水蒸汽蒸餾

《化學(xué)工程名詞》第一版。 2100433B

1995年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

原理

水蒸氣蒸餾操作是將水蒸氣通入不溶或難溶于水但有一定揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)（近100℃時(shí)其蒸氣壓至少為1333.9Pa）中，使該有機(jī)物質(zhì)在低于100℃的溫度下，隨著水蒸氣一起蒸餾出來(lái)。

兩種互不相溶的液體混合物的蒸氣壓，等于兩液體單獨(dú)存在時(shí)的蒸氣壓之和。當(dāng)組成混合物的兩液體的蒸氣壓之和等于大氣壓力時(shí)，混合物就開始沸騰?；ゲ幌嗳艿囊夯旌衔锏姆悬c(diǎn)，要比每一物質(zhì)單獨(dú)存在時(shí)的沸點(diǎn)低。因此，在不溶于水的有機(jī)物質(zhì)中，通入水蒸氣進(jìn)行水蒸氣蒸餾時(shí)，在比該物質(zhì)的沸點(diǎn)低得多的溫度，而且比100℃還要低的溫度就可使該物質(zhì)蒸餾出來(lái)。

在餾出物中，隨水蒸氣一起蒸餾出的有機(jī)物質(zhì)同水的質(zhì)量之比，等于兩者的分壓（PA和PH2O）分別和兩者的相對(duì)分子質(zhì)量（MA和18）的乘積之比，所以餾出液中有機(jī)物質(zhì)同水的質(zhì)量之比可按下式計(jì)算：

例如，苯胺和水的混合物用水蒸氣蒸餾時(shí)，苯胺的沸點(diǎn)是184.4℃，苯胺和水的混合物在98.4℃就沸騰。在這個(gè)溫度下，苯胺的蒸氣壓是5599.5Pa，水的蒸氣壓是95725.5Pa，兩者相加等于101325Pa。苯胺的相對(duì)分子質(zhì)量為93，所以餾出液中苯胺與水的質(zhì)量比等于：

由于苯胺略溶于水，這個(gè)計(jì)算所得的僅是近似值。

水蒸氣蒸餾是用以分離和提純有機(jī)化合物的重要方法之一，常用于下列各種情況：一般蒸餾會(huì)發(fā)生分離的高沸點(diǎn)有機(jī)化合物；混合物中含有大量的樹脂狀或焦油狀以及不揮發(fā)雜質(zhì)，采用蒸餾、萃取等方法難以分離；從固體較多的反應(yīng)混合物中分離被吸附的液體；從反應(yīng)混合物中去除易揮發(fā)的有機(jī)物。

水蒸氣蒸餾裝置和操作

水蒸氣蒸餾裝置，主要由水蒸氣發(fā)生器A、三口或二口圓底燒瓶D和長(zhǎng)的直型水冷凝管F組成。若反應(yīng)在圓底燒瓶?jī)?nèi)進(jìn)行，可在圓底燒瓶上裝配蒸餾頭（或克氏蒸餾頭）代替三口燒瓶。鐵質(zhì)發(fā)生器A通常可用二口或三口燒瓶代替。器內(nèi)盛水約占其容量的1/2，可從其側(cè)面的玻璃水位管察看器內(nèi)的水平面。長(zhǎng)玻璃管B為安全管。管的下端接近器底，根據(jù)管中水柱的高低，可以估計(jì)水蒸氣壓力的大小。圓底燒瓶D應(yīng)當(dāng)用鐵夾夾緊，其中口通過(guò)螺口接頭插入水蒸氣導(dǎo)管C，其側(cè)口插入餾出液導(dǎo)管E。導(dǎo)管C外徑一般不小于7mm，以保證

水蒸氣蒸餾裝置

A—水蒸氣發(fā)生器 B—安全管 C—水蒸氣導(dǎo)管 D—三口圓底燒瓶

E—餾出液導(dǎo)管 F—冷凝管

水蒸氣暢通，其末端應(yīng)接近燒瓶底部，以便水蒸氣和蒸餾物質(zhì)充分接觸并起攪動(dòng)作用。導(dǎo)管E應(yīng)略微粗一些，其外徑約為l0mm，以便蒸氣能暢通地進(jìn)入冷凝管中。若管E的直徑太小，蒸氣的導(dǎo)出將會(huì)受到一定的阻礙，這會(huì)增加燒瓶D中的壓力。導(dǎo)管E在彎曲處前的一段應(yīng)盡可能短一些；在彎曲處后一段則允許稍長(zhǎng)一些，因它可起部分的冷凝作用。用長(zhǎng)的直型水冷凝管F可以使餾出液充分冷卻。由于水的蒸發(fā)潛熱較大，所以冷卻水的流速也宜稍大一些。發(fā)生器A的支管和水蒸氣導(dǎo)管C之間用一個(gè)T形管連接。在T形管的支管上套一段短橡皮管，用螺旋夾旋緊，它可以用以除去水蒸氣中冷凝下來(lái)的水分。在操作中，如果發(fā)生不正?，F(xiàn)象，應(yīng)立刻打開夾子，使與大氣相通。

把要蒸餾的物質(zhì)倒入燒瓶D中，其量約為燒瓶容量的1/3。操作前，水蒸氣蒸餾裝置應(yīng)經(jīng)過(guò)檢查，必須嚴(yán)密不漏氣。開始蒸餾時(shí)，先把T形管上的夾子打開，用直接火把發(fā)生器里的水加熱到沸騰。當(dāng)有水蒸氣從T形管的支管沖出時(shí)，再旋緊夾子，讓水蒸氣通入燒瓶中，這時(shí)可以看到瓶中的混合物翻騰不息，不久在冷凝管中就出現(xiàn)有機(jī)物質(zhì)和水的混合物。調(diào)節(jié)火焰，便瓶?jī)?nèi)的混合物不致飛濺得太厲害，并控制餾出液的速度約為每秒鐘2～3滴。為了使水蒸氣不致在燒瓶?jī)?nèi)過(guò)多地冷凝，在蒸餾時(shí)通常也可用小火將燒瓶加熱。在操作時(shí)，要隨時(shí)注意安全管中的水柱是否發(fā)生不正常的上升現(xiàn)象，應(yīng)立刻打開夾子，移去火焰，找出發(fā)生故障的原因；必須把故障排除后，方可繼續(xù)蒸餾。

當(dāng)餾出液澄清透明不再含有有機(jī)物質(zhì)的油滴時(shí)，可停止蒸餾。這時(shí)應(yīng)首先打開夾子，然后移去火焰 。2100433B

水和水蒸汽圖表：水蒸汽不能用理想氣體狀態(tài)方程描述。為計(jì)算方便，常將其熱力性質(zhì)制成圖和表。圖、表中規(guī)定三相點(diǎn)的飽和水的內(nèi)能和熵值為零，焓值也接近零。水和水蒸汽圖有：壓溫圖、壓容圖、溫熵圖和焓熵圖。水和水蒸汽表有兩種：飽和水蒸汽表，未飽和水和過(guò)熱蒸汽表。

壓-溫圖

用以表示水的三相狀態(tài)之間的關(guān)系。圖1中蒸發(fā)線表示水-汽兩相共存的平衡飽和狀態(tài)的集合，溶化線和升華線分別表示冰-水和冰-汽的平衡飽和狀態(tài)的集合。三條飽和曲線把水的存在形式劃分為冰、水、汽三個(gè)區(qū)域。蒸發(fā)線的頂點(diǎn)C 稱為臨界點(diǎn)。超過(guò)臨界壓力時(shí)，液相與氣相的互相轉(zhuǎn)變過(guò)程便是連續(xù)的，沒(méi)有兩相共存的情況。水的臨界壓力p0=22.1287兆帕，臨界溫度T0=647.3K。在三相點(diǎn)T上，冰、水和水蒸汽三相處于動(dòng)平衡狀態(tài)。水的三相點(diǎn)壓力pT=610.76帕，溫度TT=273.16K。

壓-容圖

水蒸汽的狀態(tài)及其變化過(guò)程可用水的壓容圖表示。a0a′a″a線表示在一定壓力下水蒸汽的形成過(guò)程線，AT為冰水共存的飽和水線，AT左側(cè)為固相的冰區(qū)；TC為水汽共存的飽和水線，AT 和TC 線之間為液相的水區(qū)；CV為干飽和蒸汽線，TC 和CV 線之間為水和蒸汽兩相共存的濕蒸汽區(qū)，用干度x表示每千克濕蒸汽中所含干飽和蒸汽量；CV 線右側(cè)表示過(guò)熱蒸汽區(qū)。

溫-熵圖

分析水蒸汽的熱力過(guò)程或熱力循環(huán)時(shí)常使用溫熵圖。TC 為飽和水線，CV 為干飽和蒸汽線，根據(jù)比熵的定義，定壓過(guò)程線a0a′a″a下面的面積表示在可逆的定壓過(guò)程中每千克水的吸熱量。其中a0a′線下的面積表示在該壓力下將未飽和的水加熱至飽和水所需要的熱量qL，a′a″線下的面積表示汽化過(guò)程的吸熱量，即汽化潛熱 γ，a″a表示由飽和蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽的加熱量qS。

焓-熵圖

在蒸汽動(dòng)力工程的計(jì)算中使用焓熵圖更為方便。CV 為飽和曲線，C 為臨界點(diǎn)，飽和曲線下側(cè)為濕蒸汽區(qū)，上側(cè)為過(guò)熱蒸汽區(qū)。在濕蒸汽區(qū)中畫有定干度線和定壓線（這時(shí)即定溫線），在過(guò)熱蒸汽區(qū)中分別畫出定壓線和定溫線。