора. Фракционная дистилляция проводится в колонках Вюрца, Вигрё, Панченкова, промышленных ректификационных колоннах высотой до десятков метров.

¶Применение

• Нефтепереработка. Фракционная перегонка нефти разделяет её на бензин, керосин, дизельное топливо, мазут. Основа работы нефтеперерабатывающих заводов.
• Химическая промышленность. Очистка растворителей, мономеров, мономеров, получение высокопрочных кислот и оснований.
• Пищевая промышленность. Производство крепких алкогольных напитков (водка, виски, бурбон), эфирных масел.
• Энергетика. Разделение воздуха на кислород и азот (криогенная дистилляция при −190 °C).
• Лабораторная практика. Очистка растворителей, получение дистиллированной воды.

¶Дистилляция воды

Дистиллированная вода получается испарением и конденсацией, что удаляет соли, органические примеси и нелетучие загрязнения. Применяется в аккумуляторах, медицине, приготовлении реактивов, увлажнении помещений. В быту распространены настольные дистилляторы и дистилляционные фильтры.

¶История

Процессы, аналогичные дистилляции, известны с античности: Гесиод, Теофраст и Аристотель описывали получение пресной воды из морской. Арабские алхимики VIII–X века (Джабир ибн Хайян, аль-Рази) усовершенствовали аламбик — перегонный аппарат. В Европу технология пришла через Испанию в XII–XIII веках. Термин «дистилляция» происходит от латинского distillare — «стекать каплями». В XVII–XVIII веках метод получил развитие в связи с производством спирта и минеральных кислот. Ректификационные колонны появились в XIX веке, что сделало промышленную фракционную дистилляцию массовым процессом.

¶Ограничения

Дистилляция энергоёмка: испарение требует значительных затрат тепла. Метод неприменим для разделения твёрдых тел и неэффективен для смесей с близкими температурами кипения без использования рефлюкса. Для таких случаев в химической технологии применяют кристаллизацию, экстракцию, хроматографию.

Источники:

• Ремизов А. М., Родионов А. И. «Дистилляция и ректификация»
• Касатушкин В. П. «Ректификация и абсорбция в промышленности органического синтеза»
• Туровский А. Б. «Ректификационные колонны»
• Perry's Chemical Engineers' Handbook
• Усов В. И. «Дистилляция и ректификация спиртсодержащих жидкостей»