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分离过程的可行性分析

    分离过程在给定条件下的可行性分析能筛选掉一些显然不合适的分离方法。例如,若分离丙酮和乙醚二元混合物。由于它们是非离子型有机化台物,因此可以断定用离子交换、电渗析和电泳等方法是不合适的,因为这些分离过程所基于的性质差异,对该物系不存在。

    过程的可行性分析应考察分离过程所使用的工艺条件。在常温、常压下操作的分离过程,相对于要求很高或很低的压力和温度等苛刻的过程,应优先考虑。

    对大多数分离过程,分离因子反映丁被分离物质可测的宏观性质的差异。对精馏而言,相应的宏观性质是蒸气压。对吸收和萃取而言,是溶解度等。这些宏观性质的差异归根结底反映了分子本身性质的差异。表10-9表示了各种分离过程的分离因子对分子性质的依赖性。从该表可以看出,在确定不同分离过程的分离因子时,不同的分子性质的重要性基本上是不同的。例如,精馏过程中,分离园子反映为蒸气压,最终反映了分子间力的强弱。而在结晶过程中,分离因子主要反映了各种分子会聚在一起的能力,这时分子的大小和形状这些简单的几何因素就显得更重要了。

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    对于任何给定的混合物,接分子性质及其宏观性质的差异选择可能的分离过程是十分有用的。例如,如果混合物中各组分的极性相差很大,就有可能采用精馏过程;如果各组分的挥发度相差不大,则可能采用极性溶剂进行萃取或萃取精馏。如果极性大的分子以很低的浓度存在于混合物中,那么采用极性吸附剂的吸附过程可能是合适的。

    以二甲苯异构体的分离为例判断被分离分子之间的差别,进而选择最适用的分离过程。三种二甲苯和乙苯的部分性质列于表10-10。由于它们是异构体,有相同的分子量,因此,任何依靠分子量差异进行分离的过程都是无用的。这三种异构体的极性确稍有差别,因为甲基和苯环之间的键微带极性。对二甲苯的两个偶极键彼此相对,净偶极矩为零。邻二甲苯的两个偶极键近于在同一方向上排列,净偶极矩最大。虽然它们的偶极矩不同,但相差不大。由于各种异构体具有几乎相同的介电常数,其分子间作用力的变化也不大,因此,依靠分子间作用力的差异所进行的各种分离过程,其分离因子将接近于1。当然,对偶极矩的差异作某些利用是可能的。

    这些异构体的沸点是十分接近的。从沸点和沸点随压力的变化可以算出间位或对位/邻位二甲苯的相对挥发度为1.16左右,而对位/间位二甲苯的相对挥发度是1.02。由于间、邻位异构体的相对挥发度已足够大,因此用精馏法使邻二甲苯和间二甲苯分离是可行的。不过实现该精馏过程需要回流比为15,且要100块或更多的塔板。邻位异构体和另两种异构体在挥发度上的差异反映了偶极矩的差异;邻二甲苯的偶极矩较大,故它在液相中的分子优先地联合,因而和另两种异构体相比它的挥发度稍小。

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    对位和间位二甲苯之间的相对挥发度相当小,以致用精馏法分离是不可能的。然而这两种异构体明显的性质差别是分子形状。对二甲苯是细长分子,间二甲苯更近于球形。由表10-9可看出,在确定的分子体积下,依靠分子形状进行的分离过程是结晶。分子形状差异有两个作用:

    ①由于对二甲苯分子形状对称,故更容易堆砌在一起成晶体结构,对二甲苯比其他的异构体有较高的凝固点;

   ②对二甲苯和间二甲苯形状不同,这意味着间二甲苯分子难于进入到固相的对二甲苯晶体结构中去。这样,当二个异构体混合物进行低温处理时,形成的周相基本上只含纯的对二甲苯,过程具有很大的分离因子。

    因此,在用精馏法除去邻二甲苯以后,结晶分离对二甲苯和间二甲苯是最普通的传统的工业生产法。另外,由于分子的形状因素对吸附过程的影响较大,利用分子筛进行吸附,得到对二甲苯异构体的分离因子更大。因此,已经开发出以分子筛工艺为基础的连续流动大型吸附装置,部分代替了结晶过程。