Иногда используется одностенный дистилляционный аппарат, и дистилляция проводится с помощью прямого пара. Этот метод, однако, не подходит там, где необходимо присутствие воды, например, при производстве масла горького миндаля.
Простой способ переоборудования обычного дистилляционного аппарата для использования с паром показан на рис. 4. Вместо шлема аппарата A используется цилиндрический сосуд B с отверстием в дне. Материалы, подлежащие дистилляции, помещаются в B и покоятся на проволочном дне, чтобы предотвратить попадание частиц в A. Из верхней части B труба R ведет к конденсатору. Как видно из иллюстрации, аппарат A служит только для генерации пара. Последний, проходя через B, нагревает содержимое и поглощает высвободившееся масло, причем объединенные пары проходят в конденсатор.
Fig. 4.
Эта простая модификация обычного перегонного куба дает определенные преимущества, главным из которых является предотвращение конденсации большого количества воды. Само по себе это не имело бы большого значения, но следует принять во внимание, что, хотя эфирные масла лишь очень незначительно растворимы в воде, они все же растворяются в ней в такой степени, что придают ей свой характерный запах и вкус. Такая ароматизированная вода может быть использована в производстве ликеров и парфюмерии, но для производителя, который ограничивается только получением эфирных масел, это представляет собой потерю, и поэтому ему необходимо конденсировать как можно меньше воды. И этой цели можно достичь только с помощью прямого пара.
Простой аппарат для этой цели показан на рис. 5. Перегонный куб b, снабженный шлемом, свободно покоится на подходящей опоре. Чтобы предотвратить охлаждение, он окружен деревянной рубашкой M. Материал, подлежащий экстракции, помещается на перфорированное дно, под которым входит труба HD, подводящая пар из котла. Для более равномерного распределения пара рекомендуется заканчивать эту трубу перфорированным змеевиком. Вода, сконденсировавшаяся в самом аппарате, отводится через короткую трубку H, расположенную в самой нижней части куба.
Fig. 5.
Усовершенствованный аппарат для перегонки сухих веществ паром был запатентован в Германии фирмой Schimmel & Co. из Лейпцига. Высокая коническая колонна слева (рис. 6) представляет собой перегонный куб. Примерно в восьми дюймах от дна находится перфорированная диафрагма или фальшдно, на которое помещается материал для перегонки, загружаемый через шлем куба. Перфорированный змеевик под диафрагмой направляет пар вверх через массу, которая периодически перемешивается снаружи с помощью горизонтального мешального устройства, обозначенного двумя крестиками. Любая сконденсировавшаяся вода, которая может стекать обратно, превращается в пар нагревательным змеевиком в нижней части. Тем временем сама масса нагревается длинным змеевиком, выстилающим корпус куба и несущим пар под высоким давлением. Эфирное масло, уносимое паром, проходит через шлем куба в охладитель справа, где конденсируются и масло, и пар, и откуда они стекают через небольшую воронкообразную трубку в три последовательных приемника, устроенных подобно флорентийским склянкам, которые удерживают отделившееся эфирное масло. Из последнего приемника вода, все еще пропитанная маслом, поступает в другой резервуар, показанный на рисунке только точками, а оттуда она стекает в небольшой шарообразный куб, расположенный внизу; в нем с помощью пара почти все еще удерживаемое масло снова испаряется вместе с водяным паром, и оба снова направляются в охладитель.
Fig. 6.
Предпринимались попытки осуществить перегонку эфирных масел без использования пара с помощью горячего воздуха, но сравнительные эксперименты показали, что масла получается меньше. При использовании пара растительные вещества разбухают от поглощения воды и тем самым обеспечивают свободный проход маслу, высвобождаемому из содержащих его мешочков. При использовании же горячего воздуха поверхность растения полностью высыхает и сморщивается в твердую массу, которая оказывает значительное сопротивление процессу перегонки.
Этот вредный эффект горячего воздуха можно несколько преодолеть путем тщательного увлажнения растений, подлежащих перегонке, и пропускания горячего воздуха перед входом в куб через трубку, наполненную постоянно влажными губками. Но этот процесс не дает преимуществ перед паровым. Требуемый аппарат гораздо сложнее; кроме того, необходимо предусмотреть вентилятор для нагнетания горячего воздуха через аппарат.
Отделение масла от воды. — Как упоминалось ранее, удельный вес большинства эфирных масел меньше удельного веса воды. Это свойство используется для отделения масла от воды с помощью так называемой флорентийской склянки (рис. 7). Она состоит из стеклянной колбы, снабженной вблизи дна трубкой a, поднимающейся вертикально почти до горлышка c колбы, где она изогнута вниз, как показано на рисунке. Смешанная жидкость из воды и масла капает из охлаждающей трубки в колбу, и вода w, будучи удельно тяжелее, отделяется от плавающего сверху масла и постепенно поднимается в трубке a, в конечном итоге переливаясь через край в d. Масла, удельно более тяжелые, чем вода, собираются в приемники, снабженные сливной трубкой вблизи горлышка колбы, как показано на рис. 8.
Масло, поступающее из приемников, однако, все еще смешано с некоторым количеством воды, грязи и т. д., и для их отделения ему дают спокойно постоять некоторое время. Окончательное разделение осуществляется либо простым сливанием масла, особенно если приходится иметь дело с большими количествами, либо с помощью делительной воронки (рис. 9). Она состоит из стеклянной воронки T, закрепленной на штативе G и снабженной плотно прилегающей крышкой P. Жидкость наливают в воронку, устанавливают крышку на место и оставляют все в покое до тех пор, пока вода W полностью не отделится от масла O. Затем масло отделяют от последних капель воды, осторожно открывая кран H.
Большинство эфирных масел получают путем перегонки, но этот метод не применим для выделения душистого начала многих наиболее ароматных и нежных цветов, отчасти потому, что цветы содержат слишком мало масла, а отчасти потому, что масло потеряло бы в качестве, если бы его получали путем перегонки.
Fig. 9.
Экстракция. — Для получения эфирных масел путем экстракции могут быть использованы различные растворители, такие как эфир, сероуглерод и т. д. Тщательно ректифицированный петролейный эфир очень подходит для этой цели. Он полностью испаряется при температуре около 122° F (50° C) и при достаточной очистке не обладает неприятным запахом. Процесс экстракции вкратце заключается в следующем: материал, подлежащий экстракции, обрабатывается в дигесторе петролейным эфиром или одним из вышеуказанных растворителей. Затем раствор сливается, а растворитель выпаривается в перегонном кубе. Реконденсированный растворитель немедленно стекает обратно в дигестор и продолжает экстрагировать содержащийся в нем материал. Операция повторяется до тех пор, пока не останется ничего растворимого. На практике, однако, с этим процессом связаны некоторые трудности, поскольку, помимо эфирных масел, растворяются смолы, красящие и экстрактивные вещества, которые необходимо удалять, так же как и последние следы растворителя, иначе масло приобретет посторонний запах. Кроме того, упомянутые растворители очень летучи и огнеопасны, что требует величайших мер предосторожности в отношении пожарной безопасности. По этим причинам процесс экстракции не подходит для многих целей, и хотя поначалу на него возлагались большие надежды, его использование ограничено веществами с высоким содержанием эфирного масла.
Fig. 10.
Для экстракции в небольших масштабах очень подходит аппарат, изображенный на рис. 10. Он особенно приспособлен для производителей парфюмерии, желающих экстрагировать свежие цветы. Он состоит из цилиндрического сосуда C из жести, снабженного на дне краном a и трубкой b. Крышка D входит в желоб R, идущий вокруг края C, и герметично закрывается водой в R. Цилиндр наполняется растительным веществом, подлежащим экстракции, и заливается достаточным количеством петролейного эфира или сероуглерода, чтобы покрыть его. Затем устанавливается крышка, желоб R наполняется водой, и аппарат оставляют в покое на сорок минут. Чтобы удалить жидкость из цилиндра, сначала открывают кран o в крышке, а затем кран a; жидкость вытекает через b и собирается в хорошо закрытый сосуд. Операцию можно повторить один или два раза, или растительное вещество отжимают с помощью деревянной пластины, а аппарат наполняют заново. Кран h служит для опорожнения желоба R.
Fig. 11.
По окончании экстракции открывают кран o, а затем кран a, и жидкость дают стечь в колбу перегонного аппарата (рис. 2). Однако для работы в больших масштабах колба слишком мала, и ее целесообразно заменить жестяным сосудом бутылочной формы F (рис. 11), коническая крышка D которого закреплена с помощью резинового кольца R и железных винтовых зажимов S. Изогнутая стеклянная трубка, вставленная в крышку, соединена с охлаждающей трубкой аппарата, показанного на рис. 2. Но масла, приготовленные путем экстракции, недостаточно очищаются простой ректификацией, так как следы растворителя упорно удерживаются в них, и их можно удалить только путем пропускания тока воздуха через масло. Но контакт с воздухом оказывает вредное влияние на тонкость аромата. Поэтому для дорогих масел никогда не следует использовать ток воздуха, а только ток чистой углекислоты. На рис. 12 показан подходящий для этой цели аппарат. Большая бутыль A, наполовину наполненная кусками белого мрамора, закрыта пробкой с двумя отверстиями; через одно из отверстий вставлена воронкообразная трубка, а через другое — короткая трубка, изогнутая под прямым углом. Последняя соединена с другой трубкой, которая доходит до дна сосуда B, в который также вставлена трубка, открытая в нижней части, и короткая трубка, изогнутая под прямым углом. Рядом с B стоит другой сосуд C, устроенный таким же образом. Трубка, идущая от C, соединена с жестяной трубой D с розоподобным расширением на нижнем конце. Эта труба вставлена в стеклянный баллон, содержащий эфирное масло. Наконец, труба ведет к колбе F, наполненной водой.
Fig. 12.
Для приведения аппарата в действие через воронкообразную трубку на куски мрамора в A наливают сильно разбавленную соляную кислоту, что вызывает развитие тока углекислоты. Но так как последняя уносит с собой воду и соляную кислоту, ее необходимо освободить от них, прежде чем она вступит в контакт с эфирным маслом. Для этой цели служат сосуды B и C. B наполовину наполнен водой, в то время как C содержит концентрированную серную кислоту. В B задерживается соляная кислота, уносимая током углекислоты, в то время как вода связывается серной кислотой в C. Ток углекислоты, выходящий из C, является совершенно чистым и поступает в эфирное масло через мелкие отверстия в трубе D. Он поглощает следы растворителя, все еще удерживающиеся в масле, и в конечном итоге выходит через воду в бутыли F.
Эфирные масла, полученные путем экстракции и очищенные током углекислоты, могут храниться годами, не подвергаясь изменениям, если их немедленно поместить в герметично закрытые сосуды и хранить в темном месте. Масла, очищенные током воздуха, при хранении всегда становятся несколько более густыми и частично теряют свой тонкий аромат, что объясняется кислородом, поглощенным в процессе.
Для экстракции масла в более крупных масштабах очень подходит аппарат, показанный на рис. 13. Он состоит из двух основных частей: собственно экстракционного сосуда E и перегонного куба B. Экстракционный сосуд E находится в чане с холодной водой W, причем устройство таково, что нагретую воду можно удалять и заменять холодной. Перегонный куб B находится в котле K, наполненном горячей водой.
Аппарат загружается следующим образом: коническая головка C экстракционного сосуда E отвинчивается, а ее соединение в H с трубой R ослабляется. Затем экстракционный сосуд загружается растительным веществом, головка C устанавливается на место, а соединение с трубой R восстанавливается. Затем открываются краны H2 и H4, и в перегонный куб вводится необходимое количество растворителя. Оба крана затем закрываются, а краны H и H1 открываются. Вода в котле затем нагревается до тех пор, пока содержимое перегонного куба не начнет кипеть. Пары растворителя поднимаются по трубе R; при входе в экстракционный сосуд E они конденсируются и, падая в виде брызг на материал, подлежащий экстракции, в конечном итоге возвращаются в перегонный куб B, будучи пропитанными эфирным маслом. Здесь растворитель снова испаряется и снова проходит через материал в экстракционном сосуде, в то время как экстрагированное масло остается в перегонном кубе. Во время кипения растворителя экстракционный сосуд должен соответствующим образом охлаждаться постоянной подачей холодной воды.
Fig. 13.
Когда экстракция закончена, краны H и H1 закрываются, а кран H2, соединенный с охлаждающим змеевиком, открывается. Затем растворитель выпаривается и регенерируется путем конденсации. Масло выпускается из перегонного куба через трубу в дне, снабженную краном H3.
Аппарат может быть также устроен так, что перегонный куб B соединен с двумя экстракционными сосудами, которые используются попеременно: пока содержимое одного экстрагируется, другой опорожняется и наполняется заново.
Fig. 14.
Для работы в очень больших масштабах очень подходит экстракционный аппарат Хейля, показанный на рис. 14. Он состоит из батареи из четырех или более чугунных или листовых железных цилиндров A1–A4, сообщающихся друг с другом и окруженных паровыми рубашками. Экстракционные сосуды устроены так, что их можно опорожнять путем наклона, что довольно неудобно, так как приходится отвинчивать все трубы. В каждом цилиндре непосредственно над дном находится перфорированная пластина, покрытая мелкой проволочной сеткой, на которую помещается материал для экстракции. Цилиндр наполняется доверху, и после помещения на него аналогичной пластины верхнее отверстие закрывается крышкой, подвешенной к крану. Цилиндр, как и крышка, снабжен широким фланцем, между которыми помещается пеньковая ткань, плотно сжатая 12 зажимами для уплотнения. После наполнения цилиндров материалом для экстракции и устройства уплотнения растворитель (сероуглерод) подается из резервуара через главную трубу B к экстракционным сосудам и вводится в A2 путем открытия крана C2, сообщающегося с трубой B. Сероуглерод проходит через изогнутую трубу D1, входит через кран E2 под фальшдно цилиндра A2 и, пропитав массу и наполнив цилиндр, проходит через кран C2 изогнутой трубы D2 и кран E3 в цилиндр A3, достигая четвертого цилиндра таким же образом через кран C3, трубу D3 и кран E4. Из последнего цилиндра он проходит в виде насыщенного масляного раствора в резервуар, в котором создан вакуум для содействия циркуляции жидкости во всем аппарате. После того как количество масляного раствора, соответствующее содержимому цилиндра A4, поступило, кран G4 закрывается, а кран C4 открывается, благодаря чему цилиндр A4 соединяется с A1 изогнутой трубой D4 и краном E1.
После истощения содержимого цилиндра A2, что определяется по стеклянной трубке H2 на D2 по бесцветности вытекающей жидкости, краны C1 и E2 закрываются, а C2 и E3 открываются, благодаря чему растворитель течет в A3, а оттуда в A4 и A1; A2 при этом исключается. Чтобы осуществить это исключение и в то же время не препятствовать введению сероуглерода, C1, C2, C3 и C4 являются так называемыми двухходовыми кранами, которые при установке в одно положение соединяют главную трубу B с ответвлениями D, но прерывают дальнейший поток через главную трубу B; в то время как в другом положении они закрывают трубы D и открывают главную трубу B.
Цилиндр A2, однако, все еще наполнен растворителем и пропитанным им материалом. Чтобы удалить растворитель, открывается сливной кран K2 на дне цилиндра, сообщающийся со сливной трубой J, через которую сероуглерод отводится в резервуар. Слив ускоряется открытием крана M2, соединенного с трубой L, и допуском сжатого воздуха, который вытесняет жидкий растворитель. После того как поток последнего прекратился, открываются паровые краны на рубашке O2 и цилиндре P2 при постоянном допуске воздуха и одновременном введении пара через трубу N в верхнюю часть цилиндра.
Растворитель (сероуглерод), превращенный в пар под действием тепла, отводится вместе с водяным паром путем допуска воздуха через кран K2, трубу J и охлаждающую трубу, расположенную между экстракционными сосудами и резервуаром, и собирается в резервуаре для повторного использования.
Из-за высокой летучести сероуглерода при вышеупомянутом допуске воздуха возникли бы значительные потери. Чтобы избежать этого, резервуар, служащий для приема конденсированного сероуглерода и водяного пара, закрывается и соединяется трубой с длинным узким горизонтальным цилиндром, наполовину наполненным маслом и снабженным валом вентилятора. Пары сероуглерода, поступающие в цилиндр из резервуара, поглощаются вместе с воздухом маслом, поверхность которого постоянно перемешивается валом вентилятора, в то время как воздух, ставший совершенно без запаха, выходит с другого конца. Сероуглерод в конечном итоге отделяется от масла путем перегонки и снова используется.
После того как цилиндр A2 достаточно пропарен, он опорожняется и снова загружается материалом и соединяется с цилиндром A1; в то время как другие цилиндры подвергаются тем же манипуляциям, что описаны выше.
Fig. 15.
Насыщенный масляный раствор подвергается перегонке, что легко осуществляется в аппарате Хейля, рис. 15. Нижняя часть перегонного куба A из котельного железа окружена паровой рубашкой B, в которую пар подается через C, а конденсированная вода отводится через D. Концентрированный масляный раствор стекает из резервуара, стоящего на более высоком уровне, через трубу E в перегонный куб, причем допуск достаточного количества указывается манометром F. Сероуглерод, доведенный до точки кипения (114° F / 45,5° C) паром, введенным в рубашку, быстро испаряется; испарение еще более ускоряется вращением мешалки H с помощью рукоятки G. Пары сероуглерода выходят через четыре отверстия в верхней части куба в вместительный змеевик, нижняя часть которого входит под воду в резервуар.