实验四__分馏.doc

实验四 分馏 一、实验目的 1．了解分馏的原理和意义，蒸馏与分馏的区别，分馏的种类及特点； 2．掌握分馏柱的工作原理和常压下的简单分馏操作方法。 二、实验原理 1.基本原理 应用分馏柱将由几种沸点相近的物质组成的混合物进行分离的方法称为分馏。它在化学工业和实验室中被广泛应用。现在最精密的分馏设备已能将沸点相差仅1~2 ℃的混合物分开，利用蒸馏或分馏来分离混合物的原理是一样的，实际上分馏就是在一个装置中实现多次蒸馏。 如果将几种具有不同沸点而又可以完全互溶的液体混合物加热，当其总蒸气压等于外界压力时，液体开始沸腾汽化，蒸气中易挥发液体的成分较在原混合液中为多。这可从下面的分析中看出，为了简化，我们仅讨论混合物是二组分理想溶液的情况。所谓理想溶液即是指在这种溶液中，相同分子间的相互作用与不同分子间的相互作用是一样的，也就是各组分在混合时无热效应产生，体积没有改变，只有理想溶液才遵守拉乌尔定律。这时，溶液中每一组分的蒸气压等于此纯物质的蒸气压和它在溶液中的摩尔分数的乘积。亦即： PA =PAo xA； PB = P Bo xB PA、PB分别为溶液中A和B组分的分压。PAo、PBo分别为纯A和纯B的蒸气压，xA和xB分别为A和B在溶液中的摩尔分数。溶液的总蒸气压： P = PA + PB。根据道尔顿分压定律，气相中每一组分的蒸气压和它的摩尔分数成正比，在气相中各组分蒸气的成分为： 由上式推知，组分B在气相和溶液中的相对浓度为： 因为在溶液中xA+xB= 1，所以若PAo＝PBo，则xB气/xB = 1，表明这时液相的成分和气相的成分完全相同，这样的A和B就不能用蒸馏(或分馏)来分离。如果PBo＞PAo则xB气/xB＞1，表明沸点较低的B在气相中的浓度较在液相中为大(在PBo＜PAo时，也可作类似的讨论)。在将此蒸气冷凝后得到的液体中，B的组分比在原来的液体中多(这种气体冷凝的过程就相当于蒸馏的过程)。如果将所得的液体再进行汽化，在它的蒸气经冷凝后的液体中，易挥发的组分又将增加，如此多次重复，最终就能将这两个组分分开(凡形成共沸点混合物者不在此列)。分馏就是利用分馏柱来实现这一“多次重复”的蒸馏过程。 当沸腾着的混合物进入分馏柱(工业上称为精馏塔)时，因为沸点较高的组分易被冷凝，所以冷凝液中就含有较多较高沸点的物质，而蒸气中低沸点的成分就相对地增多。冷凝液向下流动时又与上升的蒸气接触，二者之间进行热量交换，亦即上升的蒸气中高沸点的物质被冷凝下来，低沸点的物质仍呈蒸气上升；而在下流的液体中低沸点的物质则受热气化，高沸点的仍呈液态。如此经多次的液相与气相的热交换，使得低沸点的物质不断上升，最后被蒸馏出来，高沸点的物质则不断流回加热的容器中，从而将沸点不同的物质分离。所以，在分馏时，柱内不同高度的各段，其组分是不同的，相距越远，组分的差别就越大，也就是说，在柱中的动态平衡情况下，沿着分馏柱存在着组分梯度。 了解分馏原理最好是应用恒压下的沸点-组成曲线图(称为相图，表示这两组分体系中相的变化情况)。通常它是用实验测定在各温度时气液平衡状况下的气相和液相的组成，然后以横坐标表示组成，纵坐标表示温度而作出的(如果是理想溶液，则可直接由计算作出)。图3-17即是大气压下的苯-甲苯溶液的沸点-组成图。从图中可以看出，由苯60％和甲苯40％组成的液体(L1)在90℃时沸腾，和此液相平衡的蒸气(V1)组成约为苯80％和甲苯20％，若将此组成的蒸气冷凝成同组成的液体(L2)，则与此溶液成平衡的蒸气(V2)组成约为苯90％和甲苯10％。显然如此继续重复，即可获得接近纯苯的气相。 图3.17 苯-甲苯体系的沸点-组成曲线图 2.分馏柱和分馏效率 (1)分馏柱。分馏柱主要是一根长而垂直、柱身有一定形状的空管，或在管中填以特制的填料，总的目的是要增大液相和气相接触的面积，提高分离效果。分馏柱的种类很多，如图3-19所示，普通有机实验中常见的有球形分馏柱、填充式分馏柱和刺形分馏柱（又称韦氏Vigreux分馏柱）。球形分馏柱分离效率较差；填充式分馏柱是在柱内填上各种惰性材料，以增加表面积。填料包括玻璃珠、玻璃管、陶瓷或螺旋形、马鞍形、网状等各种形状的金属片或金属丝，它效率较高，适合于分离一些沸点差距较小的化合物；韦氏分馏柱结构简单，且比填充式分馏柱黏附的液体少，缺点是比同样长度的填充式分馏柱分离效率低，适用于分离少量且沸点差距较大的液体。若欲分离沸点相距较近的液体混合物，必须使用精密分馏装置。 （a）球形分馏柱 （b）刺形分馏柱 （c）填充式分馏柱 图3.19 常见的分馏柱 在分馏过程中，无论用哪一种柱，都应防止回流液体在柱内聚集，否则会减少液体和上升蒸气的接触，或者上升蒸气把液体冲入冷凝管中造成“液泛”，达不到分馏的目的。为了避免这种情况，通常在分馏柱