2.4　分　　餾

2.4.1　應(yīng)用背景

普通蒸餾法能夠分離沸點(diǎn)差至少在30℃以上的組分，而且只有當(dāng)沸點(diǎn)差在110℃以上時(shí)才能使其充分分離。如果要分離沸點(diǎn)相差不大的兩種或兩種以上能互溶的液體有機(jī)化合物，且達(dá)到良好的分離效果，用普通的蒸餾法則很難實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，使用分餾柱代替蒸餾裝置中的蒸餾頭，則可以使其得到分離和純化，這種方法稱為分餾。因此，通過(guò)分餾可以分離、提純沸點(diǎn)很接近的液體有機(jī)混合物。分餾在實(shí)驗(yàn)室和化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，工程上常稱為精餾。

2.4.2　實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/h3>

①了解分餾的原理和意義、分餾柱的種類。

②學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室常用的分餾操作方法。

2.4.3　實(shí)驗(yàn)原理

分餾是分離提純沸點(diǎn)很接近的有機(jī)液體混合物的一種重要方法，其基本原理與蒸餾類似，不同之處就是將蒸餾頭換為分餾柱，使液體汽化、冷凝的過(guò)程由一次改進(jìn)為多次。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，分餾即是多次蒸餾。

在實(shí)驗(yàn)室中常用的分餾設(shè)備為分餾柱。分餾柱的作用就是使沸騰著的混合液的蒸氣進(jìn)入分餾柱時(shí)，由于柱外空氣的冷卻作用，蒸氣中易被冷凝的高沸點(diǎn)組分就被冷卻為液體，回流至燒瓶中，而低沸點(diǎn)組分除少量被冷凝外，大部分繼續(xù)汽化上升，當(dāng)上升的蒸氣與下降的冷凝液相接觸時(shí)，上升的蒸氣部分冷凝所釋放的熱量使下降的冷凝液部分汽化，兩者進(jìn)行熱交換。其結(jié)果是上升的蒸氣中低沸點(diǎn)組分含量增加，而下降的冷凝液中高沸點(diǎn)組分增加，這樣，就相當(dāng)于進(jìn)行了多次的氣液平衡，達(dá)到了多次蒸餾的效果。靠近分餾柱頂部的低沸點(diǎn)組分含量高，而燒瓶中高沸點(diǎn)的組分含量高，因此，分餾能更有效地分離沸點(diǎn)相近的液體混合物。

2.4.4　實(shí)驗(yàn)儀器、試劑與材料

儀器與材料：圓底燒瓶、分餾柱【1】、溫度計(jì)、直形冷凝管、接液管、錐形瓶、鐵架臺(tái)、鐵夾、雙口夾、電加熱套、沸石等。

試劑：甲醇、水。

2.4.5　實(shí)驗(yàn)操作

2.4.5.1　實(shí)驗(yàn)裝置

分餾裝置圖見圖2-14。Vigreux柱、Duftom柱、Hempel柱見圖2-15。

2.4.5.2　分餾實(shí)驗(yàn)操作

（1）安裝裝置

按照?qǐng)D2-14安裝分餾裝置，與蒸餾裝置安裝要求基本一致，將電加熱套放在升降臺(tái)上，再將圓底燒瓶用鐵夾、雙口夾、鐵架臺(tái)固定在電加熱套中，保持圓底燒瓶底部距加熱套1cm左右。再依次安裝分餾柱【1】、溫度計(jì)、冷凝管、接液管、接收瓶（錐形瓶或圓底燒瓶）。

（2）加料

向100mL圓底燒瓶中加入20mL甲醇和20mL水的混合液，再加入少量沸石。

（3）加熱分餾

緩慢加熱圓底燒瓶，開始微沸后控制加熱強(qiáng)度，使蒸氣慢慢升入柱中，防止過(guò)熱。當(dāng)液體沸騰時(shí)，可觀察到一圈圈氣液沿分餾柱緩緩上升，當(dāng)蒸氣上升到分餾柱頂部，開始有餾出液流出時(shí)記下溫度，調(diào)節(jié)加熱強(qiáng)度，使蒸餾以每分鐘0.5～0.65mL（10～15滴）的速度范圍進(jìn)行（回流比【2】為2～3），每餾出1mL記1次柱頂溫度。

需要注意的是，在分餾過(guò)程中，應(yīng)注意避免液泛現(xiàn)象的發(fā)生，即避免回流液體在柱內(nèi)聚集。否則會(huì)減少液體和蒸氣的接觸面積，或者使上升的蒸氣將液體沖入冷凝管中，達(dá)不到分離的目的。因此需要對(duì)分餾柱進(jìn)行保溫處理，保證柱內(nèi)具有一定的溫度梯度，簡(jiǎn)單的方法就是在分餾柱外纏繞石棉繩。

以沸點(diǎn)為縱坐標(biāo)、餾出液的體積為橫坐標(biāo)作圖，得一分餾曲線，曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為甲醇與水的分離點(diǎn)。當(dāng)甲醇蒸出后，餾分就暫時(shí)停止流出，溫度很快上升，迅速達(dá)到水的沸點(diǎn)。注意在溫度開始上升時(shí)及時(shí)更換接收瓶，此時(shí)餾出的是水。

將收集的甲醇再進(jìn)行一次簡(jiǎn)單分餾，就可以得到純凈的甲醇。

（4）結(jié)束實(shí)驗(yàn)

做完實(shí)驗(yàn)，記錄分餾出甲醇的體積，計(jì)算分離效率。把甲醇餾液傾入指定的回收瓶中，清洗玻璃儀器。

本實(shí)驗(yàn)需4～6h。

2.4.6　注釋

【1】分餾柱的種類很多，一般實(shí)驗(yàn)室常用的分餾柱有Vigreux柱、Duftom柱和Hempel柱，見圖2-15。Vigreux柱又稱刺形分餾柱，是實(shí)驗(yàn)室最常用的一種，柱子阻力小，附液量（分餾時(shí)殘留在柱中液體的量）少，容易清洗，但分離效率中等。Duftom分餾柱，柱內(nèi)部有一個(gè)繞在玻璃軸上的玻璃螺旋，這種分餾柱適用于沸點(diǎn)低于100℃的物質(zhì)的分離。為了提高分離效率，可使用填料柱，即在分餾柱內(nèi)裝入具有大比表面積的惰性填料，如玻璃（玻璃球、短段玻璃管）、陶瓷或金屬（金屬絲繞成固定形狀）。填料的作用是在柱中增加蒸氣與回流液的接觸，填充物比表面積越大，越有利于提高分餾效率。填料之間應(yīng)保留一定的空隙，要適當(dāng)緊密且均勻。一般來(lái)說(shuō)，待分離的混合物沸點(diǎn)差越大對(duì)分餾柱的要求越低，反之，要求越高。

分餾柱的分餾能力和效率分別用理論塔板值和理論塔板等效高度（HETP）來(lái)表示。一個(gè)理論塔板值就相當(dāng)于一次簡(jiǎn)單蒸餾，如果說(shuō)一個(gè)分餾柱的分餾能力為六個(gè)理論塔板值，那么通過(guò)這個(gè)分餾柱所取得的結(jié)果就相當(dāng)于六次簡(jiǎn)單蒸餾的結(jié)果。表2-2是兩組分的沸點(diǎn)差與分離所需理論塔板值的關(guān)系，沸點(diǎn)差越大，所需的理論塔板值越小，對(duì)分餾柱的要求越低，由表2-2可知，沸點(diǎn)差在100℃以上可以不用分餾柱，用一次蒸餾就可將二者分離。

一個(gè)具有同樣分餾能力的分餾柱可以有不同的長(zhǎng)度，例如兩個(gè)分餾柱，都具有20個(gè)理論塔板值的分餾能力，但一個(gè)長(zhǎng)60cm，一個(gè)長(zhǎng)20cm，從單位長(zhǎng)度的效率講后者效率高。所謂HETP即是理論塔板值除以分餾柱的長(zhǎng)度所得的數(shù)值，因此，60cm長(zhǎng)的分餾柱的HETP為3，而20cm長(zhǎng)的分餾柱的HETP為1。由此可見，分餾柱的HETP越小，單位長(zhǎng)度的分餾效率越高。

【2】回流比是指在單位時(shí)間內(nèi)由柱頂冷凝返回圓底燒瓶中液體的量與從蒸氣通過(guò)冷凝管冷卻流出的液體的量之比。如回流每4滴收集1滴餾出液，則回流比為4∶1。對(duì)于非常精密的分餾，使用高效率的分餾柱，回流比可達(dá)100∶1。回流比越大，分離效率越好。

2.4.7　思考題

①分餾和蒸餾在原理和裝置上有哪些異同？

②為什么分餾時(shí)加熱要平穩(wěn)并控制好回流比？

③什么是液泛現(xiàn)象？出現(xiàn)液泛現(xiàn)象怎么辦？

④為什么不能用分餾法分離共沸混合物？