Перегонка с водяным паром
К перегонке с водяным паром прибегают при необходимости очистки или выделения из реакционной смеси нерастворимых или труднорастворимых в воде высококппящих органических соединений. Преимущества этого метода перед обычной перегонкой или перекристаллизацией особенно ярко проявляются в тех случаях, когда очищаемый продукт загрязнен большим количеством смолистых примесей или разлагается при температуре кипения даже под вакуумом.
Простейшая установка для перегонки с водяным паром изображена на рис. 72. При ее сборке следует руководствоваться следующими рекомендациями.
1. Трубка для водяного пара должна доходить почти до дна перегонной колбы. Весьма желатель-
Pис. 72. Установка для перегонки с водяным паром: 1 — парообразователь; 2— водомерное стекло; 3—предохранительная барометрическая трубка; 4— сборник конденсата; 5 — перегонная колба; 6 — оар-ботер; 7— нагревательная баня; 4'— теплоизоляция; 9— пружинки; 10-алоиж; 11— приемный сосуд.
но, чтобы трубка оканчивалась небольшим утолщением со множеством мелких отверстий — барботером. При использовании обычной трубки без барботера пар проходит через жидкость крупными пузырями и не успевает полностью насыщаться парами перегоняемого вещества. Расход пара оказывается неоправданно большим, а скорость перегонки весьма невысокой. В приемнике собирается много лишней воды.
2. Чтобы брызги перегоняемой жидкости не попадали с паром в отводную трубку, выбирают кругло-донную длинногорлую колбу и устанавливают ее с небольшим наклоном к парообразователю. Перегоняемый раствор должен занимать не более '/з объема колбы.
3. При отсутствии центральной паровой линии водяной пар получают в металлическом парообразователе («паровике»), снабженном водомерным стеклом и предохранительной трубкой. Последняя должна быть плотно вставлена в горло «паровика» на резиновой пробке и доходить почти до его дна. Длина предохранительной трубки должна быть не менее 70—80 см. Трубка играет роль предохранительного клапана. При повышении давления в системе (например, если в холодильнике образовалась «пробка» твердого продукта) вода из паровика выбрасывается через трубку. Работать без предохранительной трубки категорически запрещается.
Если пар берут из центральной паровой линии, перед перегонной колбой обязательно помещают предохранительный сосуд с трубкой, который отличается от паровика только дополнительным патрубком для ввода пара.
4. Пар из центральной паровой линии или полученный в паровике всегда несет с собой некоторое количество воды, которую перед введением пара в колбу следует отделить. Для этой цели в резиновый шланг непосредственно перед барботером вставляют стеклянный тройник, снабженный винтовым зажимом, с помощью которого периодически спускают накопившийся конденсат.
5. Скорость подачи пара, а значит и скорость перегонки, ограничивается в основном мощностью холодильника. Если перегонке подвергают твердое
вещество, которое может застыть при охлаждении, предпочтительнее применять холодильники Лнбнха с прямой широкой внутренней трубкой. Иногда для обеспечения высокой скорости перегонки приходится соединять последовательно несколько холодильников. Применение алонжа в таких случаях необязательно. Приемники, в качестве которых могут служить обычные химические стаканы или широкогорлые колбы, подставляются прямо под форштосс холодильника. По мере накопления в холодильнике застывшего продукта следует периодически прекращать подачу охлаждающей воды, не допуская образования плотной пробки. Как только вещество расплавится, охлаждение немедленно возобновляют. Для соединений, имеющих температуру плавления выше 100 OC, этот прием может оказаться малоэффективным. В таких случаях целесообразно использовать установку, аналогичную изображенной на рис. 70, но с холодильником Лпбпха, имеющим широкую внутреннюю трубку. Вертикальное расположение холодильника позволяет при необходимости проталкивать застывший продукт с теклянной палочкой или проволокой. Если продукт, плавящийся выше 100 OC, хорошо отгоняется с водяным паром и приемник не приходится менять слишком часто, конденсацию паров удобно производить в охлаждаемой двухгорлой колбе, как и в приборе для простой перегонки твердых веществ (см. рис. 71). В некоторых случаях такая конструкция установки единственно приемлемая. При перегонке с паром жидкостей следует использовать шариковые, змеевиковые и другие эффективные холодильники.
6. Во время сборки установки следует иметь в виду, что при большом расходе пара внутри перегонной колбы создается некоторое избыточное давление. Поэтому если установку собирают на резиновых пробках, они должны быть вставлены достаточно плотно. В случае применения нормальных конусных шлифов их обязательно уплотняют тугими пружинками. Отводная трубка перегонкой колбы и внутренняя трубка холодильника должны иметь диаметр по крайней мере не меньше, чем у трубки для подвода пара.
Прежде чем подавать пар в перегонную колбу смесь воды и перегоняемого вещества в ней нагревают почти до температуры кипения, иначе за счет конденсации пара в колбе соберется очень много жидкости, что затруднит перегонку. В процессе перегонки, если это необходимо, перегонную колбу не прекращают нагревать, причем интенсивность нагревания регулируют таким образом, чтобы объем жидкости в колбе оставался на начальном уровне (примерно 1/з объема колбы).
Перегонку считают законченной лишь после того, как из холодильника начнет вытекать чистая вода. Если заранее известна растворимость перегоняемого вещества в воде, то в отдельном приемнике собирают определенную порцию чистого водяного отгона.
Прекращение перегонки и раэбор установки обязательно начинают с того, что открывают зажим или трехходовой кран для соединения паровой линии с атмосферой. Если этого не сделать, массу из перегонной колбы может засосать в паропроводящую трубку.
Если с паром перегонялась жидкость, то она собирается под или над водным слоем. Ее отделяют от воды в делительной воронке и в зависимости от природы вещества подвергают дальнейшей обработке. Кристаллические вещества отделяют от воды фильтрованием.
В тех случаях, когда целевой продукт хотя бы слабо растворим в воде, перед его отделением конденсат снаружи охлаждают льдом. После отделения вещества водный раствор смешивают с собранным в' конце перегонки водным отгоном, а чтобы еще выделить дополнительное количество вещества, прибегают к высаливанию. Оно заключается в том, что после отделения выпавшего продукта в водном конденсате растворяют такое количество поваренной соли, чтобы получился почти насыщенный ее раствор, Выделение вещества происходит в результате уменьшения его растворимости в растворе соли по сравнению с растворимостью в воде.
Иногда целевой продукт экстрагируют из водного раствора подходящим растворителем.
Следует отметить, что для перегонки с водяным паром совсем не обязательно подавать пар в перегонную колбу извне; он может быть получен и в самой колбе. Для этого перегонке подвергают смесь очищаемого вещества и достаточного количества воды. Установку в этом случае используют такую же, как и для простой перегонки, только перегонную колбу следует взять с длинным горлом. При необходимости воду можно добавлять в колбу через капельную воронку, которую вставляют вместо термометра. Этот прием используют для перегонки малых количеств вещества, а также в тех случаях, когда продукт хорошо отгоняется с водяным паром и для его перегонки требуется не очень большое количество воды. Разновидностью описанного процесса является перегонка с перегретым водяным паром. Рост температуры подаваемого пара резко повышает производительность операции и особенно рекомендуется для перегонки с паром малолетучих веществ. Процентное содержание таких соединений в дистиллате увеличивается в десятки раз при использовании пара с температурой около 150°С и в сотни раз — при повышении температуры пара до 200 °С. Разумеется, к этому приему можно прибегать только в тех случаях, когда нет опасности разложения вещества при повышенной температуре.
С целью получения перегретого пара его пропускают через пароперегреватель — медный змеевик, помещенный в нагретую до нужной температуры масляную баню. Перегонную колбу также как можно глубже погружают в жидкостную баню, которую нагревают на несколько градусов выше температуры пара. Подавать пар в необогреваемую колбу не имеет смысла: он неизбежно остынет и перегонки с перегретым паром не получится. Для упрощения установки можно расположить колбу и змеевик в одной бане. Трубка, по которой проходит перегретый пар, а также горло перегонной колбы должны быть тщательно изолированы, например асбестовым шнуром. Не следует забывать, что если перегонку проводят при температуре выше 140 °С, пары должны поступать вначале в воздушный и только затем в водяной холодильник, который может лопнуть.
Можно проводить перегонку с перегретым паром и по упрощенной методике, хотя она и менее эффективна: до температуры выше 100 °С нагревают только колбу с веществом, а водяной пар подают в нее прямо из «паровика». Перегрев пара в этом случае происходит непосредственно в перегонной колбе.
Если низкая летучесть вещества с водяным паром обусловлена заметной его растворимостью в воде, эффективность перегонки можно увеличить по крайней мере в несколько раз, добавляя в перегонную колбу минеральные соли, например хлорид натрия. Эффект добавки тем заметнее, чем выше концентрация соли. Увеличение содержания перегоняемого продукта в паровой фазе при добавлении хлорида натрия обусловлено не только уменьшением растворимости вещества в воде, но также повышением температуры кипения смеси. Смесь органических соединений с различным основным или кислым характером удается разделить перегонкой с паром, меняя рН среды, т. е. добавляя к перегоняемой смеси минеральную кислоту (например, серную или фосфорную) или щелочь. При этом кислоты отгоняются из кислых растворов, а основания — из щелочных.
см. также