蒸餾與分餾分離技術(shù)..說(shuō)課材料

1、蒸餾與分餾分離技術(shù).一、一、 蒸餾技術(shù)蒸餾技術(shù)（1 1）二元組分體系的相圖）二元組分體系的相圖 相律的表達(dá)式為：相律的表達(dá)式為：F=K-F=K-+2+2 式中：式中： F F（自由度），（自由度），K K（組分?jǐn)?shù)），（組分?jǐn)?shù)），（相數(shù)）（相數(shù)） 對(duì)于二元體系，對(duì)于二元體系，K=2K=2，=1=1（蒸餾操作中對(duì)象一（蒸餾操作中對(duì)象一般為均一的液體）則：般為均一的液體）則：F=2-1+2=3F=2-1+2=3。即自由度為：。即自由度為：溫度（溫度（T T）、壓力（）、壓力（P P）和濃度（）和濃度（X X）。）。 表示這三個(gè)變量的相圖必須用立體圖。但一般蒸表示這三個(gè)變量的相圖必須用立體圖。但一般蒸

2、餾操作是在固定的壓力下進(jìn)行的，所以可以用這餾操作是在固定的壓力下進(jìn)行的，所以可以用這個(gè)立體相圖的一個(gè)截面，即平面圖個(gè)立體相圖的一個(gè)截面，即平面圖T-XT-X圖來(lái)表示圖來(lái)表示其氣液平衡。其氣液平衡。 圖圖1 1 氣氣- -液平衡的相圖液平衡的相圖a aA A、a aB B分別為分別為A A、B B兩物兩物質(zhì)在純化合物時(shí)的正常質(zhì)在純化合物時(shí)的正常沸點(diǎn)，沸點(diǎn)， a aA A a aB B 。a aA A、a aB B之間的兩條弧線，之間的兩條弧線，上面的叫氣相線，下面上面的叫氣相線，下面的叫液相線。在氣相線的叫液相線。在氣相線上方為氣相單相區(qū)，在上方為氣相單相區(qū)，在液相線下方為液相單相液相線下方為液

3、相單相區(qū)，兩線之間為氣液兩區(qū)，兩線之間為氣液兩相共存。相共存。 縱坐標(biāo)為溫度。橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)為溫度。橫坐標(biāo)為為A A、B B兩組分的組成，兩組分的組成，左端為左端為100%A100%A，右端為，右端為100%B100%B。（100B）10（100A）ABGGLSSgXBXBLgXBXBTT（）（）G(相區(qū))L(相區(qū))G+LTbB。（ ）（ ）TbA。 當(dāng)當(dāng)A A、B B 兩組分組成為兩組分組成為X XB B 的弧立體系加的弧立體系加熱到熱到S S點(diǎn)時(shí)，體系出現(xiàn)兩相。據(jù)此相圖點(diǎn)時(shí)，體系出現(xiàn)兩相。據(jù)此相圖可知它們的組成：可知它們的組成：氣相的組成：氣相的組成：B B：X Xg gB B ； A A：

4、1- 1- X Xg gB B液相的組成：液相的組成：B B：X Xl lB B ； A A ：1- 1- X Xl lB B（2 2）蒸餾原理：）蒸餾原理： 如圖如圖1 1，若原始溶液的組成為若原始溶液的組成為X XB B，加熱到，加熱到S S 時(shí)開始沸騰，此時(shí)，共存氣相的組成為時(shí)開始沸騰，此時(shí)，共存氣相的組成為X Xg gB B ，顯然，顯然 X Xg gB B X XB B 。若將該氣相液化，。若將該氣相液化，則組分則組分B B較原始溶液含量高；而留在蒸餾瓶較原始溶液含量高；而留在蒸餾瓶中的溶液中含中的溶液中含A A組分（高沸點(diǎn)）比原來(lái)多。組分（高沸點(diǎn)）比原來(lái)多。注意：一般情況下只有兩組

5、分的沸點(diǎn)相差注意：一般情況下只有兩組分的沸點(diǎn)相差8080以上時(shí)才有可能得到純的低沸點(diǎn)餾出物。若兩以上時(shí)才有可能得到純的低沸點(diǎn)餾出物。若兩組分沸點(diǎn)相差小于組分沸點(diǎn)相差小于8080，最好用分餾。，最好用分餾。（3 3）蒸餾裝置及一般操作）蒸餾裝置及一般操作裝置裝置問(wèn)題：?jiǎn)栴}：溫度計(jì)水銀球位置？最大刻度的要求？溫度計(jì)水銀球位置？最大刻度的要求？ 安裝與拆裝順序？安裝與拆裝順序？ 冷凝管哪端接水管？冷凝管哪端接水管？操作操作問(wèn)題：?jiǎn)栴}：料液最多不能超過(guò)燒瓶多少？料液最多不能超過(guò)燒瓶多少？ 沸石的作用？沸石能否重復(fù)使用？沸石的作用？沸石能否重復(fù)使用？ 冷凝器如何選用？冷凝器如何選用？ 判斷餾出液沸點(diǎn)的現(xiàn)

6、象？應(yīng)該怎樣做？判斷餾出液沸點(diǎn)的現(xiàn)象？應(yīng)該怎樣做？ 停止蒸餾順序？停止蒸餾順序？?jī)x器選用：儀器選用：根據(jù)蒸餾物的量，選擇大小合適的蒸餾瓶（蒸餾物液根據(jù)蒸餾物的量，選擇大小合適的蒸餾瓶（蒸餾物液體的體積，一般不要超過(guò)蒸餾瓶容積的體的體積，一般不要超過(guò)蒸餾瓶容積的2/3，也不要少，也不要少于于1/3。儀器安裝儀器安裝：（先下后上、先左后右）（先下后上、先左后右）確定熱源（電爐、水浴、油浴或其它熱源）確定熱源（電爐、水浴、油浴或其它熱源）固定蒸固定蒸餾瓶餾瓶裝蒸餾頭裝蒸餾頭安溫度計(jì)（使溫度計(jì)水銀球的上限安溫度計(jì)（使溫度計(jì)水銀球的上限與蒸餾頭側(cè)管的下限同處一水平線上）與蒸餾頭側(cè)管的下限同處一水平線上）

7、裝冷凝管裝冷凝管（上端出水口向上，出水；下端進(jìn)水口向下，進(jìn)水）（上端出水口向上，出水；下端進(jìn)水口向下，進(jìn)水）接液管接液管接受瓶（一般不用燒杯作接受器，常壓蒸接受瓶（一般不用燒杯作接受器，常壓蒸餾用錐形瓶，減壓蒸餾用圓底燒瓶；正式接受餾液的餾用錐形瓶，減壓蒸餾用圓底燒瓶；正式接受餾液的接受瓶應(yīng)事先稱重并做記錄）。接受瓶應(yīng)事先稱重并做記錄）。圖2 蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置及安裝方法安裝儀器安裝儀器加加 料料加沸石加沸石通冷凝水通冷凝水餾分收餾分收集集停止蒸餾停止蒸餾正確拆除實(shí)驗(yàn)裝置正確拆除實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟加熱加熱注意：注意：蒸餾過(guò)程中，蒸餾裝置永遠(yuǎn)不能完全密封，總有一處通大蒸餾過(guò)程中，蒸餾裝置永遠(yuǎn)不能

8、完全密封，總有一處通大氣。氣。被蒸餾液中含有的固體，應(yīng)先濾去。被蒸餾液中含有的固體，應(yīng)先濾去。蒸餾前要了解被蒸餾物的性質(zhì)。一是了解其組成沸點(diǎn)，二蒸餾前要了解被蒸餾物的性質(zhì)。一是了解其組成沸點(diǎn)，二是了解有無(wú)在蒸餾中會(huì)發(fā)生爆炸的物質(zhì)存在是了解有無(wú)在蒸餾中會(huì)發(fā)生爆炸的物質(zhì)存在 ( (如過(guò)氧化氫、如過(guò)氧化氫、高氯酸、肼等物質(zhì)達(dá)到一定濃度后自身或在有機(jī)物存在下高氯酸、肼等物質(zhì)達(dá)到一定濃度后自身或在有機(jī)物存在下發(fā)生爆炸。發(fā)生爆炸。) ) 。若有，應(yīng)先除去或控制其濃度不要接近危。若有，應(yīng)先除去或控制其濃度不要接近危險(xiǎn)點(diǎn)，并且要在有安全保護(hù)裝置的條件下進(jìn)行蒸餾。險(xiǎn)點(diǎn)，并且要在有安全保護(hù)裝置的條件下進(jìn)行蒸餾。為

9、了防止在蒸餾過(guò)程中發(fā)生爆沸，保證沸騰的平穩(wěn)狀態(tài)，為了防止在蒸餾過(guò)程中發(fā)生爆沸，保證沸騰的平穩(wěn)狀態(tài)，常加常加2 23 3粒沸石。注意，不能在液體沸騰或接近沸騰時(shí)加粒沸石。注意，不能在液體沸騰或接近沸騰時(shí)加入沸石，用過(guò)的沸石需烘干后才可再用。入沸石，用過(guò)的沸石需烘干后才可再用。溫度計(jì)位置要準(zhǔn)確，否則影響收集組分的純度及數(shù)量溫度計(jì)位置要準(zhǔn)確，否則影響收集組分的純度及數(shù)量6. 6. 控制加熱速度對(duì)得到純餾分極為重要，加熱快，控制加熱速度對(duì)得到純餾分極為重要，加熱快，純度低；加熱慢，使得溫度變化較大，無(wú)法判斷純度低；加熱慢，使得溫度變化較大，無(wú)法判斷收集終點(diǎn)收集終點(diǎn)7. 7. 若餾出液需絕對(duì)干燥，在接液

10、管的支管上可接一若餾出液需絕對(duì)干燥，在接液管的支管上可接一個(gè)干燥塔，以防止大氣中水分侵入。若餾出液毒個(gè)干燥塔，以防止大氣中水分侵入。若餾出液毒性大或氣味難聞，可在接液管支管上接一個(gè)吸收性大或氣味難聞，可在接液管支管上接一個(gè)吸收瓶吸收，或者在某些情況瓶吸收，或者在某些情況 下接一根管子引入水下接一根管子引入水槽下水管，用水流帶走逸出的氣體。槽下水管，用水流帶走逸出的氣體。8. 8. 如果維持原來(lái)加熱程度，不再有餾出液蒸出，溫如果維持原來(lái)加熱程度，不再有餾出液蒸出，溫度突然下降時(shí)，就應(yīng)停止蒸餾，即使雜質(zhì)量很少度突然下降時(shí)，就應(yīng)停止蒸餾，即使雜質(zhì)量很少也不能蒸干，特別是蒸餾低沸點(diǎn)液體時(shí)更要注意也不能

11、蒸干，特別是蒸餾低沸點(diǎn)液體時(shí)更要注意不能蒸干，否則易發(fā)生意外事故；不能蒸干，否則易發(fā)生意外事故；9. 9. 蒸餾完畢，先停止加熱，后停止通冷卻水，拆卸蒸餾完畢，先停止加熱，后停止通冷卻水，拆卸儀器，其程序和安裝時(shí)相反。儀器，其程序和安裝時(shí)相反。 二、分餾技術(shù)二、分餾技術(shù) 應(yīng)用分餾柱來(lái)使幾種沸點(diǎn)相近的混合物應(yīng)用分餾柱來(lái)使幾種沸點(diǎn)相近的混合物進(jìn)行分離的方法，稱為分餾。進(jìn)行分離的方法，稱為分餾。（1 1）分餾的基本原理）分餾的基本原理多次蒸餾原理：圖多次蒸餾原理：圖3 3 對(duì)于沸點(diǎn)接近的混合物，采用多次簡(jiǎn)單對(duì)于沸點(diǎn)接近的混合物，采用多次簡(jiǎn)單蒸餾以得到純物質(zhì)是不現(xiàn)實(shí)的，而這種多次蒸餾以得到純物質(zhì)是不現(xiàn)

12、實(shí)的，而這種多次重復(fù)的操作可以用分餾（在分餾柱中）來(lái)完重復(fù)的操作可以用分餾（在分餾柱中）來(lái)完成。成。 圖圖3 3 苯苯- -甲苯體系的溫度甲苯體系的溫度- -組成相圖組成相圖分餾柱分餾柱圖圖4 4 常見分餾柱常見分餾柱a-a-維格羅柱維格羅柱 b- b-亨普爾柱亨普爾柱 c- c-分餾頭分餾頭 實(shí)驗(yàn)室常用的分餾柱有兩種：維格羅（實(shí)驗(yàn)室常用的分餾柱有兩種：維格羅（VigruxVigrux）柱和）柱和亨普爾（亨普爾（HempelHempel）柱。維氏柱又叫刺形分餾柱，是）柱。維氏柱又叫刺形分餾柱，是一個(gè)有很多犬牙交錯(cuò)凹凸的玻璃管。它幾乎是一般一個(gè)有很多犬牙交錯(cuò)凹凸的玻璃管。它幾乎是一般有機(jī)實(shí)驗(yàn)室必

13、備的儀器。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需填料，柱內(nèi)滯有機(jī)實(shí)驗(yàn)室必備的儀器。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需填料，柱內(nèi)滯留液體很少且易于洗脫，缺點(diǎn)是分餾效率差。留液體很少且易于洗脫，缺點(diǎn)是分餾效率差。 回流比：指在同一時(shí)間內(nèi)回流的液體量和餾出的液回流比：指在同一時(shí)間內(nèi)回流的液體量和餾出的液體量之比（可以用數(shù)滴來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)量）。體量之比（可以用數(shù)滴來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)量）。 亨氏柱又叫填料式分餾柱，其空管如圖亨氏柱又叫填料式分餾柱，其空管如圖2 24b4b。管內(nèi)。管內(nèi)徑為徑為2.53.5cm,2.53.5cm,長(zhǎng)度長(zhǎng)度3060cm3060cm不等。分餾效率的高低取不等。分餾效率的高低取決于填料的種類決于填料的種類, ,一般是一般是“雷氏環(huán)雷氏環(huán)”、短

14、玻管（、短玻管（6 66mm6mm）。）。該分餾柱優(yōu)點(diǎn)是分餾效率高，缺點(diǎn)是柱內(nèi)液體滯留較多且該分餾柱優(yōu)點(diǎn)是分餾效率高，缺點(diǎn)是柱內(nèi)液體滯留較多且不易洗脫。不易洗脫。分餾原理分餾原理 當(dāng)燒瓶中被分餾的液體加熱到沸點(diǎn)后，蒸當(dāng)燒瓶中被分餾的液體加熱到沸點(diǎn)后，蒸氣進(jìn)入分餾柱，并被部分冷凝成液體。這液體氣進(jìn)入分餾柱，并被部分冷凝成液體。這液體含低沸點(diǎn)成分比蒸餾瓶?jī)?nèi)的多，因此沸點(diǎn)也比含低沸點(diǎn)成分比蒸餾瓶?jī)?nèi)的多，因此沸點(diǎn)也比蒸餾瓶?jī)?nèi)的低。當(dāng)燒瓶?jī)?nèi)另一部分蒸氣上升到蒸餾瓶?jī)?nèi)的低。當(dāng)燒瓶?jī)?nèi)另一部分蒸氣上升到分餾柱中時(shí)，便和這部分已冷凝的液體進(jìn)行熱分餾柱中時(shí)，便和這部分已冷凝的液體進(jìn)行熱交換，使其重新氣化，而蒸氣則

15、被部分冷卻。交換，使其重新氣化，而蒸氣則被部分冷卻。繼續(xù)上升的蒸氣在離開分餾柱以前在不斷進(jìn)行繼續(xù)上升的蒸氣在離開分餾柱以前在不斷進(jìn)行著著上升上升冷凝冷凝氣化氣化的過(guò)程。每一次分餾柱內(nèi)的過(guò)程。每一次分餾柱內(nèi)由下向上的氣化由下向上的氣化冷凝過(guò)程都使低沸點(diǎn)組分的冷凝過(guò)程都使低沸點(diǎn)組分的含量提高。難以用簡(jiǎn)單蒸餾的辦法分離的混合含量提高。難以用簡(jiǎn)單蒸餾的辦法分離的混合液體在適當(dāng)?shù)姆逐s柱和適當(dāng)?shù)臈l件下可分開。液體在適當(dāng)?shù)姆逐s柱和適當(dāng)?shù)臈l件下可分開。 分餾柱的效率分餾柱的效率用理論塔板數(shù)（用理論塔板數(shù)（n n）和理論塔板高度（）和理論塔板高度（H H）表示。）表示。理論塔板理論塔板：一個(gè)理論塔板就相當(dāng)于一次

16、簡(jiǎn)單：一個(gè)理論塔板就相當(dāng)于一次簡(jiǎn)單蒸餾。一根分餾柱的理論塔板數(shù)越大，分餾蒸餾。一根分餾柱的理論塔板數(shù)越大，分餾能力越大。能力越大。理論塔板高度理論塔板高度：表示分餾柱單位高度的分餾表示分餾柱單位高度的分餾效率。也就是相當(dāng)于完成一次蒸餾所需的分效率。也就是相當(dāng)于完成一次蒸餾所需的分餾柱高度。越小越好。餾柱高度。越小越好。其關(guān)系其關(guān)系：理論塔板數(shù)：理論塔板數(shù)= =柱長(zhǎng)柱長(zhǎng)理論塔板高度理論塔板高度 共沸點(diǎn)共沸點(diǎn)最高共沸點(diǎn)最高共沸點(diǎn) 共沸點(diǎn)高于兩個(gè)組分的獨(dú)立沸點(diǎn)。共沸點(diǎn)高于兩個(gè)組分的獨(dú)立沸點(diǎn)。最低共沸點(diǎn)最低共沸點(diǎn) 共沸點(diǎn)低于兩個(gè)獨(dú)立組分沸點(diǎn)。共沸點(diǎn)低于兩個(gè)獨(dú)立組分沸點(diǎn)。 具有固定的沸點(diǎn)和固定組成的雙組

17、分混合具有固定的沸點(diǎn)和固定組成的雙組分混合物，其沸騰時(shí)氣相和液相的組成完全相同，無(wú)法分物，其沸騰時(shí)氣相和液相的組成完全相同，無(wú)法分餾分離。這一沸點(diǎn)叫共沸點(diǎn)；其組成叫共沸物。餾分離。這一沸點(diǎn)叫共沸點(diǎn)；其組成叫共沸物。圖圖5 5 最高共沸混合物的相圖最高共沸混合物的相圖圖圖6 6 最低共沸混合物的相圖最低共沸混合物的相圖如果溶液組成位于如果溶液組成位于Z Z點(diǎn)左邊，則分餾僅能得到少量的低沸點(diǎn)點(diǎn)左邊，則分餾僅能得到少量的低沸點(diǎn)A A；如果溶液組成位于如果溶液組成位于Z Z點(diǎn)右邊，則分餾僅能得到少量的高沸點(diǎn)點(diǎn)右邊，則分餾僅能得到少量的高沸點(diǎn)B B。注注 意意：當(dāng)某混合物中的組分能形成共沸時(shí)，有兩種情況

18、。當(dāng)某混合物中的組分能形成共沸時(shí)，有兩種情況。有有最高共沸點(diǎn)最高共沸點(diǎn)時(shí)，在被分餾物組成未達(dá)到恒溫組時(shí)，在被分餾物組成未達(dá)到恒溫組成前，可能將多余的組分餾出一部分，使體系內(nèi)成前，可能將多余的組分餾出一部分，使體系內(nèi)組成逐漸向共沸組成接近。當(dāng)瓶?jī)?nèi)物料組成已達(dá)組成逐漸向共沸組成接近。當(dāng)瓶?jī)?nèi)物料組成已達(dá)到共沸物的組成后，溫度即會(huì)上升，共沸物開始到共沸物的組成后，溫度即會(huì)上升，共沸物開始餾出，直到瓶?jī)?nèi)物料蒸完為止餾出，直到瓶?jī)?nèi)物料蒸完為止若物料是雙組分若物料是雙組分具有最低共沸點(diǎn)具有最低共沸點(diǎn)的體系，則情況的體系，則情況有所不同。有所不同。先蒸出共沸物先蒸出共沸物，當(dāng)其中一種組分被蒸，當(dāng)其中一種組分被

19、蒸完后，溫度會(huì)上升到多余組分的沸點(diǎn)，即多余組完后，溫度會(huì)上升到多余組分的沸點(diǎn)，即多余組分被蒸出直至蒸完。分被蒸出直至蒸完。例例 如：如： 乙醇沸點(diǎn)為乙醇沸點(diǎn)為78.378.3， 水的沸點(diǎn)為水的沸點(diǎn)為100100。 水和乙醇可以形成共沸物，共沸點(diǎn)在水和乙醇可以形成共沸物，共沸點(diǎn)在78.178.1。 共沸物的組成為乙醇共沸物的組成為乙醇95.6%95.6%，水，水4.4%4.4%。 當(dāng)乙醇和水的混合物在分餾時(shí)，先餾出的液體組當(dāng)乙醇和水的混合物在分餾時(shí)，先餾出的液體組成總是共沸物的組成，即乙醇成總是共沸物的組成，即乙醇95.6%95.6%，水，水4.4%4.4%。直到乙醇或水兩個(gè)組分之一被蒸完后，才

20、蒸出另直到乙醇或水兩個(gè)組分之一被蒸完后，才蒸出另一個(gè)純組分。所以含水的乙醇是無(wú)法用分餾來(lái)制一個(gè)純組分。所以含水的乙醇是無(wú)法用分餾來(lái)制備無(wú)水乙醇的。備無(wú)水乙醇的。表表1 1 幾種常見的共沸混合物幾種常見的共沸混合物組成（沸點(diǎn)組成（沸點(diǎn)）共沸混合物沸點(diǎn)（共沸混合物沸點(diǎn)（）各組份含量（）各組份含量（）二二 元元共共沸沸混混合合物物水（水（100）78.24.4乙醇（乙醇（78.5）95.6水（水（100）69.48.9苯（苯（80.1）91.1水（水（100）84.119.6甲苯（甲苯（110.6）80.4乙醇（乙醇（78.5）67.832.4苯（苯（80.1）67.6水（水（100）108.679.8氯化氫（氯化氫（83.7）20.2丙酮（丙酮（56.2）64.720.0氯仿（氯仿（61.2）80.0（2 2）分餾的操作）分餾的操作裝置裝置操作要點(diǎn)：v 為了防止柱內(nèi)液體聚集，通常用石棉繩或電加熱套管包扎柱體，以保證柱內(nèi)氣液熱交換的動(dòng)態(tài)平衡。v 柱內(nèi)的氣液間的熱量交換需要一定的時(shí)間，因此蒸餾速度或蒸汽上升速度不應(yīng)太快，這是至關(guān)重要的。如果加熱太猛，蒸出速度過(guò)快，不僅會(huì)使柱內(nèi)失去梯度而降低柱效，同時(shí)還