Молекулярная дистилляция

Выше была рассмотрена пленочная ректификация под вакуумом, с помощью которой разделяют неустойчивые органические соединения. Однако температура кипения многих высокомолекулярных веществ (с молекулярным весом ³ 300) даже при значительном вакууме остается слишком высокой для того, чтобы их можно было разделить, не опасаясь разложения. Кроме того, для ряда смесей необходимо свести к минимуму продолжительность разделения.

Такие смеси разделяют, создавая весьма высокий вакуум над поверх­ностью жидкости, соответствующий остаточному давлению 10^-3- 10^{-4 мм рт. ст} . В условиях высокого вакуума с уменьшением плотности газа возрастает длина свободного пробега молекул и при достаточно малом остаточном давлении она может стать больше расстояния между поверхностями испарения и конденсации. При этом большая часть моле­кул, отрывающихся с поверхности испарения, попадает на поверхность конденсации и не возвращается с этой поверхности. Процесс осуще­ствляется при наличии близкорасположенных поверхностей испарения и конденсации.

Процесс молекулярной дистилляции протекает путем испарения жид­кости с ее поверхности при отсутствии кипения. Поэтому, в отличие от ректификации, молекулярная дистилляция не характеризуется неко­торыми постоянными температурой и давлением.

При молекулярной дистилляции молекулы пара удаляются с поверх­ности испарения сразу же после их образования, и равновесие между паром и жидкостью не успевает установиться. Поэтому разделяющий эффект молекулярной дистилляции определяется не отношением давле­ний насыщенного пара компонентов, смеси, или относительной лету­честью, а отношением скоростей испарения компонентов смеси, или коэффициентом разделения a_м.

Скорость испарения q₁ любого компонента идеального раствора про­порциональна его мольной доле х, в жидкости. Согласно молекулярно-кинетической теории газов,

(XV.4)

где Р_i — давление насыщенного пара чистого компонента при темпера­туре кипения смеси; M_i — молекулярный вес компонента; Т — абсолют­ная температура.

Следовательно, для бинарной смеси компонентов 1 и 2 можно запи­сать:

(XV,5)

Из этого выражения следует, что степень разделения при молекуляр­ной дистилляции больше, чем при равновесной в раз.

Процесс молекулярной дистилляции складывается из диффузии моле­кул преимущественно НК из глубины слоя (пленки) жидкости к поверх­ности испарения, перемещения молекул пара на поверхность конденса­ции и их конденсации на этой поверхности. В условиях обычной дистил­ляции жидкость интенсивно перемешивается при кипении с поднимающи­мися пузырями, и концентрации компонентов выравниваются в объеме жидкости. При молекулярной дистилляции скорость испарения компо­нента пропорциональна его концентрации в жидкости (при прочих равных условиях). Поэтому уменьшение концентрации компонента в жидкости приводит к уменьшению скорости его испарения и ухудшению разделе­ния. Таким образом, эффективность процесса зависит от соотношения ско­ростей диффузии (в жидкой фазе) испарения компонента. Обычно диф­фузия компонента в жидкости является более медленным процессом, и молекулярную дистилляцию надо проводить в условиях, способствую­щих ускорению этой лимитирующей стадии.

Как известно, скорость диффузии в жидкости может быть увеличена при возрастании скорости движения и турбулизации слоя жидкости, а также при уменьшении его толщины. Эти условия создают в аппаратах для молекулярной дистилляции.

Для оценки степени разделения при молекулярной дистилляции поль­зуются понятием о теоретической молекулярной та­релке (ТМТ), соответствующей степени разделения, при которой соот­ношение мольных концентраций компонентов в дистилляте равно отноше­нию скоростей испарения компонентов при полном перемешивании слоя дистиллируемой жидкости. В производственных условиях при одно­кратном испарении степень разделения колеблется от 0.3 до 0.95 ТМТ. В установке для молекулярной дистилляции (рис. ХV-15) в начале процесса требуется удалить из исходной смеси растворенные в ней газы и быстро откачать их из аппарата. Исходная смесь из хранилища 1 поступает в многоступенчатый дегазатор 2, где при нагреве до 70-100 °С происходит выделение из нее газов. Газы откачиваются форвакуум-насо­сами 5 (из первых ступеней) и спаренными с ними диффузионно-конден­сационными насосами 4 (из последних ступеней). После этого смесь посту­пает либо непосредственно, либо через подогреватель в дистилляционный аппарат 5, из которого газы и пары откачиваются спаренными насо­сами 3 и 4. Дистиллят и остаток направляются в отдельные сборники 6. Между аппаратом и насосами иногда устанавливают ловушки 7, охла­ждаемые хладоагентом, чтобы предотвратить попадание в насосы паров воды и органических жидкостей.

Для молекулярной дистилляции применяются пленочные аппараты различных конструкций.

На рис. ХV-16 показан промышленный одноступенчатый центробеж­ный аппарат (с поднимающейся пленкой) для молекулярной дистилля­ции. В корпусе 1 вращается алюминиевый ротор-испаритель 2 конической формы, обогреваемый снаружи электрическим нагревателем 3. Скорость вращения ротора около 400 мин^-1. Внутри ротора находится охлаждаемый изнутри горячей водой конденсатор 5, изготовленный в виде располо­женных веерообразно плоских полых элементов. Расстояние между вну­тренней поверхностью ротора 2 и поверхностью конденсатора 5 состав­ляет 20-30 мм.

Жидкость, обычно представляющая собой многокомпонентную смесь, по трубе 4 поступает на дно ротора. Под действием центробежной силы эта жидкость в виде тонкой пленки турбулентно поднимается вверх по нагретой поверхности ротора и испаряется по мере подъема. Пары менее летучих компонентов конденсируются на поверхности конденса­тора 5, а пары более летучих — на поверхности конденсатора-змеевика б, охлаждаемого холодной водой. Жидкость стекает в поддоны 7, установ­ленные под конденсаторами, а из них — в кольцевые желоба 8, откуда по трубкам удаляются раздельно две фракции дистиллята. Остаток пере­ливается через верхний край ротора в желоб 9 и отводится из аппарата.

Молекулярная дистилляция является относительно дорогим способом разделения. Ее применяют в производствах некоторых пластмасс, вита­минов, масел и смазок, жирных кислот, эфиров и др.