第二章蒸馏与分馏技术

第二章蒸馏与分馏技术2.1蒸馏技术2.2分馏技术2.3减压蒸馏技术2.4水蒸气蒸馏技术2023/2/21第二章蒸馏与分馏技术蒸馏/分馏：均是利用有机物具有不同沸点进行分离的方法。2023/2/22其技术：普通蒸馏减压蒸馏水蒸气蒸馏分馏应用：用于液体组分的分离、提纯和浓缩。2.1蒸馏技术（1）二元组分体系的相图

相律的表达式为：F=K-+2

式中：F（自由度），K（组分数），（相数）对于二元体系，K=2，=1（蒸馏操作中对象一般为均一的液体）则：F=2-1+2=3。即自由度为：温度（T）、压力（P）和浓度（X）。表示这三个变量的相图必须用立体图。但一般蒸馏操作是在固定的压力下进行的，所以可以用这个立体相图的一个截面，即平面图T-X图来表示其气液平衡。2023/2/23图2-1气-液平衡的相图aA、aB分别为A、B两物质在纯化合物时的正常沸点，aA

＞aB。aA、aB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%B。2023/2/24

当A、B

两组分组成为XB

的弧立体系加热到S点时，体系出现两相。据此相图可知它们的组成：气相的组成：B：XgB；A：1-XgB液相的组成：B：XlB

；A：1-XlB2023/2/25（2）蒸馏原理：蒸馏液态混合物，由于低沸点物质比高沸点物质更易汽化，故沸腾时所生成的蒸气中含有较多的低沸点物质。当蒸气冷凝为液体时（馏出液），其组成与蒸气的组成相同，故先蒸出的主要是低沸点组分。随着低沸点组分的蒸出，混合液中高沸点组分的比例提高，致使其沸点随之升高，当温度相对稳定时，再收集馏出液，则主要是高沸点组分。藉此，可部分或全部分离液态混合物中的各组分。注意：一般情况下只有两组分的沸点相差80℃以上时才有可能得到纯的低沸点馏出物。若两组分沸点相差小于80℃，最好用分馏。2023/2/26（3）蒸馏装置及一般操作①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？②操作问题：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？

Ⅲ冷凝器如何选用？

Ⅳ判断馏出液沸点的现象？应该怎样做？

Ⅴ停止蒸馏顺序？2023/2/27图2-2蒸馏实验装置及安装方法2023/2/28注意：①蒸馏过程中，蒸馏装置永远不能完全密封，总有一处通大气。②被蒸馏液中含有的固体，应先滤去。③蒸馏前要了解被蒸馏物的性质。一是了解其组成沸点，二是了解有无在蒸馏中会发生爆炸的物质存在(如过氧化氢、高氯酸、肼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馏。2023/2/29④若馏出液需绝对干燥，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。若馏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入水槽下水管，用水流带走逸出的气体。

2023/2/2102.2分馏技术定义：应用分馏柱来使几种沸点相近的混合物进行分离的方法，称为分馏。实质：就是多次的蒸馏作用。（1）分馏的基本原理①多次蒸馏原理：图2-3

对于沸点接近的混合物，采用多次简单蒸馏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馏（在分馏柱中）来完成。2023/2/211图2-3苯-甲苯体系的温度-组成相图2023/2/212②分馏柱图2-4常见分馏柱a-维格罗柱b-亨普尔柱c-分馏头2023/2/213

实验室常用的分馏柱有两种：维格罗（Vigrux）柱和亨普尔（Hempel）柱。维氏柱又叫刺形分馏柱，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。优点是无需填料，柱内滞留液体很少且易于洗脱，缺点是分馏效率差。

2023/2/214亨氏柱又叫填料式分馏柱，其空管如图2－4b。管内径为2.5—3.5cm,长度30—60cm不等。分馏效率的高低取决于填料的种类,一般是“雷氏环”、短玻管（6×6mm）。该分馏柱优点是分馏效率高，缺点是柱内液体滞留较多且不易洗脱。回流比：指在同一时间内回流的液体量和馏出的液体量之比（可以用数滴来简单地计量）。2023/2/215③分馏原理

当烧瓶中被分馏的液体加热到沸点后，蒸气进入分馏柱，并被部分冷凝成液体。这液体含低沸点成分比蒸馏瓶内的多，因此沸点也比蒸馏瓶内的低。当烧瓶内另一部分蒸气上升到分馏柱中时，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馏柱以前在不断进行着上升—冷凝—气化的过程。每一次分馏柱内由下向上的气化—冷凝过程都使低沸点组分的含量提高。难以用简单蒸馏的办法分离的混合液体在适当的分馏柱和适当的条件下可分开。2023/2/216④分馏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：一个理论塔板就相当于一次简单蒸馏。一根分馏柱的理论塔板数越大，分馏能力越大。理论塔板高度：表示分馏柱单位高度的分馏效率。也就是相当于完成一次蒸馏所需的分馏柱高度。越小越好。其关系：理论塔板数=柱长÷理论塔板高度

2023/2/217⑤共沸点最高共沸点—共沸点高于两个组分的独立沸点。最低共沸点—共沸点低于两个独立组分沸点。

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，无法分馏分离。这一沸点叫共沸点；其组成叫共沸物。2023/2/218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Z点左边，则分馏仅能得到少量的低沸点A；如果溶液组成位于Z点右边，则分馏仅能得到少量的高沸点B。2023/2/219注意：当某混合物中的组分能形成共沸时，有两种情况。有最高共沸点时，在被分馏物组成未达到恒温组成前，可能将多余的组分馏出一部分，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，共沸物开始馏出，直到瓶内物料蒸完为止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。2023/2/220例如：乙醇沸点为78.3℃，水的沸点为100℃。水和乙醇可以形成共沸物，共沸点在78.1℃。共沸物的组成为乙醇95.6%，水4.4%。当乙醇和水的混合物在分馏时，先馏出的液体组成总是共沸物的组成，即乙醇95.6%，水4.4%。直到乙醇或水两个组分之一被蒸完后，才蒸出另一个纯组分。所以含水的乙醇是无法用分馏来制备无水乙醇的。2023/2/221表3-1几种常见的共沸混合物组成（沸点℃）共沸混合物沸点（℃）各组份含量（％）二元共沸混合物水（100）78.24.4乙醇（78.5）95.6水（100）69.48.9苯（80.1）91.1水（100）84.119.6甲苯（110.6）80.4乙醇（78.5）67.832.4苯（80.1）67.6水（100）108.679.8氯化氢（－83.7）20.2丙酮（56.2）64.720.0氯仿（61.2）80.02023/2/222（2）分馏的操作装置操作要点：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，因此蒸馏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），所以要注意调控温度。分馏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。图2-6分馏装置2023/2/223（3）分馏应注意的问题n—为理论塔板数T2、T1—为低、高沸点组分的沸点(K)①选好分馏柱分馏的关键。被分馏的混合物沸点差别越大，对分馏柱的要求越低；沸点差别越小，使用的分馏柱塔板数应越高。分馏柱所需理论塔板数也可以用下式估算：

2023/2/2242.3减压蒸馏

对于那些常压蒸馏时会发生分解、聚合及其他反应的化合物以及那些沸点高在常压蒸馏时难以蒸出的有机物。分离和提纯时采用减压蒸馏。（1）基本原理

沸点：液体加热时，液面上蒸汽压等于外界大气压时的温度。

液体表面的压力降低时，便可降低液体的沸点。

减压蒸馏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。2023/2/225沸点与给定的压力之间的关系可以近似地用下式表示：P—为蒸气压，即液面的气压；T—为沸点的绝对温度；A、B均为常数。若以lgP为纵轴，1/T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。2023/2/226图

2-7压

力

/

沸

点

关

系2023/2/227表3－2几种有机物的沸点与压力的关系沸点/℃

压力(Pa)101308666540003333266620001333667水1003830262217.5111氯5292210甘油290204192188182175167156蒽3542252072011941861751592023/2/228（2）装置（图2-8）①毛细管的安装、作用？能使用沸石吗？②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馏分）。③仪器一般均为磨口的。④减压设备：油泵；真空泵；水泵。（3）操作

开始蒸馏：装置—

开真空泵—

旋毛细管上螺丝夹达到所需压力—

开冷却水并开始加热—

控温使每秒馏出1-2滴。

结束蒸馏：撤离热源—

缓缓打开毛细管上螺丝夹—

关闭真空泵。2023/2/229附：实验装置与操作

常用减压蒸馏装置可以分为蒸馏、抽气、安全系统和测压四部分。不得漏气是保证减压蒸馏的先决条件。图2-8减压蒸馏装置图2023/2/2302.4水蒸气蒸馏适用于下面几种情况：①从大量树脂状或不挥发性杂质中分离有机物；②从含大量固体的反应混合物或天然的植物根茎叶及种子中分离有一定挥发性的液体组分；③除去挥发性的有机物杂质；④某些有机物在其自身沸点温度下易被破坏，用水蒸汽蒸馏可以在100℃以下蒸出。优点：①试样中含有固体也可以；②蒸馏对象沸点很高，但蒸出液温度却很低2023/2/231被蒸馏的物质应该具备下列条件：不溶或几乎不溶于水；在沸腾下与水共存不起化学变化；在100℃左右具有一定的蒸气压，一般不小于1333Pa（10mmHg）。（1）基本原理

据道尔顿分压定律，P总=PA+PB，当P总=P外时的温度（T）为该混合体系的沸点。此时的沸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100℃以下与水一起蒸馏出来。2023/2/232估算水蒸气蒸馏时馏出液中水和有机组分的相对量∵PV=nRT，当在同一温度下，同一容积中操作时，有：nA/nB=PA/PB而：nA=WA/MA，nB=WB/MB，(其中WA、WB为各组分蒸气的质量；MA和MB为各自的分子量。)∴WA/

WB=MAnA/MBnB=MAPA/MBPB可见，两种组分在馏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。2023/2/233例如：溴苯在常压下的沸点为156℃，水的沸点为100℃。在95.5℃时,水的蒸气压力为86112Pa（646mmHg）,溴苯的蒸气压为15196Pa（114mmHg）。用水蒸气蒸馏溴苯时，混合物在95.5℃开始沸腾。蒸馏液中的物质之比为：

W水/

W溴苯=18×646

/157×114

=6.5/10每蒸出6.5g水,应蒸出10g溴苯，蒸馏液中含溴代苯61%。实际值比此值小。原因是蒸气进入蒸馏瓶中还来不及被蒸馏物混合，就有部分就离开了蒸馏瓶。2023/2/234通常采用的有三种方法，即水蒸汽蒸馏法，直接水蒸汽蒸馏法及过热水蒸汽蒸馏法（该法在此处不做介绍）。水蒸汽蒸馏法由水蒸汽发生器和蒸馏装置组成。（2）装置图2-9水蒸气蒸馏装置图A—水蒸气发生器B—蒸