3.4.2. Перегонка с водяным паром
К перегонке с водяным паром прибегают при необходимости очистки или выделения из реакционной смеси нерастворимых или труднорастворимых в воде высококипящих 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. Этот способ позволяет проводить перегонку вещества при температуре более низкой, чем та, при которой они кипят.
Кипение начинается, когда сумма парциальных давлений насыщенного пара будет равна внешнему давлению. Следовательно, согласно закому Дальтона, суммарное давление пара Р является суммой парциальных давлений паров перегоняемого вещества А и воды В: Р = РА + РВ. Таким образом, эта смесь перегоняется при более низкой температуре, чем чистая вода. В дистилляте будут одновременно пары воды и перегоняемого вещества.
Простейшая установка для перегонки с водяным паром изображена на рис. 8. При ее сборке следует руководствоваться следующими рекомендациями.
1. Трубка для водяного пара должна доходить почти до дна перегонной колбы. Весьма желательно, 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 круглодонную длинногорлую колбу и устанавливают ее с небольшим наклоном к парообразователю. Перегоняемый раствор должен занимать не более 1/3 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.
1 – плитка; 2 – предохранительная трубка; 3 - парообразователъ; 4 – тройник; 5 – винтовой зажим; 6 – трубка по которой поступает пар; 7 - перегонная колба; 8 – водяная баня; 9 – пароотводная трубка; 10 - холодильник; 11 – аллонж; 12 - приемник.
Рисунок 8 - Установка для перегонки с водяным паром
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 Либиха 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 оС, этот прием может оказаться малоэффективным. В таких случаях целесообразно использовать установку с холодильником Либиха, имеющим широкую внутреннюю трубку, Вертикальное расположение холодильника позволяет при необходимости проталкивать застывший продукт стеклянной палочкой или проволокой. Если продукт, плавящийся выше 100 оС, 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. 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 перегонной 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 1/3 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 разбор 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.
Иногда целевой продукт экстрагируют из водного раствора подходящим растворителем.