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共沸是指兩組分或者多組分的液體混合物以特定比例組成時,在恆定壓力下沸騰,其蒸汽組成比例與溶液相同的現象。
簡單說就是發生共沸時,沸騰產生的蒸汽與液體成分一模一樣,此時共沸物不可能通過常規的蒸餾或者分餾手段進行分離。
發生共沸時對應的溫度稱為共沸溫度或者共沸點,並非所有的二元液體混合物都可以形成共沸物,能夠形成共沸物的混合物的溫度-組分相圖有顯著特徵:氣相線(氣液混合物與氣態的交界)與液相線(氣液混合物和液態的交界)有共同的最高點或者最低點,如果此點為最低點,則混合物為正共沸物(下左),反之則為負共沸物(下右),大多數共沸物都是負共沸物,有最高共沸點。
正共沸物:
當溶液共沸點的溫度低於其所有組成成分的沸點時,則此溶液為正共沸物,因為總蒸氣壓最大,沸騰最易。
乙醇含量為95.63%的乙醇-水溶液即為正共沸物,乙醇的沸點為78.4℃,水的沸點為100℃,但是共沸點的溫度則為78.2℃,事實上,所有組成比例的乙醇-水混合溶液中,沸點78.2℃也是最低的。
負共沸物:
當溶液共沸點的溫度高於其所有組成成分的沸點時,則此溶液為負共沸物,因為總蒸氣壓最小,沸騰最難。
氯化氫含量為20.2%的氯化氫-水溶液即為負共沸物,氯化氫的沸點為-84℃,水的沸點為100℃,但是共沸點的溫度則為110℃,事實上,所有組成比例的鹽酸溶液中,沸點100℃也是最高的。
共沸精餾:
在被分離的物系中加入共沸劑(或者稱共沸組分),該共沸劑必須能和物系中一個或幾個組分形成具有最低沸點的恆沸物,以至於使需要分離的集中物質間的沸點差(或相對揮發度)增大。
在精餾時,共沸組分能以共沸物的形式從精餾塔頂蒸出,工業上把這種操作稱為共沸精餾。
以製取無水酒精為例,水和酒精能形成具有恆沸點的混合物,所以用普通的精餾方法不能獲得純度超過96%(體積)的乙醇,但是如果在酒精和水的溶液中加入共沸組分——苯,則可構成各種恆沸混合物,其中以酒精、苯和水所組成的三組分共沸混合物的沸點為最低(64.84℃)。
當精餾溫度在64.85℃時,酒精、苯和水的三元共沸混合物首先被蒸出;溫度升至68.25℃時,蒸出的是酒精與苯的二元共沸混合物;隨著溫度繼續上升,苯與水的二元共沸混合物和酒精與水的二元共沸混合物也先後蒸出,這些共沸物把水從塔頂帶出,最終在塔釜就可以得到無水酒精。
共沸精餾的過程中,所加入的共沸組分必須從塔頂蒸出,而後冷凝分離,循環使用。
共沸的影響:
可能你會納悶,看了這莫名其妙的一期後,自己奇怪的知識又增加了,其實非也,了解共沸的原理對氨綸的生產也有作用,別忘了生產氨綸用的溶劑DMAC是要回收循環利用的,而高溫下DMAC又容易分解成乙酸,我們回收DMAC甚至是處理廢DMAC的話,怎麼解決乙酸是個繞不開的問題。
而好巧不巧的是,DMAC與乙酸又能形成共沸體系,常壓下乙酸的沸點是118℃,DMAC的沸點為160℃左右,但是,79%的DMAC與21%的乙酸混合體系,會形成沸點為171℃左右的高沸點共沸物,所以,不論是常壓蒸餾還是減壓蒸餾,共沸都是我們可能遇到的一個問題!
最後,任何一種共沸物都是針對某一特定壓力而言,對於不同壓力,其共沸組分和沸點都將有所不同。
實驗證明,沸點相差大於30K的兩個組分很難形成共沸物,如水與丙酮就不會形成共沸物。
本期就聊到這裡,各位工程師們覺得有用,就點個在看或者轉發,好了,我繼續碼字去了,碼字使我快樂!
周一見,謝謝!
作者:唐天洛,本文首發於氨綸乾貨(ID:algh2008),轉載請標明來源。