第02章蒸馏与分馏技术

1、第二章蒸馆与分憎技术2.1蒸馆技术2.2分憎技术2.3减压蒸憎技术2.4水蒸气蒸馆技术第二章蒸憎与分憎技术蒸憎/分憎：均是利用有机物具有不同沸点 进行分离的方法。其技术：普通蒸憎 减压蒸馆 水蒸气蒸憎 分馆应用:用于液体组分的分离.提纯和浓缩。2.1蒸馆技术（1）二元组分体系的相图相律的表达式为：F=K-0+2式中：F （自由度）,K （组分数），0 （相数）对于二元体系，K=2, 0=1 （蒸憎操作中对象一 般为均一的液体）则：F=2-1+2=3O即自由度为: 温度（T）、压力（P）和浓度（X） o表示这三个变量的相图必须用立体图。但一般 蒸馆操作是在固定的压力下逬行的，所以可以用 这个立体

2、相图的一个截面，即平面图TX图来表 示其气液平衡。T(°C)T (°C)G(相区)图2T液平衡的相图 aA如分别为A、B两物 质在纯化合物肘的正常 沸点，aA >aBO aA>宓之间的两条弧线, 上面的叫气相线，下面 的叫液相线。在气相线 上方为气相单相区，在 液相线下方为液相单相 区，两线之间为气液两 相共存。纵坐标为温度。横坐标 为A、B两组分的组成， 左端为100%A,右端 为 100%Bo当A. B两组分组成为1的弧立体系 加热到S点肘，体系出现两相。据此相图可 知它们的组成：J气相的组成：B： X%; A：（液相的组成：B: XlB ; A : l-X

3、lB蒸憎原理:如上图，若原始溶液的组成为Xb，加热到S， 时开始沸腾，此肘，共存气相的组成为显然X% > XB o若将该气相液化, 则组分B较原始溶液含量高；而留在蒸憎瓶 中的溶液中含A组分（高沸点）比原来多。注意：一般情况下只有两组分的沸点相差80C 以上时才有可能得到纯的低沸点憎出物。若两 组分沸点相差力于80匕，最好用分憎。.A|Vj(3)蒸18装置及一般操作装置问题：I温度计水银球位置？最大刻度的要求? II安装与拆装顺序？III冷凝管哪端接水管？冋题：I料液最多不能超过烧瓶多少？II沸石的作用？沸石能否重复使用？ in冷凝器如何选用？IV判断憎出液沸点的现彖？应该怎样做？ v停

4、止蒸憎顺序？.A|Vj图2-2蒸f留实验装置及安装方法注意: 蒸憎过程中，蒸憎装置永远不能完全密封，总有一处通大 气。 被蒸憎液中含有的固体，应先滤去。蒸憎前要了解被蒸憎物的性质。一是了解其组成沸点，二 是了解有无在蒸憎中会发生爆炸的物质存在（如过氧化氢、 高氯酸、聊等物质达到一定浓度后自身或在有机物存在下发 生爆炸。）。若有，应先除去或控制其浓度不要接近危险点, 并且要在有安全保护装置的条件下进行蒸憎。par Ji®若憎出液需绝对干燥，在接液管的支管上可接一个干燥塔， 以防止大气中水分侵入。若憎出液毒性大或气味难闻，可在 接液管支管上接一个吸收瓶吸收，或者在某些情况下接一 根管子引

5、入水槽下水管，用水流带走逸出的气体。2.2分ta技术定义：应用分憎柱来使几种沸点相近的混 合物进行分离的方法，称为分憎。实质：就是多次的蒸馆作用。分憶的庄原理多次蒸憎原理：图2-3对于沸点接近的混合物，采用多次简单 蒸馆以得到纯物质是不现实的，而这种多次 重复的操作可以用分憎（在分憎柱中）来完 成。mol% 100M604020 *Q图2-3苯-甲苯体系的温度-组成相图图2-4常见分憎柱a-维格罗柱b-亨普尔柱分憎头实验室常用的分憎柱有两种：维格罗(Vigrux)柱和 亨普尔(Hempel)柱。维氏柱又叫刺形分憎柱，是一个有 很多犬牙交错凹凸的玻璃管。它几乎是一般有机实验室必 备的仪器。优点是

6、无需填料，柱内滞留液体很少且易于洗 脱，缺点是分憎效率差。亨氏柱又叫填料式分憎柱，其空管如图2-4bo管内 径为253.5cm,长度3 60cm不等。分憎效率的咼低取 决于填料的种类,一般是“雷氏环”、短玻管(6 x6mm) o 该分憎柱优点是分憎效率高，缺点是柱内液体滞留较多且 不易洗脱。陽蚀原理当烧瓶中被分憎的液体加热到沸点后，蒸气 逬入分啊柱，并被部分冷凝成液体。这液体含 低沸点成分比蒸馆瓶内的多，因此沸点也比蒸 憎瓶内的低。当烧瓶内另一部分蒸气上升到分 憎柱中时，便和这部分已冷凝的液体进行热交 换，使其重新气化，而蒸气则被部分冷却。继 续上升的蒸气在离开分憎柱以前在不断逬行着 上升一冷

7、凝一气化的过程。每一次分憎柱内由 下向上的气化一冷凝过程都使低沸点组分的含 量提高。难以用简单蒸憎的办法分离的混合液 体在适当的分啊柱和适当的条件下可分开。 rV分憎柱的效率用理论塔板数(n)和理论塔板高度(H)表示。理论塔板：_个理论塔板就相当于_次简单 蒸馆。一根分馆柱的理论塔板数越大，分憎 能力越大。理论塔板高度：表示分馆柱单位高度的分馆 效率。也就是相当于完成一次蒸憎所需的分 憎柱高度。越小越好。其关系：理论塔板数二柱长一理论塔板高度浇点具有固定的沸点和固定组成的双组分混合物, 其沸腾时气相和液相的组成完全相同，无法分憎分 离。这一沸点叫共沸点；其组成叫共沸物。最高共沸点一共沸点高于两

8、个组分的独立沸点。最低共沸点一共沸点低于两个独立组分沸点。图35图36r:- - -图2-4最高共沸混合物的相图 图2-5最低共沸混合物的相图如果溶液组成位于乙点人边，则分憎仅能得到少量的低沸点A； 如果溶液组成位丁Z点右边，则分Y留仅能得到少量的高沸点B。注意:当某混合物中的组分能形成共沸时，有两种情况。I有最高共沸点时，在被分憎物组成未达到恒温组 成前，可能将多余的组分憎出一部分，使体系内 组成逐渐向共沸组成接近。当瓶内物料组成已达 到共沸物的组成后，温度即会上升，共沸物开始 憎出，直到瓶内物料蒸完为止II若物料是双组分具有最低共沸点的体系，则情况 有所不同。先蒸出共沸物，当其中一种组分被

9、蒸 完后，温度会上升到多余组分的沸点，即多余组 分被蒸出直至蒸完。例如:乙醇沸点为78.3°C,水的沸点为100°CO1!水和乙醇可以形成共沸物，共沸点在78.rco 共沸物的组成为乙醇95.6%,水4.4%o当乙醇和水的混合物在分馆时，先憎出的液体组 成总是共沸物的组成，即乙酹95.6%,水4.4%。直到乙醇或水两个组分之一被蒸完后，才蒸出另 个纯组分。所以含水的乙醇是无法用分憎来制 备无水乙醇的。元共沸混合物几种常见的共沸混合物表31共沸混合物沸点（°C）组成（沸点°C）水(100)78.2乙醇（7&5）水（100）苯（80.1）各组份含量（

10、）4.495.6水(100) 甲苯(110.6)乙醇(78.5)苯(80.1)水(100)84.167.8108.6氯化氢（一837）19.680.432.467679.820.22 酮®2)64.7氯仿(61.2)20.080.0操作耍点：为了防止柱内液体聚集，通 常用石棉绳或电加热套管包 扎柱体，以保证柱内气液热 交换的动态平衡。柱内的气液间的热量交换需 要一定的时间,因此蒸憾速 度或蒸汽上升速度不应太快, 这是至关重要的。如果加热 太猛，蒸出速度过快，不仅 会使柱内失去梯度而降低柱 效，同时还容易造成液泛 （即上升蒸汽将下降的液体 顶上去，破坏了回流的现 象），所以要注意调控温

11、度。分镭柱要尽可能调整到垂直 状态，以保证柱子内表面的 冷凝液的均匀分布和蒸气的 齐头上升。(3)分馆应注意的问题选好分憎柱分馆的关键。被分馅的混合物沸点差别越大, 对分憾柱的要求越低；沸点差别越小，使用的 分馅柱塔板数应越高。Ti+T2n分馆柱所需理论塔板数也可以用下式估算：n为理论塔板数一 2 ( T2T1)丁2、T1为低、高沸点组分的沸点(K)注意实际塔板数高于计算所得的理论塔板数, 才能得到满意的结果。理论塔板数与实际塔板数之比叫塔板效 率(fl),耳应为 0. 5-0. 7O318要进行控制好恒定的分憎速度，选择好合适 的回流比。映减少分 镉柱的热损失和SS波动 这样可提高分憎效率。

12、注意双组分液体共浇点的蒸惚2.3减压蒸tg对于那些常压蒸馆对会发生分解、聚合及其 他反应的化合肠以及那些沸点高柱常压熱他对堆 以熱出的有机畅。分育和提纯对采用减圧熱儈。(1)基本原理III沸点：液体加热时，液面上蒸汽压等于外 界大气压肘的温度。液体表面的压力降低肘，便可降低液体的 沸点。减压蒸懾就是降低液体表面压力，使有机 物沸点大大下降，变得容易蒸出。沸点与给定的压力之间的关系可以近似地 用下式表示：lgP = A +P为蒸气压，即液面的气压；IIIT为沸点的绝对温度；A、B均为常数。为纵矗VT为横轴，可近似得到一条直线。（图2-7）可粗略找出某个压力下的沸点。上力(rninHg )13常丿

13、k沸山T至兰三 mtwTT.T.HIITT二二三=x图2-7压力/沸点关系311液体在常压下的沸点与减压下的沸点的近似关系图*按照国家标准，压力的单位应为Pa, lmmHg=O.133kPa表3-2几种有机物的沸点与压力的关系AJZJ 11VHF（2）装置（图2-8） 毛细管的安装、作用？能使用沸石吗？ 接收瓶使用圆底烧瓶；接液管有单头和多头（转 动多头可接收不同他分丿O 仪器一般均为磨的。 减压设备：油泵；真空泵；水泵。操作IINV开始蒸帼:装置一开真空泵一旋毛细管上螺 丝夹达到所需压力一开冷却水并开始加热一控 温使每秒憎出1-2滴。结束蒸憎:撤离热源一缓缓打开毛细管上螺丝 夹一关闭真空泵。

14、附：实验装置与操作常由减压蒸憎裝置可以分为蒸憎、抽气、安全系统和测 压四部分。不得漏气是保证减压蒸憎的先决条件*<1<-tN接爪力计J 二女金瓶图28减压蒸憎装置图 11VHF24水蒸气蒸憎适用于下面几种惜况： 从大量树脂状或不挥发性杂质中分誉有机畅； 从含丸量固体的反应混含畅或夭然的植畅根莖叶及种子中分富有一走挥发性的液体蛆分; 除"去挥发性的有机畅杂质；禁些有机肠扈其旬身谕点显度下易菠破坏,水熬现蒸他可以蛊100 °C以下熱岀。优点： 试样中含有固体也可以； 蒸憎对象沸点很高，但蒸出液温度却很低被蒸馆的物质应该具备下列条件：不溶或几乎不溶于水；在沸腾下与水共

15、存不起化学变化；在100匕左右具有一定的蒸气压，一般不小于 1333Pa (lOmmHg)。基本原理据道尔顿分压定律，P总二Pa+Pb，III当跟二P外时的溫度(T)为该混合体系的沸点。 此时的漁点比任何一个单独组分的沸点要低。可 将不溶于水的沸点较高的组分在100C以下与水一 起蒸憎出来。估算水蒸气蒸憎时憎出液中水和有机组分 的*目对量nB=Wb/Mb,（其中Wa、Wb为各V PV=nRT,当在同一温度下，同一容积中操作时， 有：nAnB=PAB 而：n=WA/M A,组分蒸气的质量；Ma和Mb为各自的分子量。） WA/ WB = MAnA /Mb nB = MAPA /MB可见，两种组分在

16、馅出液中的质量之比等于它们各自 的蒸气压和分子量之积的比。LN例如:漠苯在常压下的沸点为156°C,水的沸点为100°C o 在955°C时,水的蒸气压力为86112Pa (646mmHg), 漠苯的蒸气压为15196Pa (114mmHg)。用水蒸气 蒸馅漠苯时，混合物在955°C开始沸腾。蒸馅液中的 物质之比为： w 水/w漠苯二 18 X 646 /157 X114 = 6.5/10每蒸出65名水,应蒸出10£漠苯，蒸馆液中含漠代苯 61%。实际值比此值小。原因是蒸气进入蒸憎瓶中 还来不及被蒸馆物混合，就有部分就离开了蒸馅瓶。(2)装置通

17、常采用的有三种方法，即水蒸汽蒸憎法，直接水蒸汽蒸 憎法及过热水蒸汽蒸憎法(该法在此处不做介绍)。02-9水蒸气蒸馅装置图A水蒸气发生器B蒸汽出口C安全管D-汽水分离器E螺旋夹F蒸汽导入管G园底烧瓶I心水蒸汽蒸憾法由水蒸汽发生器和蒸馆装置组成。装(图2-9)问题： 安全管起什么作用？ 蒸馆瓶内液体不超过其容积多少? 在水蒸气发生器与蒸憎瓶间有一个三通T形管, 它的作用？(3)操作开始蒸tg：装置(包括装水、加样)-打开三通 T (E)形管-加热蒸气发生器至沸腾亠夹紧E夹-通入水蒸汽至物料沸腾一通入冷凝一收集憎液。结束or中断蒸馆：IS必须先打开T形管下的夹子一再停止加热。油水分离：被蒸出物在分液漏斗内静置一油水分离。注意：发现安全管中水位迅速升高，则表 示系统发生了堵塞或冷凝水未打开加热又