Определение содержания этанола в растворе в процентах по массе и по объему. Определение содержания безводного этанола в растворах. Учет этанола.
Этиловый спирт является одним из наиболее часто применяемых растворителей в производстве фармацевтических препаратов. На производство поступает 96,2-96,7% этанол, который разводят водой или слабым спиртом до требуемой концентрации.
Концентрация этанола выражается в объемных процентах (%) и в массовых процентах [%(m)]. Если нет специального обозначения, подразумевается объемный процент. Концентрация этанола в объемных процентах (Cv) показывает, какое количество мл безводного этанола содержится в 10 мл водноспиртового раствора при 20оС. Концентрация этанола в процентах по массе (Cm) показывает, какое количество г безводного этанола содержится в 100 г водноспиртового раствора. Соотношение между объемными и массовыми процентами приведены в таблице 1 ГФ XI, составленной на основании зависимости
Cv*ρб/в=Cm*ρр-ра
Где ρб/в – плотность безводного этанола
Ρр-ра – плотность водноспиртового раствора
Содержание этанола в водноспирптовых раствора определяют стеклянным и металлическим спиртометрами, а также по плотности с помощью денсиметра (ареометра) или пикнометра.
По значению плотности при 20оС определяют Cv и Cm, используя таблицу 1 ГФ XI. По величине плотности, полученной при других температурах, и для показаний стеклянного и металлического спиртометров, перевод в объемные проценты при 20оС проводят с помощью таблиц издательства стандартов.
Концентрацию этанола определяют стеклянными спиртометрами класса 0,1 (цена деления 0,1%) или класса 0,5. Для практических целей пользуются спиртометрами класса 0,5 со встроенным термометром. Стеклянный спиртометр при температуре 20оС показывает концентрацию этанола в объемных процентах. Но в условиях крупных фармацевтических производств крепость спирта чаще необходимо измерять при температуре, отличающейся от 20оС. В этих случаях определение проводят при фактической температуре, а полученные значения стеклянного спиртометра при температуре определения приводят к 20оС с помощью таблицы III (Таблицы для определения содержания этилового спирта в водно-спиртовых растворах).
Более точно (с точность 0,1%) концентрацию спирта определяют с помощью металлического спиртометра, представляющего собой полый шар с припаянной шкалой сверху и коническим стержнем для навешивания гирь снизу. На шкале нанесены деления от 0 до 10, каждое из которых разделено на 5. Под нулевым делением шкалы нанесено деление 100. К спиртометру прилагаются 10 гирек в форме шарового сегмента с прорезью с номерами 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90. Самая большая гирька имеет нулевой размер, самая легкая – номер 90. Показания металлического спиртометра являются условными и складываются из показания гирьки и шкалы. При погружении спиртометра без гирьки к показаниям шкалы прибавляют 100. Концентрацию этанола (объемную) по показаниям металлического спиртометра определяют с помощью таблицы IV издательства стандартов.
Денсиметр (ареометр) при температуре 20оС показывает плотность водно-спиртового раствора, при которой находят концентрацию этанола, пользуясь алкоголеметрической таблицей 1 ГФ XI. Концентрацию этанола по показаниям денсиметра при температуре, отличающейся от 20оС, определяют с помощью таблицы II издательства стандартов. Точность до 0,01.
Более точные определения плотности растворов (0,001) проводят с помощью пикнометра при 20оС, по полученным данным рассчитывают плотность при 20оС (с учетом плотности воздуха при нормальном барометрическом давлении) и находят концентрацию этанола по алкоголеметрической таблице 1 ГФ XI.
Содержание спирта в водно-спиртовом растворе можно определить рефрактометрически и по величине поверхностного натяжения.
На химико-фармацевтических предприятиях учет производится по объему безводного этанола при 20оС. Склады фармацевтических предприятий получают этанол-ректификат по объему. В документации указывают температуру в мернике, показания металлического спиртометра, концентрацию этанола (при 20оС), множителя объемного содержания безводного этанола, объема безводного этанола при 20оС. В производственных условиях этанол разводят в основном по массе (температура при этом не имеет значения). Объемную концентрацию этанола переводят в проценты по массе и проводят расчеты по формуле (CV)креп=(CV)разб. Перевод объема полученного этанола-ректификата в массу проводится путем взвешивания, а также по расчету через абсолютный этанол по таблице IV, составленной с учетом взвешивания в воздухе.
Способы рекуперации этанола. Основы ректификации этанола. Устройство и принцип работы ректификационных установок.
Отработанное растительное сырье удерживает значительное количество экстрагента до 50% после отжатия и до 150% без стадии прессования. Чтобы избежать потерь экстрагента и сделать производство более рентабельным, этанол необходимо рекуперировать, т. е. возвратить в производство. Рекуперация осуществляется двумя путями: вытеснение этанола из отработанного сырья водой, отгонка этанола из отработанного сырья перегонкой с водяным паром.
Вытеснение водой достигается путем промывания отработанного сырья в том же экстракторе (перколяторе) трех-, пятикратным количеством воды. Промывные воды содержат 5—8% этанола и все растворимые компоненты сырья, которые дополнительно экстрагируются водой. Они имеют цвет, характерный запах исходного сырья. Поэтому рекуперат после укрепления можно использовать как экстрагент для того же вида сырья.
Для рекуперации путем перегонки с водяным паром применяют те же перегонные установки, что и для получения эфирных масел и ароматных вод. Сырье помещают в перегонный куб, снабженный паровой рубашкой и барботером (трубка, через которую внутрь сырья подается пар), или в перегонную колбу, которая в течение всего процесса перегонки подогревается на водяной бане. При подаче пара через барботер этанол увлекается паром, охлаждается в конденсаторе и собирается в приемник. При перегонке с водяным паром получают рекуперат с содержанием этанола 12— 15%. Но в отгон попадают летучие вещества исходного растительного сырья и он имеет специфический запах сырья, из которого получен. Поэтому рекуперат может использоваться как экстрагент для того же вида сырья.
Ректификация – тепломассообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадка, тарелки). В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза – более низкокипящим.
Целью ректификации вообще является чёткое разделение жидких смесей на отдельные чистые компоненты.
При ректификации спирта основная задача — из 40%-го получить спирт с концентрацией в нем этилового спирта не менее 96% при минимальным содержании посторонних примесей. Для этого процесс ректификации проводят за один раз на специальном ректификационном оборудовании. Это оборудование позволяет разделять водно-спиртовую смесь на отдельные азеотропные фракции, отличающиеся температурами кипения. промышленности применяются ректификационные установки непрерывного действия. В этих установках 85%-ый спирт и перегретый водяной пар смешиваются в нижней части колонны и превращаются в ≈ 40%-ый водно-спиртовой насыщенный пар при температуре ≈ 94°C (см. рис.1). Эта паровая смесь непрерывно поступает в ректификационную колонну, расслаивается по ее высоте на отдельные фракции, которые непрерывно и с определенным темпом отбираются из разных частей колонны. Для обеспечения нормальной работы таких непрерывных колонн требуются достаточно сложные и дорогие элементы автоматики.
В химических и физических лабораториях обычно применяют ректификационные колонны периодического действия, не требующие никакой автоматики.
Эти колоны оборудованы только элементарными средствами регулировки отбора, температурного контроля и манометрическим измерителем перепада давления на колонне.
Принципиальная схема периодической ректификационной установки представлена на рис. Установка состоит из испарительной емкости – куба 1 и ректификационной колонны, установленной вертикально на крышке куба. Куб заполнен перерабатываемой жидкостью 4, нагрев и испарение которой осуществляется нагревателем 5. Колонна включает в себя ректификационную часть 9 и головку колонны 10. Ректификационная часть колонны представляет собой трубу 11, покрытую снаружи теплоизоляцией 12 и заполненную внутри контактными элементами 13. Головка колонны представляет собой систему патрубков 3 к которой в соответствии со схемой подсоединены: термометр 6, конденсатор 2, охладитель 14 и регулятор отбора 15. Внизу ректификационной части колонны обычно монтируется манометрическая трубочка 16 для измерения перепада давления в колонне. Через охладитель 14 и конденсатор 2 постоянно протекает охлаждающая вода.
Ректификационная установка работает следующим образом. С помощью нагревателя кубовая жидкость доводится до кипения. Образующийся в кубе пар по ректификационной части колонны 9 поднимается вверх и попадает в конденсатор 2, где происходит его полная конденсация. Часть этого конденсата (флегмы) возвращается в ректификационную часть колонны, а другая часть проходит через охладитель 14 и в виде дистиллята 7 стекает в приемную емкость 8. Соотношение между расходами флегмы и отбираемого дистиллята называется флегмовым числом и устанавливается с помощью регулятора отбора 15. По всей высоте ректификационной части колонны происходит процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. В результате этого в головке колонны накапливается в виде пара и флегмы самый легкокипящий (с наименьшей температурой кипения) компонент кубовой жидкости, а следом за ним сама собой выстраивается “номерная очередь” (вниз по высоте колонны ) из разных веществ. “Номером” в этой очереди является температура кипения каждого компонента, возрастающая по мере опускания по колонне. С помощью регулятора 15 осуществляется медленный и последовательный отбор этих веществ в соответствии с их очередностью. “Номер” отбираемого в каждый момент вещества регистрируется с помощью термометра 6. Зная эту температуру с учетом атмосферного давления, можно достаточно точно указать основное вещество дистиллята, отбираемое в данный момент времени.