有机蒸馏加沸石防爆沸原理

有机蒸馏时加沸石防爆沸原理加沸石是为了防止溶液过热而产生暴沸现象,使沸腾保持平稳。而暴沸会引起产品浪费、火和烫伤以及仪器损坏等事故。有机液体中溶解的空气一般都很少,在加热过程中没有空气泡产生;而要使有机物本身的蒸气形成气泡,这个新相的产生是十分困难的。因为处在液体内部的蒸气泡的内表面是凹面,凹面上所产生的附加压力p与气泡中的蒸气压的方向相反。根据附加压力的Laplace公式p=2x/r(x为液体的表面张力,r为弯曲表面的曲率半径,对凸面取正值,对凹面取负值),气泡越小,曲率半径越小,气泡所受的附加压力就越大,越不易生成。当液体被加热到沸点温度时,由于气泡的形成需要经过一个从无到有、从小到大的过程,可以想像,最初形成的气泡半径极小,其曲率半径r很小,根据Laplace公式,气泡所受的附加压力很大,而泡内的蒸气压相对较小,故气泡不易生成,所以还看不到溶液沸腾;于是,需要继续加热升温,此时液体的温度已经高过其正常沸点,属于过热液体。这种液体温度超过沸点而液体不沸腾的现象又称介稳现象。随着温度的增加,一方面气泡内蒸气压增加,另一方面液体表面张力x下降,由Laplace公式知气泡所受附加压力减小,故气泡变大;随着气泡变大,曲率半径r增大,由Laplace公式知气泡所受附加压力进一步变小;另外,气泡在上升过程中,液柱对气泡的压力变小,促使气泡涨得更大,上升得更快。由于这时液体的温度已超过正常沸点,几乎所有的液体都想在瞬间变成蒸气冲出,这就形成了暴沸。需要指出的是,通过使用Kelvin公式获得蒸气泡内蒸气压很小,并进而用来解释暴沸现象的产生是不恰当的,因为对于蒸气泡Kelvin公式已不再适用。沸石是一类多孔材料,孔内贮有空气,在溶液中受热时会产生一股稳定而细小的空气泡流,这些空气泡成为液体分子的汽化中心,使得开始形成的蒸气泡不是太小,气泡所受的附加压力不是太大,到达沸点时气泡上升,搅动溶液,保持正常的沸腾状态。从而可以使液体在加热过程中平稳地沸腾,避免了因液体过热而产生暴沸。除沸石外,加入能提供成泡中心的其他多孔材料(如素烧瓷片、玻璃珠或小磁圈等)或者是一头封闭的玻璃毛细管,都可以达到防止暴沸的目的。沸石应在加热前加入。如果在加热后才发现忘加沸石,此时不能直接补加,否则极易引起暴沸,因为此时液体很可能已经过热。而应停止加热,等液体冷却后再行补加。如果中途停止加热蒸馏,则重新开始蒸馏时必须添加新的沸石。另外,用过后的沸石不能直接再次使用,因为此时沸石孔内已没有空气。但经过洗涤和烘干后的沸石可以再次使用。那为什么在日常生活中煮开水时不发生暴沸现象呢?原因很简单,通常水中溶解有不少空气,这些空气在加热过程中成气泡逸出,而水蒸气可以蒸发到空气泡中。由于空气泡较大,曲面上的附加压力并不明显。空气泡在受热上升的过程中起到了搅动水的作用,从而使上下水温基本一致。当达到水的正常沸点时,水的蒸气压等于外压;此时,水就能很平稳地沸腾,而不会出现暴沸现象。