日常生活中的 6 個(gè)分餾示例
我們?cè)谌粘Ｉ钪袝?huì)遇到幾種混合物。有時(shí)，當(dāng)它們不是作為混合物而是作為單獨(dú)的成分有價(jià)值時(shí)，我們會(huì)采用幾種分離方法來(lái)挑選出有益的成分。例如，要清洗臟水，我們可以使用過(guò)濾的方法來(lái)分離固體雜質(zhì)。然而，在液體雜質(zhì)的情況下，過(guò)濾不能提純，因?yàn)殡s質(zhì)的粒度與溶液之間的顯著差異不大。盡管如此，還有另一個(gè)物理特性可以幫助分離過(guò)程，即沸點(diǎn)。蒸餾是一種過(guò)程，我們可以根據(jù)沸點(diǎn)的差異分離兩種或多種液體的混合物；然而，如果組成成分的沸點(diǎn)差異小于 25 oC，則簡(jiǎn)單的蒸餾無(wú)法實(shí)現(xiàn)顯著提純。對(duì)于這種情況，我們可以通過(guò)在設(shè)備中增加一個(gè)分餾塔來(lái)將簡(jiǎn)單的蒸餾修改為分餾。
在分餾中，來(lái)自蒸餾燒瓶的蒸汽沿分餾塔通過(guò)，塑料和玻璃塔板通過(guò)為冷凝和蒸發(fā)提供更多表面積來(lái)改善分離過(guò)程。隨著蒸氣在分餾塔中上升，在一定高度，高沸點(diǎn)組分在塔之間冷凝并返回混合物，而低沸點(diǎn)組分通過(guò)塔并在頂部收集。分餾還節(jié)省了在多次簡(jiǎn)單再蒸餾過(guò)程中可能遇到的時(shí)間和效率損失。理論上，在分餾塔內(nèi)增加更多的塔板或板可以改善純化過(guò)程，但這也會(huì)增加分離所需的時(shí)間。分餾有多種工業(yè)應(yīng)用，可為我們提供日常生活中使用的各種產(chǎn)品。讓我們來(lái)看看我們?nèi)粘Ｉ钪蟹逐s的幾個(gè)例子。
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1、煉油
如果您有機(jī)會(huì)參觀煉油廠，您可以親眼目睹地球上技術(shù)最先進(jìn)的分餾塔之一。為我們的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的燃料在地表和海床深處被發(fā)現(xiàn)，即原油，也稱(chēng)為石油。它是一種天然存在的黃黑色液體，由碳?xì)浠衔锍练e物和其他有機(jī)物質(zhì)組成。這些組件可以有多個(gè)應(yīng)用程序，但當(dāng)它們混合時(shí)則不能。原油中烴類(lèi)的復(fù)雜混合物可以通過(guò)分餾技術(shù)分離成餾分。在煉油廠，原油被送入溫度約為 650 K 的熔爐中。然后從熔爐中流出的蒸汽被送入 25-100 米高的分餾塔，不同的餾分在特定溫度范圍內(nèi)凝結(jié)。當(dāng)上升的蒸汽到達(dá)溫度低于蒸汽沸點(diǎn)的托盤(pán)時(shí)，它會(huì)部分冷凝。當(dāng)一些蒸汽冷凝成液體時(shí)，消散的潛熱然后加熱更多的液體，液體中更易揮發(fā)的成分蒸發(fā)，與剩余的蒸汽結(jié)合并向上通過(guò)塔。揮發(fā)性較低的液體流過(guò)塔盤(pán)并沿管道流向下方的塔盤(pán)。從熱到冷（從最大到最小的碳?xì)浠衔铮?，餾分的順序是渣油（用于制造瀝青）、燃料油、柴油、煤油、石腦油、汽油和煉油廠氣。
2.酒精制造
長(zhǎng)期以來(lái)，酒精一直是人類(lèi)文化的重要組成部分，已知最早的證據(jù)可以追溯到 9000 年前。事實(shí)上，一些人類(lèi) DNA 研究表明，我們的祖先在大約 1000 萬(wàn)年前就已經(jīng)具備了代謝乙醇（僅可飲用的酒精）的能力，遠(yuǎn)在我們成為人類(lèi)之前。從啤酒和葡萄酒等軟酒精飲料到威士忌和伏特加等硬酒精，酒精有多種口味，幾乎可以在世界任何地方找到。制造酒精的基本步驟是發(fā)酵——將糖分解成乙醇和二氧化碳的過(guò)程。通常允許二氧化碳?xì)怏w從溶液中逸出。高于 18% 或 19% 的酒精含量通常對(duì)酵母有毒并導(dǎo)致細(xì)胞死亡。通過(guò)蒸餾進(jìn)一步增加液體中的酒精含量。事實(shí)上，蒸餾酒都是通過(guò)蒸餾將乙醇濃度提高到高于原始發(fā)酵混合物的酒精飲料。酒精蒸餾的原理是基于酒精（78.5 °C 或 173.3 °F）和水（100 °C 或 212 °F）的不同沸點(diǎn)。當(dāng)含有乙醇的液體被加熱到高于 78.5°C 但低于 100°C 的溫度并且從液體中流出的蒸汽被冷凝時(shí)，冷凝液將具有更高的酒精濃度或強(qiáng)度。分餾可以進(jìn)一步濃縮酒精，從而產(chǎn)生酒精含量高達(dá) 80% v/v 的烈性酒。酒精蒸餾的原理是基于酒精（78.5 °C 或 173.3 °F）和水（100 °C 或 212 °F）的不同沸點(diǎn)。當(dāng)含有乙醇的液體被加熱到高于 78.5°C 但低于 100°C 的溫度并且從液體中流出的蒸汽被冷凝時(shí)，冷凝液將具有更高的酒精濃度或強(qiáng)度。分餾可以進(jìn)一步濃縮酒精，從而產(chǎn)生酒精含量高達(dá) 80% v/v 的烈性酒。酒精蒸餾的原理是基于酒精（78.5 °C 或 173.3 °F）和水（100 °C 或 212 °F）的不同沸點(diǎn)。當(dāng)含有乙醇的液體被加熱到高于 78.5°C 但低于 100°C 的溫度并且從液體中流出的蒸汽被冷凝時(shí)，冷凝液將具有更高的酒精濃度或強(qiáng)度。分餾可以進(jìn)一步濃縮酒精，從而產(chǎn)生酒精含量高達(dá) 80% v/v 的烈性酒。
3.空氣分離
空氣是由大約 78% 的氮?dú)狻?1% 的氧氣、0.93% 的氬氣、0.378% 的二氧化碳和其他微量氣體（包括水蒸氣和其他惰性氣體）組成的混合物。這些氣體中的大多數(shù)具有多種商業(yè)和工業(yè)價(jià)值，可以通過(guò)液化過(guò)程然后分餾直接從空氣中提取。該過(guò)程從環(huán)境空氣過(guò)濾開(kāi)始，其中空氣通過(guò)過(guò)濾器去除任何灰塵顆粒。然后將過(guò)濾后的空氣壓縮到大約 6 巴以進(jìn)行液化。在壓縮過(guò)程中，空氣中存在的大部分水蒸氣都被冷凝出來(lái)。當(dāng)空氣通過(guò)分子篩網(wǎng)時(shí)，剩余的水蒸氣與二氧化碳一起被去除。這樣做是為了避免在液化過(guò)程中形成冰和干冰。凈化后的空氣然后通過(guò)一個(gè)熱交換器，該熱交換器包括一個(gè)輸送液氮的管道網(wǎng)絡(luò)。然后讓冷的壓縮空氣迅速膨脹，從而進(jìn)一步冷卻至-200°C，大部分空氣在此液化。然后將液化空氣通入分餾塔，該塔主要包含三個(gè)蒸餾塔。液化空氣的分離是基于其組分的不同沸點(diǎn)。液化空氣進(jìn)入第一個(gè)蒸餾塔后，溫度緩慢升至-176℃，使氮?dú)庹舭l(fā)并逸出分餾塔。
4. 香水制造
大自然的氣味長(zhǎng)期以來(lái)一直是人類(lèi)服裝的一部分，但你有沒(méi)有想過(guò)這些來(lái)自花卉和植物的氣味最終是如何進(jìn)入噴霧瓶的？整個(gè)過(guò)程在工業(yè)領(lǐng)域被稱(chēng)為香味提取。是指通過(guò)蒸餾、溶劑萃取、壓榨、篩分或enfleurage等方法從原料中分離出芳香族化合物的過(guò)程。提取物的結(jié)果是精油、純油和其他混凝土。原始精油是從薄荷、丁香、茶樹(shù)和廣藿香等各種植物中提取的。分餾在香料工業(yè)中的主要作用是將精油加工成高純度的分離物和芳香化學(xué)品。
5. 高純硅半導(dǎo)體制造
硅是世界上最豐富的半導(dǎo)體元素之一。它存在于巖石、沙子、粘土和土壤中，與氧結(jié)合為二氧化硅或與氧和其他元素結(jié)合為硅酸鹽。在工業(yè)規(guī)模上，質(zhì)量最低的硅是冶金級(jí)硅（MGS）。制造 MGS 的原料是石英巖（純氧化硅巖石）。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)去除氧化物來(lái)純化硅。這是通過(guò)將石英巖移入熔爐中使用電極將其熔化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。石英巖被加熱到 1900 °C，然后與碳混合，使氧氣以一氧化碳的形式離開(kāi)熔爐。然后將熔融硅從熔爐中取出，然后進(jìn)一步提純。在高溫和催化劑存在下，MSG 粉末與 HCl 一起暴露在反應(yīng)器中。硅與 HCl 反應(yīng)形成三氯硅烷{SiHCl}_{3}氯化硅_ _3. TCS 被液化，然后通過(guò)分餾塔，在那里根據(jù)沸點(diǎn)去除雜質(zhì)。這種多晶材料隨后被用作生產(chǎn)單晶材料的起點(diǎn)，單晶材料最終被加工成半導(dǎo)體晶片。由于少量的某些污染物對(duì)半導(dǎo)體的電性能有如此大的影響，因此大宗原材料必須非常純凈（> 99.99%）。
6、醫(yī)藥行業(yè)
制藥工業(yè)在很大程度上也依賴于分餾。在活性藥物成分的配方中，溶劑交換或溶劑交換起著非常重要的作用。執(zhí)行溶劑交換以去除在較早處理步驟中使用的原始溶劑，并在下一個(gè)處理步驟中用更合適的溶劑替換它。它是通過(guò)分餾來(lái)實(shí)現(xiàn)的。交換溶劑與原始溶劑混合物混合，然后裝入分餾柱。原始溶劑被蒸餾掉并可以在分餾柱的頂部收集，而交換溶劑與活性藥物成分一起在底部收集。通過(guò)減少所用溶劑的量和降低能源消耗，同時(shí)保持相同的凈化水平，可以提高溶劑交換過(guò)程的效率。這可以通過(guò)在交換期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶劑濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。分餾在制藥中用于多種用途，包括烷烴的分離、制藥級(jí)酒精溶液的生產(chǎn)，甚至大麻的油分解和 THC 濃度的提高。
