多伦多大学化学工程中的重要单元操作——蒸馏

不涉及化学反应的过程称为单元活动。单元操作只涉及过程中所涉及物质的物理变化。它们是引起物质物理变化的机器。发生物理变化的原因各不相同。一般来说，单元操作的工作步骤是在物质进入化学反应之前进行的，这样化学反应才能顺利进行。

物理变化可能包括蒸发、凝结、结晶和其他相变。由于冷凝和蒸发是在塔内进行的，因此蒸馏是一种独特的工艺。结晶器和蒸发器也是单一工艺的一部分。接下来，我们就来讲讲“蒸馏”这个重要的单元操作。

一、蒸馏

在工艺工程中，对液体混合物中的某一组分进行有控制的沸腾和冷凝称为蒸馏。这是一种分离过程，用于提高混合物中某种成分的浓度或分离混合物中(几乎)纯净的成分。当两种液体的沸点不同时，可通过强制其中一种液体变成气体来进行蒸馏。

在实验室中，液体混合物通常分批进行蒸馏，而工业蒸馏通常是连续进行的，要求混合物保持恒定。

1.道尔顿和拉乌尔蒸馏定律

液体要沸腾，温度必须升高到蒸汽压力等于环境压力的水平。在沸点处，容器底部开始形成蒸汽泡，导致液体蒸发。

液体混合物的蒸馏过程受拉乌尔定律和道尔顿定律的支配。拉乌尔定律指出，液体成分的理想组合中，有一种成分的分子量与其他成分相同，蒸汽压力也相同。威廉-道尔顿提出的分压定律可用于计算气体混合物施加的总压力。

当加热液体混合物时，各组分的蒸汽压力会增加，从而导致总蒸汽压力增加。因此，在给定的成分和压力下，混合物不可能有很多沸点。

2.无法通过蒸馏从混合物中完全提纯一种成分

当液体混合物达到沸点时，所有挥发性成分都会蒸发。所产生的蒸气中某一成分的含量是根据其在混合物总蒸气压中所占的比例来测量的。其结果是，大部分分压较高的化合物处于气相，而大部分分压较低的化合物处于液相。

通过蒸馏从混合物中分离出完全纯净的成分是很困难的，几乎是不可能的，因为液体混合物中的成分不可能分压为零。如果混合物中一种成分的分压接近于零，则可以得到高纯度的成分。

二、蒸馏类型

1.分馏

分馏通常用于沸点相近的液体混合物。它包括几个蒸汽冷凝步骤(在分馏塔中进行)。这也称为校正。

当液体混合物被加热时，会汽化并上升到分馏塔。蒸汽随后在冷凝器壁上冷凝并冷却。来自蒸馏装置的加热蒸气可以重新加热冷凝蒸气，形成新的蒸气，这些蒸气中的某些部分会返回蒸馏塔。这样的汽化-冷凝循环有很多次，每次蒸馏物的质量都会提高。

2.蒸汽蒸馏

当液体混合物中含有热敏性成分时，通常使用蒸汽蒸馏来分离它们。具体做法是将蒸汽通过略微加热的混合物，使其中的一部分汽化。这种方法无需高温即可实现高热传导。通过冷凝产生的蒸汽，就可以得到所需的蒸馏物。蒸汽蒸馏是从多种芳香植物和花卉中提取精油和植物蒸馏物的一种工艺。

3.真空蒸馏

真空蒸馏是从高沸点液体混合物中分离所需成分的理想方法。在高温下沸腾这些物质并不是分离它们的合适方法。必要时，可降低外部压力。可以在较低的温度和较小的外部压力下沸腾该成分。当一种成分的蒸汽压力等于环境压力时，它就会转化为蒸汽。蒸汽被冷凝和收集，形成蒸馏物。真空蒸馏技术还可用于回收因长时间高温加热而发生变化的高纯度化合物。

4.对空气敏感的真空蒸馏

真空蒸馏技术适用于对空气敏感并容易与空气发生反应的材料，但在工艺完成后必须用惰性气体取代真空。 这种方法称为对空气敏感的真空蒸馏。

5.短程蒸馏

短程蒸馏用于在高温下提纯少量的挥发性分子。这种蒸馏在较低的压力下进行，蒸馏物在浓缩前通常只经过很短的距离(因此称为 "短路径")。 由于蒸馏物经过的距离较短，因此通过仪器壁的损失较少。

6.区域蒸馏

分区蒸馏是一种部分压缩材料并冷凝蒸汽以获得透明蒸馏物的过程。这是通过在长容器中使用分区加热器来实现的。

三、重要应用

许多水净化过程都在很大程度上依赖于蒸馏。一些海水淡化厂使用这种方法从盐水中提取饮用水。蒸馏水有多种用途，包括铅酸电池和小容量加湿器。这种方法可用于净化各种发酵产品，包括酒精饮料。

蒸馏用于从植物和草药中提取多种食品香气和味道。石油稳定化是蒸馏的一种，它可以降低原油的蒸汽压，使其可以安全地储存和运输。

低温蒸馏法可用来将空气分离成氮气、氧气和氩气。在更大范围内，蒸馏可用于净化化学合成的液体产品。

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