Дистилляция (перегонка) - процесс разделения смесей на фракции, основанный на различии в составе жидкости и образующегося из нее пара. Дистилляция производится путем частичного испарения жидкости и последующей конденсации образовавшегося пара. Полученная путём испарения и конденсации фракция (дистиллят) обогащена более летучими (низкокипящими) компонентами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) - тяжёлыми (высококипящими) компонентами. В случаях, когда из исходной смеси отгоняется не одна фракция, а несколько, дистилляция называется фракционной или дробной. В зависимости от условий протекания процесса различают простую и молекулярную дистилляции.

Настольная установка молекулярной вакуумной дистилляции, боросиликатное стекло

Молекулярная дистилляция - это разделение жидких смесей свободным испарением в глубоком вакууме при температуре ниже точки их кипения. Рабочий вакуум обычно находится в диапазоне 10^-2 - 10^-4 мм рт.ст. и создаётся с помощью вакуумных насосов. Благодаря вакууму молекулы пара движутся от горячей (испаряющей) поверхности к холодной (конденсирующей) с минимальным числом столкновений, а длина свободного пробега молекул при таких давлениях соизмерима с расстоянием между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара.

Расход и состав паровой смеси определяется скоростями испарения отдельных компонентов. Скорость испарения чистого вещества с молярной массой М при температуре T рассчитывается по уравнению Кнудсена-Ленгмюра:
где р - давление пара вещества при температуре Т жидкости. Скорость испарения компонента смеси меньше, чем чистого вещества, и пропорциональна его молярной доле в смеси.

При этом: т. е., в отличие от условий разделения смесей с помощью обычной дистилляции, aik зависит не только от давлений паров чистых компонентов при температуре процесса, но и от их молярной массы. Это позволяет разделять смеси, используя различие молярных масс компонентов при относительно низких температурах. Процесс молекулярной дистилляции включает в себя перенос молекул испаряющегося компонента из объёма жидкости к поверхности испарения, испарение молекул, перенос их в объёме паровой фазы от поверхности испарения к поверхности конденсации и конденсацию.

Таким образом, при молекулярной дистилляции изменение состава пара по сравнению с составом жидкости определяется различием скоростей испарения компонентов. Поэтому этим способом можно разделять смеси, компоненты которых обладают одинаковым давлением паров. При заданной температуре жидкости и соответствующем ей давлении паров скорость молекулярной дистилляции растёт с понижением давления в аппарате.

Так как при молекулярной дистилляции жидкость не кипит, перемешивание паровыми пузырями (как в процессе обычной дистилляции) отсутствует, и перенос вещества в объёме жидкости происходит в основном за счёт молекулярной диффузии. Поскольку этот процесс более медленный, чем испарение с поверхности, жидкость со стороны поверхности обедняется относительно более летучими компонентами и в ней возникает градиент концентраций, что ухудшает условия разделения исходной смеси. Для предотвращения этого явления обычно уменьшают толщину слоя жидкости и обеспечивают ее перемешивание: испарение в современных молекулярных дистилляторах проводят в очень тонких плёнках жидкости (плёночные, или тонкоплёночные испарители), что позволяет, кроме того, уменьшить время нахождения вещества на поверхности испарения и опасность его термического разложения.

Схема центробежной (ротационной) установки молекулярной дистилляции

По способу создания тонкой плёнки в аппарате молекулярной вакуумной дистилляции различают модификации с горизонтальными и вертикальными поверхностями испарения, а также центробежные (ротационные). В ротационных аппаратах на испаритель, представляющий собой быстровращающийся конус (иногда диск), подаётся разделяемая жидкость. Центробежная сила перемещает её от центра к периферии (вверх). Пары перегоняемой жидкости собираются на неподвижном конденсаторе, расположенном параллельно поверхности испарителя, откуда дистиллят непрерывно отводится. Кубовый остаток после дистилляции сбрасывается в кольцевой жёлоб и выводится из дистиллятора. Промышленные центробежные молекулярные дистилляторы с ротором диаметром до 3 м позволяют разделять на фракции за 1 ч до 1 т смеси.

Для повышения эффективности разделения дистилляционные установки могут снабжаться двумя или более конденсаторами, работающими при различных температурах. Это дает возможность разделять смесь на несколько фракций, то есть осуществлять фракционную (дробную) дистилляцию. Кроме того, применяются также многоступенчатые противоточные аппараты, степень разделения смесей в которых во много раз выше, чем в одноступенчатых дистилляторах.

Скорость испарения молекул с поверхности определяется температурой жидкости: чем выше температура, тем больше давление пара и скорость испарения. Однако с увеличением давления пара уменьшается длина свободного пробега молекул и возрастает частота их соударений, что приводит к снижению эффективности разделения смеси. Поэтому, с целью повышения эффективности разделения, молекулярную дистилляцию проводят при давлениях более низких, чем те, при которых молекулы достигают поверхности конденсации с соударениями. Каждой смеси жидкостей соответствует определенная оптимальная температура процесса, при которой достигается наибольшая степень разделения.

Схема работы классического аппарата вакуумной дистилляции

На рисунке приведён один из вариантов исполнения аппарата молекулярной дистилляции со стекающим потоком жидкости. В данном случае исходная смесь распределяется в виде плёнки на наружной поверхности внутренней трубки, которая нагревается подаваемым в нее теплоносителем. На расстоянии 10-30 мм от внутренней трубки находится наружная трубка, снабженная термостатируемой рубашкой, в которую подается охлаждающий теплоноситель. Кубовый остаток и дистиллят, полученный на охлаждаемой поверхности, отводятся снизу в приёмные ёмкости. Требуемое остаточное давление в рабочем пространстве аппарата молекулярной дистилляции поддерживается с помощью подключённого вакуумного насоса.

Рис. 4. Аппарат для молекулярной дистилляции.
1 - внутренняя обогреваемая трубка;
2 - внешняя охлаждаемая трубка,
3 - термостатируемая рубашка.

Пилотная установка молекулярной вакуумной дистилляции непрерывного действия из нержавеющей стали

Рабочие параметры процесса молекулярной вакуумной дистилляции:

Контролируемые:
- расход исходной смеси
- скорость отгонки дистиллята
- температура испаряющейся жидкости
- температура теплоносителя, используемого для охлаждения поверхности конденсации
- рабочее давление в системе

Регулируемые:
- расход исходной смеси
- расход теплоносителей для нагрева и охлаждения.

Промышленная установка молекулярной вакуумной дистилляции непрерывного действия из нержавеющей стали

Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки высокомолекулярных и термически нестойких органических веществ, например для очистки эфиров себациновой, фталевой, стеариновой, олеиновой и др. кислот, для выделения витаминов из рыбьего жира и различных растительных масел. В химической промышленности вакуумная дистилляция широко применяется для изготовления восков, вакуумных масел, сложных эфиров. В медицине это оборудование предназначено для производства фармацевтических препаратов, в парфюмерии - для извлечения ароматических веществ. Молекулярная дистилляция применяется также для регенерации нефтепродуктов и отработанных минеральных масел из двигателей, редукторов, трансформаторов, турбин; для производства рабочих жидкостей вакуумных насосов.