Равновесие жидкость - газ для смеси соединений

Распределение компонентов смеси А и В между жидкостью и паром ха­рактеризуется коэффициентом относительной летучести:

где x _А и х_в - содержание компонентов А и В в жидкости, у_А и у_в - в об­разующемся из нее паре.

Состав пара определяется свойствами и межмолекулярными взаимо­действиями компонентов. При небольших давлениях, когда пар с доста­точной точностью подчиняется законам идеальных газов, в состоянии равновесия

где р_А0 и р_B0 - давление паров чистых компонентов А и В при температуре кипения смеси, g_А и g_B - коэффициенты активности этих компонентов в жид­кой фазе, приблизительно пропорциональные их молярным концентрациям.

В паровой фазе содержание более летучего компонента тем больше, чем сильнее различаются упругости паров чистых компонентов. Важно отдавать себе отчет в том, что если жидкость содержит очень малые количества более летучего компонента, он может и не быть основным компонентом газовой фазы.

Если коэффициент относительной летучести достаточно велик, вещества могут быть разделены методом перегонки - постепенным нагреванием смеси соединений с отбором фракций, соответствующих разным темпе­ратурам. Отметим, что для эффективного разделения веществ, основан­ного на их различной летучести, необходимо обеспечивать равновесие между жидкой и газовой фазами. Однако простая перегонка - процесс неравновесный. Поэтому для эффективного разделения смесей необходимо использовать ректификацию.

При выполнении практических задач для выделения некоторых соединений будет использоваться простая перегонка. Она достаточно эффективна, если температуры кипения целевого соединения и примесей различаются хотя бы на 50 °С - и даже в этом случае приходится собирать весьма значительное количество промежуточной фракции, содержащей оба компонента.

Ректификация - процесс разделения, также основанный на разнице в температурах кипения, однако в этом случае в отличие от простой пе­регонки многократно достигается равновесие между жидкой и газовой фазами. Ректификация намного эффективнее простой перегонки. Однако без использования специального оборудования проведение ректификации требует значительных затрат времени, так как проводится с невысокой скоростью. Для проведения ректификации используют колонки различной конструкции, эффективность которых непосредственно связана со ско­ростью перегонки.

Для сравнительной оценки различных колонок для ректификации вво­дится понятие теоретической тарелки. Высота колонки, эквивалентная теоретической тарелке, обозначается как ВЭТТ. Для данной колонки и для данной скорости перегонки ВЭТТ - это высота, на которой достигается равновесие между паром и жидкой фазой. Наглядно колонку можно пред­ставить как совокупность расположенных одна над другой обогреваемых парами тарелочек, в которых конденсируется и стекает обратно дистиллят, причем для каждой из них достигается равновесие пар-жидкость. С уве­личением скорости перегонки ВЭТТ также увеличивается, т. е. эффек­тивность разделения на одной и той же колонке падает. При проведении ректификации необходимо учитывать, что эффективными и позволяющими проводить ректификацию с приличной скоростью являются специальные типы колонок¹. Эффективность традиционно используемой в лаборатор­ной практике колонки Вигре (дефлегматор «елочка») лишь незначительно отличается по эффективности от обычной прямой трубки (для перегон­ки со скоростью 400 мл/ч при диаметре 24 мм ВЭТТ обычной трубки составляет 15 см, а колонки Вигре - 9 см). Необходимость использования специальных колонок и насадок для ректификации ограничивает ее широ­кое использование в органическом практикуме. По этой причине в настоя­щем пособии ректификация подробно обсуждаться не будет, а желающие ознакомиться с теоретическими основами и практическими приемами по ее осуществлению могут обратиться к дополнительной литературе.