ВАКУУМ-ПЕРЕГОНКА (перегонка под уменьшенным давлением)
Вакуум-перегонку применяют в тех случаях, когда жидкость при нормальных условиях имеет слишком высокую температуру кипения или когда она при нагревании до высокой температурит подвергается разложению или изменению.
Различают два основных метода перегонки под уменьшенным давлением:.
а) перегонка при умеренном вакууме, применяемая чаще всего и более подробно описанная дальше;
б) перегонка в высоком вакууме, применяемая для разгонки органических веществ, имеющих молекулярную массу до 1200, или для низкомолекулярных термических нестойких веществ.
Уменьшение температуры кипения жидкости и, следовательно, перегонки, достигаемое уменьшением давления, способствует сохранению химической индивидуальности перегоняемого вещества. Чем ниже вакуум, создаваемый внутри прибора, тем больше уверенности в том, что отделяемое вещество не будет изменяться химически, й тем ниже температура, при которой она будет перегоняться.
Имеется много органических веществ, которые кипят около 350 ° С при 760 мм рт. ст. с разложением, но перегоняются без изменения при 160—21O ° С и 10 мм рт. ст., или от 100 до 130 ° С при 0,01 мм рт. ст., или же от 40 до 60° С при 0,0,001 мм рт. ст.
Вакуум можно создать при помощи водоструйного насоса, достижимое разрежение с которым уже указывалось, или же при помощи специальных вакуум-насосов, создающих высокое разрежение.
Главным требованием при. проведении вакуум-перегонки является полная герметичность аппаратуры. Поэтому наиболее удобно применять приборы, собранные на шлифах.
Перегонка при умеренном вакууме. Умеренный вакуум может быть достигнут при использовании обычного лабо-. раторного водоструйного насоса. Прибор для перегонки под вакуумом (рис. 416).состоит из колбы Клайзена, снабженной капилляром и термометром; холодильника; приемника; манометра; стеклянного крана и предохранительной склянки Вульфа (между насосом и манометром).
В качестве соединительных применяют специальные вакуумные резиновые. трубки, которые отличаются от обыкновенных тем, что имеются более толстые (2—Змм) стенки. Наиболее часто в таких приборах применяют резиновые пробки, их полезно слегка смазывать касторовым маслом. Для разгонки при высоких температурах, когда резиновые пробки могут подвергаться термическому разложению, лучше пользоваться пробками из силиконового каучука или стеклянными шлифами, смазан-, ными силиконовой смазкой.
При полумикрохнмических работах часто применяют видоизмененную колбу Клайзена (рис. 417); особенность колбы заключается в том, что она не шаровидной, а яйцевидной формы и узкой своей частью обращена вниз. Такая форма способствует ускоренному нагреванию колбы.
Рис. 416. Прибор для перегонки под вакуумом: 1 — колба Клайзена или Арбузова; 2, 4, 5— пробки; S-капилляр; 5-термометр; 7 — холодильник; «—приемник; 9 — предохранительная склянка; 10— манометр; 11 — трехходовой кран.
Рис. 417. Видоизменениая колба Клайзена.
Рис. 418.-Аппарат Брюля.
При надевании резиновых вакуумных трубок на стеклянные следует применять смазки, так как иначе можно сломать или трубку, или прибор (когда резиновую вакуумную трубку присоединяют к нему). В качестве смазок часто применяют глицерин, вазелиновое масло и пр.
Однако много удобнее пользоваться силиконовым маслом, так как при употреблении его резина не прилипает ни к стеклу, ни к металлу даже при длительном нагревании до 100° С.
Приемником при вакуум-перегонке может служить аппарат Брюля (рис. 418), сосуд, изображенный на рис. 419, колба Вюрца и т. п.
Аппарат Брюля представляет собой толстостенный стеклянный цилиндр, снабженный хорошо притертой крышкой и двумя боковыми тубусами: верхним, через который проходит форштос холодильника, и нижним, который соединяется с-манометром. Внутри цилиндра на специальной площадке со стержнем, выходящим через резиновую пробку в крышке, помещают несколько приемников в форме пробирок. Этим стержнем можно поворачивать всю площадку с приемниками, подставляя их поочередно под холодильник. Резиновая пробка в крышке должна быть хорошо смазана вазелином.
Пробирки еще до начала работы нумеруют. В аппарат пробирки помещают по порядку номеров и перед перегонкой гонке, под форштос холодильника ставят пробирку № 1. При установке пробирок в аппарате нужно следить за тем, чтобы проставленные на них номера были обращены наружу.
Приемник (см. рис. 419), применяемый при вакуум-перегонке, представляет собой или круглодонную колбу, снабженную несколькими отростками, к которым присоединяют на резиновых пробках другие круглодонные колбы, или же широкую трубку с несколькими отростками, к которым также присоединяют колбы. У верхнего конца приемника имеется изогнутая трубка, служащая для соединения с насосом. Через эту трубку воздух отсасывают из прибора.
При перегонке без фракционирования можно применять колбу Вюрца. В этом случае холодильник вставляют в горло колбы Вюрца так, чтобы конец его был ниже боковой отводной трубки, к которой присоединяют манометр и вакуум-насос. Нужно брать приемники с возможно меньшим количеством соединений, стремясь, где это можно, пробки заменять стеклянными шлифами.
Для измерения разрежения при вакуум-перегонке служит ртутный манометр (рис. 420), который включают в прибор между приемником и предохранительной склянкой водоструйного насоса. Ртутный манометр представляет собой дважды изогнутую стеклянную трубку, один конец которой запаян, а другой —открыт; запаянная трубка соединена с открытым коленом капилляра. Открытый конец манометра часто имеет вид тройника.
Рис. 420. Манометр ртутный (вакуумметр)
Рис. 421. Краны двух- и трехходовой.
Один конец этого тройника присоединяют к прибору, а другой — через стеклянный кран, лучше трехходовой (рис. 421), к предохранительной склянке насоса. В тех случаях, когда манометр не имеет тройника, открытый конец его присоединяют к концу стеклянного тройника, остальные концы которого соединяют с прибором и насосом (см. рис. 416).
Непременным условием правильной работы ртутного манометра и получения верных результатов является отсутствие в запаянном колене каких бы то ни было следов воздуха и механических загрязнений. Новый манометр нужно внимательно осмотреть. Если в нем будет обнаружен пузырек воздуха, его необходимо удалить, Это легче всего сделать таким образом.
Соединяют манометр с вакуум-насосом (например, водоструйным) и кладут первый так, чтобы капилляр был немного выше, чем запаянный конец колена. Потом начинают откачивать воздух, стремясь получить как можно большее разрежение. Затем очень медленно и осторожно приводят манометр в нормальное положение. Через некоторое время ртуть оторвется от запаянного конца, пузырек же вытолкнется и ртуть в обоих коленах соединится. Иногда такую операцию приходится повторять несколько раз, прежде чем удается удалить пузырек.
Очень внимательно нужно осматривать уже работавшие манометры, так как иногда в капилляр или запаянное колено вместе с ртутью пробиваются и пузырьки воз-* духа. Это случается при неосторожной работе, когда, по окончании перегонки, в аппарат впускают воздух, сразу полностью открыв кран. При обнаружении пузырьков воздуха в работавшем манометре его отделяют от подставки и стремятся удалить воздух по описанному выше способу. Если пузырек воздуха таким путем не удалится, то это указывает на загрязнение внутренних стенок манометра. Тогда нужно вскрыть запаянное колено, хорошо промыть и вычистить манометр, снова запаять его и только после этого заполнять ртутью, которую следует также предварительно очистить самым тщательным образом. Наполнение манометра ртутью является очень трудной операцией и ее лучше поручать специалисту.
Манометр снабжен подвижной шкалой, посредине которой находится нуль, а от него вверх и вниз идут деления. Эта шкала служит для измерения давления в миллиметрах ртутного столба. Нулевое деление ставят на уровне ртути в открытом колене, и число, стоящее против уровня ртути в другом колене (запаянном), показывает давление в приборе.
Когда прибор для вакуум-перегонки собран на пробках, а не на шлифах, необходимо проверить его герметичность, т. е. посмотреть, создается ли в приборе нужное разрежение. Если разрежение не достигается, проверяют все места соединений, более плотно вставляют пробки, более глубоко надевают резиновые трубки и т. д. Если же и это не ,достигает цели, то как крайнюю меру можно рекомендовать замазать соединения.
Замазывать можно вазелином или заливать парафином, лаками и т. д. Хорошие результаты дает замазка, состоящая из 70 ч. вазелина и 30 ч. парафина. Оба этих вещества смешивают при нагревании, и остывшую замазку применяют для работы. Можно рекомендовать также сплав воска с канифолью, который используется только в расплавленном виде. Соотношение между воском и канифолью обычно около 1:1, но его можно менять по желанию. Перед заливкой замазку расплавляют в металлической ложке и из нее уже заливают места соединений. Замазка плавится около 55° С и затвердевает около 45—47° С. Можно пользоваться для этой цели и другими замазками (см. гл. 26 «Некоторые полезные рецепты»).
Хотя замазывание мест соединения и достигает цели, но к нему следует прибегать только в крайнем случае. Вообще же нужно стремиться тщательно подгонять пробки, применяя только такие, которые дают плотное соединение. Поэтому важно сохранять однажды подобранные к прибору пробки.
Когда перегонка закончена, прежде всего прекращают нагревание. Затем закрывают стеклянный кран, идущий к насосу. После этого несколько приоткрывают винтовой зажим, который зажимает резиновую трубку на капиллярной трубке колбы Клайзена, и дают воздуху проникнуть внутрь прибора. Силу просасывания воздуха контролируют по поступлению его в колбу Клайзена и по манометру, причем ртуть должна медленно переходить из открытого колена в закрытое. Если впустить сразу много воздуха, ртуть может пробить запаянное колено, и манометр выйдет из строя; кроме того, возможно разбрызгивание остатков жидкости в перегонной колбе и загрязнение ими дистиллята. Когда поступление воздуха полностью прекратится и манометр придет в свое нормальное положение, можно приступить к разборке аппарата. Прежде всего отнимают приемник, затем колбу Клайзена. Из колбы осторожно вынимают сначала термометр, а затем капилляр.
Для создания вакуума, кроме водоструйного насоса, иногда применяют масляные вакуум-насосы (см. рис. 314). При помощи этих насосов можно получить более высокую степень разрежения по сравнению'с разрежением, создаваемым водоструйными насосами. Они работают от мотора, занимают мало места и удобны в обращении. Нужно только следить за тем, чтобы в них все; гда было масло, и время от времени проверять их.
При работе с органическими веществами пары их неизбежно поглощаются маслом и загрязняют его, поэтому необходимо периодически менять масло. Частота смены масла зависит от того, как долго работает насос. Если работа проводится ежедневно и подолгу, масло меняют приблизительно через каждые 15—2.0 дней. Если же работа проводится редко или ежедневно, но не долго, то менять масло можно через 1,5—2 месяца. Целесообразно перед насосом поставить поглотительные колонки с активированным углем и натронной известью. Поглотители следует менять по мере необходимости; масло при этом сохраняется чистым значительно дольше.
Эти масляные вакуум-насосы можно применять также и при фильтровании. При некоторой переделке их можно превратить в нагнетательные насосы.
Перегонка при высоком вакууме (молекулярная, или прямая, перегонка). Обычная вакуум-перегонка, когда разрежение создается водоструйным насосом, производится при относительно невысоком вакууме, порядка 5—10 мм рт. ст. Однако имеется много веществ, перегонка которых протекает с разложением даже при таком вакууме. В этих случаях применяют молекулярную перегонку. Она представляет собой процесс разделения преимущественно жидких смесей путем свободного испарения в вакууме порядка Ю-3—Ю-4 мм рт. ст. при температуре, значительно ниже их температуры разложения. Указанный процесс проводится, если поверхности испарения и конденсации разложены на расстоянии, меньшем длины свободного пробега молекул перегоняемого вещества (20—30 мм).
Метод молекулярной, или прямой, перегонки приобретает особенную важность при работе с высококипящими веществами, чувствительными к нагреванию, т. е. термически нестойкими, легко распадающимися еще до достижения температуры кипения. Для перегонки неорганических веществ этот метод используется редко.
Молекулярная перегонка позволяет осуществлять Только два процесса: очистку веществ и отделение их от нелетучих примесей смолистого характера.
Для проведения указанной перегонки предложено много различных аппаратов, как одноступенчатых, так и многоступенчатых. В основе работы многих приборов для Молекулярной перегонки лежит принцип пленочного испарения, когда очищаемое вещество поступает в виде молекулярной перегонки. 10-3 - 10-4 мм рт_ ст достигается того масляно-диффузионного насоса, составляющего часть прибора и присоединяемого к масляно-воздушному насосу, желательно также двухступенчатому. Масляно-диффузионный насос имеет приспособление для нагревания электричеством.
Производительность установок или приборов для молекулярной или прямой перегонки редко бывает выше 10—20 см/ч
Одним из удачных приборов для молекулярной перегонки является испаритель, показанный на рис. 422. При работе с любым прибором для молекулярной перегонки прежде всего следует освободить перегоняемое вещество от растворенных в нем газов и легколетучих веществ. Если этого не сделать, может произойти вспенивание, что затруднит перегонку или сделает ее совершенно невозможной. В некоторых установках приспособление для пленки толщиной от 0,1 до 1 мм.
Такой прием наиболее удачен. Испарение с поверхности пленки, как уже указывалось, происходит быстрее, чем из массы, и находится в обратной зависимости от толщины пленки. Кроме того, пленку в случае необходимости легче нагревать и выдерживать при нужной температуре. Полученные фракции можно подвергнуть повторной перегонке с целью получения более тщательно очищенного продукта.
На рис. 423 показан лабораторный аппарат, с помощью которого повышение избирательности достигается многократным испарением. Аппарат медленно вращается по оси симметрии. Вещество, находящееся в зоне 2, при этом полностью испаряется. После конденсациив первом участке холодильника оно попадает во второй участок испарителя. Этот процесс повторяется до тех пор, пока дистиллят соберется в зоне 7. Для получения нескольких фракций приборы для молекулярной дистилляции иногда устраиваются так, что остаток от одной дистилляции подвергается еще раз.перегонке при более высокой температуре.
Рис. 423. Десятиступенчатый прибор для молекулярной перегонки: 1 — сцепление с приводным мотором; 2 —место поступления продукта; 3 — испаритель; 4 —разделитель; 5 —лучевой нагреватель; 6 — десятиступенчатый конденсатор; 7—место выхода продукта.
Чтобы осуществить этот процесс, в прибор встраивают циркуляционный насос, с помощью которого остаток можно вновь перекачать вверх. На рис. 424 показан прибор, в котором процесс повторяется в результате того, что аппарат в необходимый момент переворачивается. Этот процесс можно повторять многократно. При другом методе несколько испарителей помещают один за другим, причем остаток переходит от аппарата К аппарату и подвергается воздействию более высокой температуры перегонки.
О перегонке под вакуумом нужно помнить следующее:
1. Собирая прибор, надо хорошо подобрать пробки обязательно резиновые. Убедившись, что прибор собран правильно, надо вымыть отдельные части его (колбу, холодильник и приемники), тщательно высушить и вновь собрать окончательно.
2: Прежде чем нагревать колбу Клайзена, следует проверить, какое разрежение получается при работе вакуум-насоса. Если будет замечено, что ртуть в запаянном колене манометра не опускается или не удается достигнуть нужного разрежения, проверяют места соединений и уплотняют тс из них, через которые проходит воздух.
3. Температуру надо поднимать медленно. Чем медленнее идет перегонка, тем лучше. В приемник должно капать не больше одной капли в секунду, лучше —даже реже.
4. По окончании перегонки отключают прибор от вакуум-насоса. Затем очень осторожно и возможно медленнее впускают воздух. При этом следует наблюдать за манометром. Ртуть в левом колене должна подниматься медленно. Когда она заполнит все колено,воздух можно впускать смелее, но не сразу.
6. При фракционной перегонке нельзя путать фракции.
7. Если работа ведется с дефлегматором, надо быть осторожным, чтобы не сломать его.
8. За работой масляного вакуум-насоса нужно постоянно следить.
см. также