Примечание 38

Точное (прецизионное) фракционирование

Существующие приемы фракционированной перегонки следует разделить на две группы: 1) методы дробного или последовательного фракционирования и 2) методы точного (прецизионного) фракционирования.
Оба эти метода отличаются друг от друга приемами, техникой выполнения операции, аппаратурой и результатами. Методика последовательного фракционирования описана в разделе 2.5.9в. В отличие от последней разделение компонентов при точном фракционировании производится в процессе однократной (реже — двукратной) перегонки, но с использованием значительно более эффективных колонок, снабженных головками полной конденсации. Наличие последних, помимо того что повышает общую эффективность колонок, позволяет производить отбор дистиллята с любой скоростью и при любом флегмовом числе и тем самым выбирать условия для несравненно более эффективного разделения компонентов смеси.

Старые приемы дробного фракционирования уже не могут считаться достаточно действенными. Еще в первой половине ХХ в. техника точного фракционирования обогатилась целым рядом высокоэффективных колонок, вполне доступных для изготовления в любой лаборатории, а также методами установления разделяющей способности колонок. Наличие последних позволяет критически подойти к оценке эффективности различных лабораторных дефлегматоров и колонок и решить вопрос о целесообразности дальнейшего применения тех или иных конструкций и типов.

Общая методика. Методика разделения смесей и выделения из них индивидуальных компонентов при помощи прецизионного фракционирования заключается в следующем. После того как при закрытом кране головки установится желаемый режим орошения, отмечают показание термометра и, приоткрыв кран головки, устанавливают определенное начальное флегмовое число (обычно применяют флегмовые числа, численно равные 2/3—4/3 числа теоретических тарелок используемой колонки). Если при этом термометр сразу не покажет повышения температуры паров, разгонку продолжают при данном флегмовом числе. Если же будет отмечено повышение температуры, то кран закрывают и при закрытом кране выдерживают 10—15 мин. на режиме полного орошения. Если по истечении этого времени на термометре не будет отмечено понижение температуры паров, кран открывают и разгонку продолжают при указанном флегмовом числе. Если же будет замечено понижение температуры, то это будет указывать, что при данном флегмовом числе колонка плохо разделяет компоненты. В этом случае устанавливают новое, более высокое флегмовое число и вновь проверяют аналогичным образом.

При надлежаще выбранном флегмовом числе и при условии, что эффективность колонки достаточна для разделения компонентов, понижения температуры паров при закрывании крана не должно происходить.
В тех случаях, когда эффективность колонки позволяет выделить компоненты в чистом виде, полученная кривая разгонки имеет характерные площадки.

Если при разгонке смеси были выделены в чистом виде компоненты, но при этом получилась большая переходная фракция, ее можно подвергнуть вторичной разгонке. При этом можно дополнительно выделить некоторые количества тех же компонентов.

В тех случаях, когда на данной колонке выделить компоненты в чистом виде не удается, для их выделения следует использовать более эффективные колонки. В отдельных случаях, правда, можно достичь такого разделения и при помощи указанной колонки, но только путем многократного дробного фракционирования.

Измерение эффективности колонок. Для определения эффективности лабораторных колонок различных типов и сравнения их разделяющей способности наиболее удобным, простым и доступным для обычных лабораторных условий является метод, заключающийся в определении Ч.Т.Т.

Под термином «теоретические тарелки» подразумеваются тарелки идеальной колонки, работающей при режиме полного орошения, и отвечающие теоретическому расчету фазового равновесия паров и жидкости на каждой тарелке. Высота рабочей части испытуемой колонки (в см), выполняющая работу, эквивалентную одной теоретической тарелке, носит название В.Э.Т.Т. Эффективность же всей колонки характеризуется числом теоретических тарелок, или, сокращенно, Ч.Т.Т.

Таким образом, для характеристики и сравнения колонок необходимо знать обе величины: общую эффективность, выраженную числом теоретических тарелок (Ч.Т.Т.), и «удельную», т.е. эффективность, отнесенную к единице длины рабочей части колонки, или, что равнозначно, высоту, эквивалентную одной теоретической тарелке (В.Э.Т.Т). В.Э.Т.Т. получается в результате деления высоты рабочей части колонки на ее общую эффективность (Ч.Т.Т.). Знание величины Ч.Т.Т. позволяет правильно и разумно подходить к выбору мощности колонки для разделения тех или иных смесей. Так, например, для полного разделения бензола и толуола (разница в т. кип. 30°) теоретически достаточно колонки эффективностью в 12 Т.Т. Применение в данном случае колонок эффективностью выше 15—18 Т.Т. уже нецелесообразно.

В.Э.Т.Т. характеризует «удельную» эффективность и позволяет сравнивать между собой колонки равной эффективности. При прочих равных качествах предпочтение всегда будет отдаваться тем колонкам, размеры которых наименьшие. Помимо удобства в работе, в них менее возможны каналообразования, которые сильно понижают их эффективность. Лучшие современные колонки обладают В.Э.Т.Т., равным приблизительно 1 см.

Следует отметить, что даже для колонок одного типа значения В.Э.Т.Т. непостоянны. Они, как правило, повышаются по мере увеличения высоты рабочей части. Отсюда следует, что стремление добиться повышения эффективности колонок путем простого увеличения их высоты не всегда бывает полностью оправдано. Так, например, по данным Казанского с сотрудниками, увеличение высоты колонки типа Подбельняка с 60 до 100 см позволило повысить Ч.Т.Т. лишь с 9 до 11 Т.Т., т.е. всего на 2 Т.Т. В.Э.Т.Т. при этом соответственно ухудшился с 6,7 до 9,1 см.

Для того чтобы установить максимальную эффективность колонки, определение Ч.Т.Т. производят при полном орошении (возврате флегмы), т.е. в условиях, когда кран закрыт и отгонки не происходит.

Для проведения испытания необходимо иметь колбу с боковым тубусом, к которому присоединяют отводную трубку, снабженную маленькими пробирками для отбора проб из колбы (рис. 170). К наружному концу этой трубки присоединяют каучуковый шланг, снабженный на конце хлоркальциевой трубкой.

Присоединив к колонке головку полной конденсации и колбу с боковым тубусом, в последнюю вносят 50—100 мл бинарной смеси и облегчители кипения (несколько кусочков пористой тарелки). Выбор бинарной смеси зависит от предполагаемой эффективности колонки. (Испытуемой смеси, как правило, следует наливать не больше 2/3 объема колбы.) Затем в боковой тубус колбы вводят отводную трубку.

Все соединения предпочтительно осуществлять посредством хорошо подобранных корковых пробок (без изъянов) либо шлифов. После сборки установки пробки следует тщательно обмазать целлулоидной замазкой. Через 1—2 часа после того как замазка высохнет, обмазывают вторично и вновь дают подсохнуть несколько часов. Таким путем можно достигнуть необходимой герметичности. Закрыв оба крана (у головки и отводной трубки), пускают в холодильник воду и колбу начинают нагревать.

Нагревание можно проводить на электрическом колбонагревателе или плитке, соединенных с реостатом, на воронке Бабо, обогреваемой газовой горелкой, или просто на горелке.

Для полного смачивания насадки колонке дают «захлебнуться», т.е. нагревают так, чтобы искусственно вызвать заполнение рабочей части колонки флегмой. Когда жидкость дойдет до счетчика капель на головке колонки, нагрев прекращают и жидкости дают стечь полностью обратно в колбу. Операцию эту повторяют 2—3 раза.

После этого, уменьшив нагрев колбы, включают электрообогреватель рубашки. Нагревание рубашки регулируют так, чтобы число капель, поступающих в колбу с нижнего счетчика колонки, превышало бы примерно в 1,2—3 раза число капель, поступающих за то же время из головки в колонку (наиболее выгодное соотношение устанавливается эмпирически). Это регулирование достигается при помощи реостата и амперметра. Постоянство режима проверяют через каждые 15—20 мин. сравнением числа капель, поступающих со счетчиков. Учет капель производится при помощи секундомера.

Установив постоянный режим, через 0,5—1 час поворотом крана головки отбирают 0,2—0,3 мл дистиллята и кран вновь закрывают. Через 1,5 часа отбор того же количества дистиллята повторяют. (Эти пробы обычно содержат следы влаги и поэтому исследованию не подлежат.) После этого колонку выдерживают при постоянном режиме еще 1 час и приступают к отбору проб из конденсата и куба (колбы).

Не меняя режима работы, приоткрывают кран у головки и отбирают в маленькие пробирки две пробы дистиллята по 0,2 мл. Затем, закрыв кран, сразу же приступают к отбору пробы из куба (колбы). Для этого при помощи резиновой груши или просто, взяв в рот конец хлоркальциевой трубки и приоткрыв кран у отводной трубки, осторожно выдавливают жидкость из капилляра сифона в колбу и тотчас же засасывают небольшое количество (0,3—0,4 мл) жидкости из колбы в пробирку. Оставшуюся в капилляре отводной трубки жидкость выдавливанием возвращают обратно в колбу и кран закрывают. При этом необходимо следить, чтобы не ввести в жидкость пузырьков воздуха. Затем для каждой отобранной пробы определяют показатели преломления или другие константы (как, например, удельные веса и т.д.) и при помощи номограмм или таблиц находят Ч.Т.Т., как это описано ниже.

Через каждый час, сменив пробирки и не меняя режима работы колонки, отбор проб повторяют. Определения продолжают до тех пор, пока значения Ч.Т.Т. не будут больше изменяться, что укажет на установившееся равновесие.

Для того чтобы полнее охарактеризовать эффективность той или иной колонки, определение Ч.Т.Т. следует производить при различных режимах обогрева и скорости испарения, от малых (когда возврат флегмы в колбу равняется примерно 30 каплям в минуту) до больших (порядка 250—300 капель в минуту или близких к захлебыванию). Только таким путем можно установить режим, при котором колонка будет обладать максимальной эффективностью. Так, например, колонка с заполнением из конических колпачков, изготовленных из сетки, обладает хорошей эффективностью лишь в довольно узких интервалах скорости испарения. Уже небольшие изменения режима вызывают резкое падение эффективности.

Максимальная эффективность колонки, определенная при полном орошении, превышает ее эффективность в рабочих условиях. Степень понижения эффективности, иногда довольно значительная, зависит от величины флегмового числа, т.е. от соотношения между количеством конденсата, возвращающегося обратно в колонку в качестве орошения, и количеством отбираемого дистиллята. Чем выше флегмовое число, тем эффективность колонки ближе приближается к максимальной. Поэтому, для того чтобы колонка показывала в рабочих условиях максимально возможную эффективность, необходимо, чтобы числовое значение флегмового числа было не ниже максимального Ч.Т.Т. данной колонки.

Для определения Ч.Т.Т. колонок в рабочих условиях было предложено два метода: Николаевой и Оболенцевым и Фростом.

Следуя первому методу, берется одна из бинарных смесей в соотношении 1:1. Установив затем постоянный режим орошения (как это описано выше), приоткрывают кран головки и, установив желаемое флегмовое число, приступают к отбору 10 равнообъемных фракций (по 4% от загруженной смеси в каждой). Отбор заканчивается после того, как 40% загруженной жидкости перейдет в дистиллят. Для последней фракции и остатка в колбе определяют константы, при помощи которых для данной бинарной смеси можно установить состав остатка в колбе и последней фракции дистиллята.

Расчет производится посредством уравнения кривой равновесия для идеальной смеси:
y / (1 – y) = Kⁿ · x / (1 – x),
где у — молекулярная концентрация низкокипящего компонента в парах,
х — молекулярная концентрация низкокипящего компонента в жидкости,
К — отношение упругости паров при температуре кипения,
n — Ч.Т.Т.

По мнению Розенгарта, допустимость расчета по приведенному уравнению нуждается в проверке, так как это уравнение было выведено в свое время для определения Ч.Т.Т. при случае полного орошения.

Второй метод (Оболенцева и Фроста) отличается тем, что для определения берутся две смеси бензола и дихлорэтана, содержащие 10 и 50% последнего, и расчет производится по другой формуле. После установления равновесия между парами и флегмой при заданных флегмовом числе и скорости отгона производится отбор дистиллята. Последний отбирается в количестве, несколько меньшем содержания легколетучего компонента в исходной смеси. Определение концентрации легколетучего компонента производится (на основании физических констант) во всем полученном дистилляте. Ч.Т.Т. вычисляется по формуле или номограмме. С этими же смесями определяется и максимальная эффективность колонки при полном орошении. Для характеристики колонок авторы вводят новое понятие — «коэффициент полезного действия» колонки, который получается как результат деления Ч.Т.Т., полученного в рабочих условиях, на максимальное Ч.Т.Т. при полном орошении.

Определение Ч.Т.Т. можно производить на различных бинарных смесях, для которых были рассчитаны зависимости состава пара от состава жидкости (т.е. кривые равновесия) и для которых можно легко путем определения различных физических констант (коэффициент преломления, уд. вес и т.д.) определить концентрацию компонентов в дистилляте и остатке в колбе.

Предназначенные для определения Ч.Т.Т. бинарные смеси должны удовлетворять следующим требованиям: 1) компоненты должны быть легко доступны в чистом виде, 2) не должны образовывать азеотропных смесей, 3) разница в температурах кипения должна находиться в соответствии с предполагаемой эффективностью колонок и 4) состав фаз должен быть легко определяем (константы компонентов должны быть достаточно резко отличны).

Для определения Ч.Т.Т. колонок низкой эффективности (до 10—12 Т.Т.) пригодны смеси бензол — н-гептан и циклогексан — н-гептан.

В обеих смесях разница т. кип. равна 17,5°. Для средне- и высокоэффективных колонок обычно применяют следующие смеси: бензол — дихлорэтан (разница в т. кип. 3°), бензол — четыреххлористый углерод (разница в т. кип. 4°), метилциклогексан — н-гептан (разница в т. кип. 2,4°) и метилциклогексанизооктан (2,2,4-триметилпентан) (разница в т. кип. 1,6°).

Неправильное использование смесей, например определение Ч.Т.Т. в высокоэффективных колонках на смесях с большой разницей температур кипения компонентов, или наоборот, может привести к неверным результатам и ошибочным заключениям.

При использовании смеси бензол — дихлорэтан для расчета Ч.Т.Т. можно воспользоваться удобной номограммой (рис. 171), построенной по данным Штаге и Шульца. При ее помощи можно легко и с достаточной точностью рассчитать Ч.Т.Т.

Для этого, определив коэффициенты преломления проб из дистиллята и остатка в колбе, из соответствующих точек на оси абсцисс проводят вертикали до пересечения с кривой. Проекции этих двух точек на ось ординат дадут две условные величины, а их разность даст искомое значение максимального Ч.Т.Т. данной колонки при данном режиме.

Лабораторные колонки. Все современные колонки точного фракционирования состоят из трех частей: 1) колбы, 2) ректифицирующей части и 3) головки полной или частичной конденсации.

1. Колба. Относительно колб можно лишь сказать, что во всех случаях следует применять только круглодонные колбы. В отдельных случаях бывает полезно пользоваться колбами, имеющими боковой тубус.
2. Ректифицирующая часть. Ниже приводится описание нескольких наиболее простых, но в то же время достаточно эффективных колонок, большинство которых вполне доступно для изготовления в любых лабораториях.

Колонки невысокой эффективности. Простейшим типом лабораторной колонки является колонка Гемпеля. Ректифицирующая часть ее представляет собой обычную стеклянную трубку, наполненную стеклянными бусами или цилиндриками — обрезками стеклянных трубочек. Благодаря большой поверхности в ней достигается лучший обмен компонентами между парами и жидкостью, нежели в обычно применяемых лабораторных дефлегматорах. Большое влияние на эффективность работы такой колонки оказывают размеры заполняющих ее цилиндриков (их высота и внутренний диаметр). Эванс, например, рекомендует применять цилиндрики диаметром 3,2 мми высотой 4,8—6,4 мм.

Такая колонка, будучи снабжена головкой полной конденсации и воздушной рубашкой (или обмотана шнуровым асбестом), явится простейшим типом легко доступной колонки не особенно высокой эффективности. Ее отрицательным качеством является значительное количество жидкости, удерживаемое в насадке. При высоте в 122 см и диаметре 12,8 мм такая колонка будет удерживать около 15 мл жидкости.

Подобные колонки могут с успехом применяться для разделения не слишком малых количеств веществ, достаточно сильно различающихся по своим температурам кипения. Пределы целесообразной применимости колонок этого типа могут быть установлены, исходя из их эффективности, определенной в Ч.Т.Т. при полном орошении и при различных режимах рабочих условий.

Колонки средней эффективности. Наиболее распространенной насадкой, доступной для изготовления собственными силами, является насадка из одиночных витков стеклянной или металлической спирали. Она пригодна для создания колонок как средней, так и высокой эффективности. (При использовании спирали из двух и более витков эффективность насадки ухудшается в 2—3 раза.) Большое влияние на эффективность оказывают также величина внутреннего диаметра витка и его толщина. Для получения высокоэффективной насадки из металлической проволоки необходимо употреблять проволоку диаметром 0,2—0,3 мм, изготовляя из нее спирали с внутренним диаметром 1—1,5 мм. Использование более толстой проволоки, так же как и изготовление спиралей с большим внутренним диаметром, резко ухудшает эффективность насадки.

Так, например, для создания колонки с максимальной эффективностью в 20—23 Т.Т. при использовании насадки с внутренним диаметром одиночных витков в 1 мм достаточно ограничиться высотой в 28 см. При внутреннем диаметре витков в 2,4 мм (изготовленных из той же проволоки диаметром 0,25 мм) для достижения той же эффективности высоту колонки необходимо увеличить почти вдвое — до 50 см. Показателем эффективности будет В.Э.Т.Т., которая для первой колонки будет равняться 1,2—1,4, а для второй — 2,2—2,4 см.

Как известно, эффективность колонок определяется полнотой обмена компонентами между парами и флегмой. Уменьшение диаметра витков позволяет при том же объеме рабочей части колонки ввести в нее большее число отдельных витков. Это влечет за собой повышение общего объема и поверхности насадки, результатом чего является улучшение контакта между жидкостью и паром.

Металлические спирали рекомендуется изготовлять из некорродирующей проволоки, из таких сплавов, как нихром, хромель, монель и др. Изготовление спиралей несложно. Они получаются путем наматывания проволоки на тонкий стальной стержень. Разрезать спираль на отдельные витки можно либо остроконечными ножницами, либо при помощи специального приспособления.

В тех случаях, когда использование металлических витков нежелательно из-за возможности коррозии или явлений каталитического действия металла, можно изготовить насадку из стеклянных витков.

Стеклянные витки изготовляются путем наматывания на латунный стержень тонкой стеклянной палочки, размягченной на горелке. Стержень при этом непрерывно медленно вращается другой рукой. На полученной таким путем спирали стеклодувным ножом или алмазом на каждом витке делают надрез. Затем, не снимая спирали со стержня, сжимают ее между пальцами. Кроме нужных одиночных витков, при этом будет получаться также и некоторое количество отхода — обрезков спирали меньше витка, которые будут сами осыпаться со стержня. Неполноценные обрезки, так же как и куски спирали с большим числом витков, механически отделяются. Стержень рекомендуется предварительно покрывать графитом. Для этого приготовляется суспензия графита в каком-либо смазочном масле, которая и наносится тонким слоем на стержень.

Вместо металлического стержня было предложено применять асбестовую нить. Сомнительно, однако, чтобы в этом случае получались всегда однородные витки нужного диаметра.

Стеклянные витки пригодны для использования при перегонках большинства веществ. Однако, для того чтобы изготовить их тех же размеров, как и описанные выше металлические, требуются специальные приспособления. Обычными средствами можно изготовить витки с внутренним диаметром около 3—4 мм при толщине стеклянной нити в 1 мм.

Эффективность насадки из таких крупных стеклянных витков значительно, однако, ниже, чем у описанных выше металлических. При высоте рабочей части в 50 см колонка с такой насадкой будет обладать максимальной эффективностью в 9—10 Т.Т. Увеличение высоты в 3 раза (до 150 см) позволяет поднять эффективность лишь вдвое, т.е. до 20 Т.Т. В.Э.Т.Т. таких колонок будет весьма высок (5—8 см).

Таким образом, при создании колонок средней эффективности можно использовать насадку либо из металлических витков, либо из стеклянных. В первом случае для получения максимальной эффективности в 20 Т.Т. достаточно ограничиться высотой колонки в 30 см. Во втором случае нужная высота должна быть уже около 150 см. При этом следует помнить, что в рабочих условиях эффективность всегда будет несколько ниже.

Колонки высокой эффективности. Из большого числа разнообразных конструкций высокоэффективных колонок, описанных в литературе, мы остановимся на примере лишь трех, наиболее простых для изготовления.
Колонки с насадкой из отдельных витков спирали. Использование насадки из отдельных витков металлической спирали позволяет (при надлежащем выборе их диаметра) создавать колонки эффективностью до 100 Т.Т. и выше. В этом случае высота ректифицирующей части может достигнуть 200 см и более. В принципе же они подобны описанным выше колонкам средней эффективности.

Колонки с насадкой из сетчатых цилиндриков. Николаева описала колонку с максимальной эффективностью более 60 Т.Т., в которой насадка представляла собой цилиндрики, изготовленные из медной сетки. Размеры цилиндриков 2,5—3 х 3 мм. Они изготовляются из прямоугольного куска сетки размерами 3 х 12,5 мм сворачиванием при помощи круглогубцев (диаметр которых в закрытом состоянии равен 2,6 мм) или из стержня соответствующего диаметра, имеющего на конце прорезь. Готовые цилиндрики имеют продольную перегородку.

Такая колонка, высотой 150 см и диаметром 13 мм, обладала при орошении 200 кап/мин максимальной эффективностью более 60 Т.Т. В рабочих условиях, при скорости отгона 20 мл/час и том же орошении, эффективность оказалась равной 24 Т.Т. При снижении скорости отгонки можно ожидать, что эффективность ее будет выше.

Колонка, не захлебываясь, допускала создание интенсивного орошения, что является положительным качеством. Изготовление насадки несложно. Однако использование медной сетки ограничивает возможности ее применения из-за коррозионных явлений. При наличии сеток из некорродирующих металлов или сплавов такая колонка, бесспорно, найдет себе надлежащее место в лабораториях.

Колонка конструкции Нарагона и Льюиса предназначена для перегонки малых количеств веществ (рис. 172).

Ректифицирующей частью колонки является кольцевое пространство между двумя трубками 7 и 8 шириной 0,75 мм (±0,01 мм) и высотой 305 мм. Отбор пробы производится при помощи соленоида, поднимающего стержень с припаянным на конце бронзовым шариком, который тщательно пришлифован к гнезду клапана 9. Колонка достигает равновесия за 3—4 часа. Заполнение колонки 1,0—1,5 мл вещества.

Эффективность колонки при орошении 50 кап/мин соответствует 86 Т.Т. (определено на смеси н-гептан — метилциклогексан); при орошении 80 кап/мин эффективность понижается до 50 Т.Т. В рабочих условиях, при орошении 60 кап/мин и флегмовом числе около 836 (скорость отбора дистиллята 0,11 мл/час), из смеси н-гептана и метилциклогексана (разница в т. кип. 2,4°) удалось выделить около 2,5 мл (из взятых 5,1 мл) н-гептана чистотой > 90%.
Колонка пригодна для перегонок от 5 до 100 мл жидкости.

Во всех конструкциях колонок для удобства отсчета числа капель, стекающих из ректифицирующей трубки в колбу, на конце трубки припаивают специальные счетчики-капельники.

Головки полной конденсации. Количество разнообразных конструкций колонок полной конденсации весьма велико. Описание их можно найти в литературе.

Представленные на рис. 173 и 174 два типа конденсаторов являются наиболее распространенными и способны удовлетворить обычным требованиям лабораторного эксперимента. Эти требования сводятся к следующим задачам: 1) осуществлять полную конденсацию паров перегоняемой жидкости, 2) легко устанавливать любое флегмовое число и 3) задерживать в головке минимальное количество конденсата. Первая задача достигается наличием вертикального холодильника, охлаждаемого проточной водой. Вторая — тем, что на пробке крана, по окружности, от обоих отверстий сквозного прохода, стеклодувным ножом сделаны два надреза. Оба они сделаны либо по часовой стрелке, либо против, причем по мере удаления от отверстия глубина их должна уменьшаться и сходить на нет примерно на середине расстояния между этими отверстиями. При отборе дистиллята кран поворачивается таким образом, чтобы стекание конденсата осуществлялось через эти надрезы (рис. 175). Наконец, для того чтобы в головке не удерживалось большого количества конденсата, кран в отводной трубке припаивается как можно ближе к головке (~ 5—10 мм), а сама отводная трубка изготовляется из барометрического стекла с внутренним диаметром 0,6—1 мм.

При наличии интенсивного охлаждения холодильника и вышеупомянутого надреза на пробке крана головка после надлежащей регулировки скорости отбора конденсата не требует в работе особого наблюдения.

Для удобства отсчета числа капель, стекающих из головки в колонку, а также из холодильника головки, всоответствующих местах головки припаяны счетчики (капельники).

Термометры устанавливаются либо на корковых пробках, либо в специальных карманах, либо, наконец, подвешиваются на проволоке к пришлифованному колпачку, закрывающему отверстие трубки.

Для смазки крана у головки можно рекомендовать специальную смазку, приготовленную путем растворения в глицерине различных углеводов или их смесей: растворимого крахмала, глюкозы, мапнозы, сахара и т.д. Растворение производится при нагревании до 120° путем добавления углеводов до тех пор, пока смесь не получит консистенции меда и не станет прозрачной.

Изоляция колонок. Для уменьшения теплоотдачи колонку необходимо хорошо изолировать от внешней среды. В простейшем случае этого можно достигнуть, снабдив колонку воздушной рубашкой и покрыв ее слоем асбеста. Однако такая изоляция еще недостаточна для того, чтобы приблизиться к адиабатическим условиям. Наилучшей изоляцией является сочетание воздушной рубашки с электрическим обогревом. Последний осуществляется при помощи нихромовой проволоки или ленты. Намотку нагревательного элемента ни в коем случае не следует осуществлять непосредственно на трубке с насадкой, а только на внутренней рубашке-муфте. Намотку лучше всего наносить на рубашку, проложив между стеклом и проволокой тонкие полоски асбеста. Эта рубашка-муфта в свою очередь изолируется наружной рубашкой. Таким образом, рабочая часть колонки состоит из 3 концентрических трубок (рис. 176): внутренней — наполненной насадкой, средней (муфты), обмотанной обогревательной проволокой, и наружной. Для регулирования обогрева обычно достаточно ползункового реостата на 120—200 Ом.

Следует заметить, что перегрев колонки ухудшает ее работу несравненно сильнее, чем недогрев. Поэтому температуру муфты следует поддерживать на 2—5° ниже температуры рабочей трубки.

При несовершенстве изоляции может быть такой случай, когда колонка, эквивалентная 100 Т.Т., будет соответствовать лишь 12 Т.Т.

Для того чтобы избежать электрообогрева муфты, требующего специального наблюдения и регулирования и реагирующего на изменения напряжения в сети, Андреевым было предложено осуществлять этот нагрев парами перегоняемой жидкости. Это достигается благодаря наличию специальной муфты (рис. 177), окружающей ректифицирующую часть колонки. Для уменьшения теплоотдачи муфту следует изолировать от окружающей среды дополнительной рубашкой или, в простейшем случае, просто асбестом.

При высоте рабочей трубки в 18 см и внутреннем диаметре 15 мм такая колонка с насадкой из одиночных витков спирали (наружный диаметр витка 1,5 мм, диаметр проволоки 0,3 мм) показала максимальную эффективность 17—18,5 Т.Т. (В.Э.Т.Т. — 0,97—1,06). В рабочих условиях при невысоком флегмовом числе (10) эффективность оказалась равной 9—10 Т.Т. Увеличением флегмового числа эффективность может быть повышена.

Эта конструкция, однако, вряд ли может позволить создавать высокие колонки большой эффективности. Для создания же колонок сродной эффективности этот принцип обогрева вполне реален.

При конструировании колонок, кроме их эффективности, нужно учитывать еще и другой параметр — их производительность, т.е. скорость отбора дистиллята. Дело в том, однако, что сочетать в одной колонке высокую эффективность и производительность часто представляет собой затруднительную задачу.

Производительность колонок может быть повышена двумя способами: форсированием режима орошения и увеличением диаметра трубки. Первым путем, не изменяя флегмового числа, можно, принципиально, за счет увеличения орошения, достигнуть несколько большей скорости отбора дистиллята. Однако различные конструкции колонок по-разному реагируют на это.

Так, например, колонка с насадкой Heli-Grid, по данным Николаевой, весьма чувствительна к изменению скорости отбора дистиллята. При максимальной эффективности > 60 Т.Т. эта колонка при сравнительно невысокой скорости отгона в 15—18 мл/час показала эффективность, соответствующую лишь 16 Т.Т. Понижение скорости отгонки до 5—6 мл/час позволило повысить ее эффективность только до 20—23 Т.Т. Отсюда ясно, что такая колонка должна быть отнесена к типу высокоэффективных, но низкопроизводительных.

К сожалению, подобных сравнительных данных, относящихся к колонкам других типов, в литературе нет. Как указывалось выше, производительность может быть увеличена и за счет увеличения диаметра самой колонки. Как влияет диаметр колонки, видно из того, что из двух колонок одинаковой высоты (150 см), но разных диаметров (11 и 20 мм), первая захлебывалась уже при скорости отгона 300 мл/час (при полностью открытом кране), в то время как вторая позволяла отгонять до 600 мл/час без намеков на захлебывание. Максимальные эффективности обеих колонок (определенные при полном возврате флегмы и максимальном орошении) оказались весьма близкими (18—20 Т.Т.).

Copyright © 2005-2012 Xenoid v2.0

Использование материалов сайта возможно при условии указания активной ссылки
Химия: решение задач