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分離化学工学 第2回

Hiromasa Kaneko
September 24, 2017

 分離化学工学 第2回

今回の達成目標
どうして分離ができるのか?
いろいろな分離の方法
物質の移動・平衡状態
物質の移動・平衡状態
平衡状態
気液平衡
気液平衡における法則
ヘンリーの法則
ヘンリーの法則
ヘンリーの法則
ラウールの法則
ラウールの法則
ラウールの法則 分離係数・相対揮発度
ラウールの法則 分離係数・相対揮発度
今回の達成目標

Hiromasa Kaneko

September 24, 2017
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Transcript

  1. いろいろな分離の⽅法 蒸留 蒸気圧の差 ガス吸収 溶解度・反応性の差 膜分離 分⼦径・粒⼦径・速度などの差 抽出 溶解度の差 吸着

    分⼦間⼒・クーロン⼒・化学結合⼒の差 晶析 溶解度の温度依存性の差 乾燥 乾燥速度の差 電気泳動 電荷の差 遠⼼分離 密度・重さの差 3
  2. 物質の移動・平衡状態 分離の原理は、物質の物性の差を利用すること “物性の差”を考える上で • 物質がどのように動くか 物質の移動 • 時間が経ったあとにどうなっているか 平衡状態 が大事

    これらは別に考えないといけない ⁃ 小学生のマラソン大会で下の2つは違う • 最初の校庭内の順位 (短距離の速さ) • 時間が経ったあとの順位 (⻑距離を⾛ったあとの差) 4
  3. 物質の移動・平衡状態 物質の移動が鍵になる → 速度差分離 (非平衡分離) • 膜分離 • ろ過 •

    遠⼼分離 • 沈降濃縮 平衡状態が鍵になる → 平衡分離 • 蒸留 • ガス吸収 • 抽出 • 晶析 • 吸着 5
  4. 気液平衡 気体と液体との平衡状態 • 蒸留 • ガス吸収 成分Aと成分Bがある • 十分時間が経ったときに、 気体におけるAの濃度は︖Bの濃度は︖

    液体におけるAの濃度は︖Bの濃度は︖ • 例えば、気体のAの濃度が高いとすると、 気体だけ取り出せば分離を達成できる 7 液体 気体 A B A B
  5. ヘンリーの法則 Aは液体にほとんど溶けていないとする • A︓酸素、水素、窒素など 一定温度において、気体のAの分圧は液体のAの濃度に⽐例する • 式で表すと 9 液体 気体

    A B A B xA [-]︓液体中のAのモル分率 A A p Hc = A A p Kx = A A y mx = cA [mol・m-3]︓液体中のAの濃度 pA [Pa]︓気体のAの分圧 H[m3・Pa・mol-1], K[Pa], m[-]︓ヘンリー定数 yA [-]︓気体中のAのモル分率
  6. ヘンリーの法則 上の3式が成り⽴つとき、 となることを示してみよう 10 A A p Hc = A

    A p Kx = A A y mx = M M K m H c c π = = cM [mol・m-3]︓溶液中の全濃度。ただし、Aはほとんど溶けていないため cM = cB π[Pa]︓全圧 (ヘンリー定数に関する関係式)
  7. ヘンリーの法則 11 A M A c c x = A

    A p y π = A A p Hc = A A p Kx = A A A M A M A A A A M M Kx Kx K H c c x c p x y x c c π = = = = = より、 と が成り⽴つことから、 と A A A A M M M y x mx x m H c c c π π π = = = A A y mx = より、
  8. ラウールの法則 AとBとは似ているもの(同族)とする • ベンゼンとトルエン、メタノールとエタノールなど • 一般的に、沸点の低い(蒸発しやすい)成分をAとする 気体の分圧は液体のモル分率に⽐例する • 式で表すと 12

    液体 気体 A B A B xA , xB [-]︓液体中のA, Bのモル分率 pA , pB [Pa]︓気体のA, Bの分圧 A A A p P x = B B B p P x = ( ) A B 1 x x + = PA , PB [Pa]︓純物質A, Bの蒸気圧(飽和蒸気圧) ・・・AもしくはBしかないときの圧⼒
  9. ラウールの法則 AとBの気体のモル分率 yA , yB [-] を考える 13 液体 気体

    A B A B 気体のA, Bの分圧は、ダルトンの法則(Dalton’s low)より A A p y π = B B p y π = (気体のモル分率の⽐ = 分圧の⽐) より ( ) A B 1 y y + = A A A A p P x y π π = = A A A p P x = B B B p P x = B B B B p P x y π π = =
  10. ラウールの法則 分離係数・相対揮発度 15 相対揮発度 α [-] とすると、 A B A

    B 1 1 x x y y + = + = A A A B B B A B y x y x y y x x α = = より、 ( ) ( ) A A A A 1 1 y x y x α − = − ( ) A A A 1 1 x y x α α = + − 気体のモル分率を、 液体のモル分率と相対揮発度で表せた