蒸馏—化学制药工艺学28

蒸馏（Distillation）是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的单元操作过程，是蒸发和冷凝两种单元操作的结合。与其它的分离手段，如萃取、吸附等相比，它的优点在于不需使用系统组分以外的其它溶剂，从而保证不会引入新的杂质。需要注意的是，由于蒸馏需要搭建专用设备，成本和能耗较高，同时也存在安全性的问题，因此如果有其他可行的提纯方法，一般不建议优先选择蒸馏提纯精制。蒸馏中使用的设备至少由以下部分组成：加热装置，冷凝装置以及接收装置。

1 理想的蒸馏模型

液体的沸点是指在该温度下液体的蒸气压等于液体周围的压力，使气泡能够顺利形成。我们大部分人对于蒸馏存在一个误解：在给定压力下的液体混合物中，每种组分只要沸点不同就可以通过蒸馏进行分离。但是，即使在理想化的系统中也不会发生这种情况。理想的蒸馏模型基本上受拉乌尔定律和道尔顿定律支配。

拉乌尔定律指出溶液的蒸气压取决于溶液中每种化学成分的蒸气压和每种成分所占溶液的摩尔分数。该定律适用于理想溶液（理想溶液是指溶质与溶剂混合为溶液时，既不放热，也不吸热，溶液体积等于溶质体积和溶剂体积之和。）或具有不同成分但分子相互作用与纯溶液相同或非常相似的溶液。

道尔顿定律指出，总压力是混合物中每个单独成分的分压之和。当多组分液体被加热时，每种组分的蒸气压将上升，从而导致总蒸气压上升。当总蒸气压达到液体周围的压力时，会发生沸腾，并且整个溶液中的组分都会变成气体。当组分互溶时，具有给定组成的混合物在给定压力下具有一个沸点。组成恒定的混合物不具有多个沸点。

对于化学性质相似的液体（例如苯和甲苯），理想化模型是准确的。在其他情况下，我们会观察到与拉乌尔定律和道尔顿定律严重偏离的情况，最著名的是乙醇和水的混合物的例子。乙醇和水一起加热时会形成共沸物，此时气相和液相的组成相同。尽管有一些计算方法可以用来估计任意成分的混合物的行为，但获得准确的气液平衡数据的唯一方法是通过测量。通过蒸馏不可能完全纯化组分的混合物，因为这将要求混合物中的每种组分具有零分压。如果目标是超纯产品，则必须进行进一步的化学分离。

2 简单蒸馏

在简单蒸馏中，蒸气直接进入冷凝器中。因此，馏出液不是纯净的，在给定的温度和压力下其组成与蒸气的组成相同，基本遵循拉乌尔定律。下图显示了简单蒸馏操作的剖面示意图。沸腾烧瓶2中的起始液体15由加热板和磁力搅拌器13通过硅油浴（橙色，14）加热。蒸汽流经短的玻璃蒸馏塔3，然后流经Liebig冷凝器5，并由水（蓝色）冷却，该水通过端口6和7循环。冷凝后的液体滴入接收瓶8中，该瓶位于冷却浴（蓝色， 16）。适配器10具有可以装配到真空泵上的接头9。组件通过磨砂玻璃接头（灰色）连接。简单蒸馏温度高、时间长，一般只适合于与杂质沸点差较大且热稳定性较高的产物的分离提纯。

3 分馏

在许多情况下，混合物中各组分的沸点将非常接近以至必须考虑拉乌尔定律。因此，必须使用分馏：通过填充分馏塔内的重复的汽化-冷凝循环来分离组分。通过连续蒸馏进行的分离也称为精馏。每经过一个汽化-冷凝循环（称为理论塔板）所得的较易挥发组分的纯度就更高。实际上，在给定温度下的每个循环不会在分馏塔中的完全相同的位置发生。因此，理论板块是一个概念，而不是准确的描述。

4 减压蒸馏

为了蒸馏高沸点的化合物，通常最好的方法是通过降低压力以降低这些化合物的沸点而不是直接升高温度，该技术称为减压蒸馏。实验室中旋转蒸发器其实就是一个减压蒸馏装置。减压蒸馏同样适用于低熔点和热稳定性差的化合物的蒸馏。产物不能全部蒸出，蒸馏完毕后通常会存在残留组分。对于空气不稳定的产物，一般需要在惰性气体保护的条件下进行蒸馏，或者加入特定的抗氧化剂。

5 分子蒸馏

分子蒸馏是在0.01毫米汞柱压力以下的减压蒸馏。在高真空下，流体处于自由分子流动状态，即分子的平均自由程与设备尺寸相当。气相不再对要蒸发的物质施加很大的压力，因此蒸发速率不再取决于压力。因为不再使用流体动力学的连续假设，所以质量传输受分子动力学而非流体动力学支配。分子蒸馏是利用不同种类分子逸出蒸发表面后的平均自由程不同的性质而实现分离的。一般情况下，轻分子的自由程大，重分子的自由程小。分子蒸馏过程中，不存在蒸发和冷凝的可逆过程，而是从蒸发表面逸出的分子直接飞射到冷凝面上，理论上没有返回蒸发面的可能性。