蒸发与挥发分离.ppt
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1、 现代分离技术及应用,第 二 章,蒸 发 与 挥 发,Modern Separation Technology and Application,本章目录,第一节 蒸馏分离 第二节 挥发分离,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,利用物质挥发性的差异分离共存组分是常用的分离方法之一挥发法:是将气体和挥发组分从液体或固体样品中转变为气相的过程、它包括蒸发、蒸馏、升华、气体发生和驱气,有时又称之为气态分离法。蒸馏:主要用于物质组分的分离提纯或制备其它挥发法 多用于分析化学中,或用于分离基体,或用于分离待测痕量
2、组分。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,在一定温度和压力下,当待测痕量组分或基体中某一种组分的挥发性和蒸气压足够大,而另一种小到可以忽略时、就可进行选择性挥发,达到定量分离的目的。为了提高分离效率,常常将样品中一些组分转化为易挥发,热稳定的元素或化合物,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Applic
3、ation,适用于气态分离的元素和化合物,样品量的大小影响挥发时间和完全程度,固体样品的粒度要尽可能小,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,低温冻干法中,水由冷冻的样品中真空升华;等温扩散法(等温蒸馏)是在密闭容器内于室温下,氨和 盐酸等易挥发化合物自动地由样品溶液扩散到吸收液中。蒸发、蒸馏、升华以及有机物的氧化温度为几十到几百摄 氏度。金属、矿物、岩石和其它固体材料中挥发痕量杂质,需要 在更高的温度下进行。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technolo
4、gy and Application,操作温度随使用方法不同而大不相同:,第一节 蒸 馏 分 离,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,1蒸馏类型及原理,Modern Separation Technology and Application,蒸馏 是基于气-液平衡的原理将物质的组分分离,是以相平衡为基础。相平衡定义 为某些组分从一相转移到另一相的速度与反方向转移的速度相等时
5、,两相浓度不变。控制平衡的变量 是温度、压力和各相中的浓度。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,二组分混合的液态物质,在一定温度下,较易挥发的组分将富集在蒸气相中;蒸气相的富集程度随二组分的相对蒸气压的大小而定;简单的蒸馏技术只能使二组分进行部分分离,没有一相是纯净的;,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,图3-2温度-组成相图,在每一理论塔板上的蒸气逐渐富集了较易挥
6、发组分,每一组分中蒸气和液体的组分相应于图2-2所示,由此可知只要有足够的塔板数就有可能将二组分分离并得到所需要的纯度。,分馏技术采用持殊的分馏柱和分馏装置,常用的分馏柱和分馏装置见图3-1。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,(分馏装置上所装的冷凝器头部中活塞A用来调节回流比,B接真空泵),分馏柱和 分馏装置,蒸馏过程及原理,液体混合物中各组分在同一温度和压力下,若具有不同的蒸气压,具有不同的沸点,则其中各组分通过简单的常规蒸馏(也称为平衡蒸馏)就可达到分离提纯的目的。蒸馏过程中,当气、液达到平衡
7、时,从液相进入气相的分子和由气相返回液相的分子具有相同的速度,即蒸发速度与凝聚速度相等,达到动力学平衡。此后,气相分子的浓度就具有一个不随时间变化的恒定值。,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,蒸馏分离常用定律及概念,Raoult 定律 Henry 定律 Dalton 定律 富集因子,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Raoult 定律,拉乌尔定律 适用于某组分以较高浓度存在于混合物中的系统,将各组分的浓度
8、和分压以及混合物的总压联系起来。定律指出:在一定温度下,任一组分的分压等于在液相的摩尔分数乘以它的纯组分蒸气压。,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Henry 定律,Henry定律 常应用于某组分以低浓度存在于混合物中的系统。该定律指出:在一定温度下,某组分的分压等于它在液体中的摩尔分数乘以一个常数。Henry定律和Raoult定律对理想溶液是相同的,并且对A组分的HA(Henry定律常数)就是纯组分A的蒸汽压PA(A组分在溶液上的饱和蒸汽压)。,Modern Separation Technolo
9、gy and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Dalton 定律,Dalton定律:常应用于理想气体。该定律指出:任一种组分在蒸汽中的分压等于该组分在蒸汽中的摩尔分数YA乘以体系的总压P。在一定总压下,由于可查到两组分的纯态的饱和蒸汽压数据,故某组分在气相的摩尔分数YA和同一组分在液相的摩尔分数XA的平衡关系就可决定。,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,大部分混合物属非理想状态,故多数平衡常数是通过实验来准确地预测二元或多组分的分离混合物的相对挥发度用于衡量气-液相间
10、所达到的分离,它可由两相组分的浓度来决定。实验室里利用简单或多级平衡设备可获得这些平衡。,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,富 集 因 子,平衡设备的总分离称为富集因子 可用公式表示为:,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,式中:n 是平衡设备中的理论塔板数;AB是组分A对组分B 的相对挥发度。,2相对挥发度,Modern Separation Technology and Application,在A,B
11、二元混合物的液-气平衡讨论中,常应用挥发度的概念。相对挥发度定义:在蒸气中组分A的摩尔分数(XA)气与液体中A的摩尔分数(XA)液 的比值.,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,A和B二元混合物的挥发度为,若采用蒸气分压表示蒸气浓度,则,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,A和B二元混合物的相对挥发度为,根据乌拉尔定律,式中 是A的蒸气压,方程可改写为:,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern
12、Separation Technology and Application,此外方程能重写成,对于一个二元混合物来说,因此方程可改写成,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,3理论塔板数和芬斯克方程,Modern Separation Technology and Application,应用分馏法分离混合物时,要选用效率适当的分馏柱,而分馏柱的效率取决于多种因数,如填料类别、温度控制、柱长以及产物移去的速率等。在操作情况下柱的分离效果可用“理论塔板数”表示。一个理论塔板数相当于一次理想的蒸馏所达到的效率。理论塔板数可用实验方法则得、它等于在沸点组成图中,从开始的组成分馏到指定的组成时所需要
13、的蒸发-冷凝的平衡次数。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,对于一个有几个理论塔板的分馏柱来说,它经过n+1次反复 蒸发-冷凝过程,其分离结果可用下式表示:,这就是著名的(Fcnske)方程。蒸馏柱效率的另一个重要参数是理论塔板高度或相当于一个理论塔板的高度(HETP或仅以H表示),若柱长为L,,H值与n不同,它的优点在在于与L无关,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,4蒸馏分离方法简介,Modern Separation Technology and Application,现代分离技术及应用
14、 第三章 蒸发与挥发,4.1 普通蒸馏法,Modern Separation Technology and Application,这是基于物质的挥发性和沸点的差异进行分离的方法,是最常用的制备和提纯试剂的方法。试剂和杂质的挥发性不同把容易挥发的组分蒸馏出来中,不易挥发的则残留在底液中。在蒸馏设备上增加一个分馏柱,液体可以在柱上多次地挥发和冷凝,这样分离效果更好,实验室中常用蒸馏法提纯盐酸、硝酸氢溴酸、氢碘酸和硫酸等。常规蒸馏(conventional distillation)包括:简单蒸馏 分 馏,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,简单蒸馏,Modern Separation Tec
15、hnology and Application,实验室所有的简单蒸馏设备就是蒸馏烧瓶配上冷凝管和接收器,是一种差示型蒸馏(differential type distillation)。在这类蒸馏中,蒸汽进入冷凝器之前没有挟带,气体也未冷却,在任何时间里离开液体的蒸气仅在那特别的时间里与液体达到平衡。对于组分的沸点相差大的情况以及不需要明显分离的样品,均可采用简单蒸馏。在简单蒸馏中,常依次收集不同馏分,其中包含了各种纯度的产品。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,实例:蒸馏法提纯恒沸盐酸,Modern Separation Technology and Application,用石英或硬
16、质玻璃蒸馏器(图2-3,图2-4)将分析纯HCl用水以7+3比例稀释,置于蒸馏瓶内,加热至沸。控制蒸馏速度为150-250mLh,弃去加料量的l0的前段馏分,把约占加料量的70的中段馏分作为产品,并弃去尾段馏分。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technology and Application,若需要特殊除砷,则在蒸馏之前,先用氧化剂如HNO3,KMnO4将易挥发的AsCl3氧化为高价,控制蒸馏速度为100ml/h.,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,分 馏,Modern Separation Technology and Applicat
17、ion,分馏:(fractional distillation)是借助气、液两相的相互接触,反复进行汽化和部分冷凝作用,使混合液分离或者改变组分的过程。分馏 实际上就是多次汽化和多次冷凝的简单蒸馏过程的集合,其中馏出的产品是一份份取走,平衡不断地改变。为了使气、液相接触,柱内总装有不同种类的填充物,由此产生不同的操作特性。最重要的特性是理论塔板数和压降,基本上根据柱直接选用填充物。实验室里的间断分馏适应性很宽。容易分离的物质仅需要几个理论塔板数和低的回流比;难分离的物质则需要理论塔板数多,回流比大。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,Modern Separation Technolog
18、y and Application,分离的好坏大多数由柱中理论塔板数和采用的回流比来决定,塔板数减少,分离度迅速下降。回流比太小,会降低分馏柱的分离效果,得不到合格的产品;回流比太大时,分离效果能提高,但设备生产能力降低。回流比是指用于回流的液体的量与作为塔顶蒸出产品的量之比。对于各种混合物,可以算出理论塔板数的最小值和最小回流比,操作欲在该条件之下进行,那就无法获得所希望达到的分离。,现代分离技术及应用 第三章 蒸发与挥发,4.2 真空蒸馏,Modern Separation Technology and Application,真空蒸馏是利用蒸发环境形成一定的真空度,并于较低的蒸馏温度进行
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