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

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1. 分離化学⼯学 第２回 2017年4月21日 (⾦) 0 理⼯学部 応用化学科 データ化学⼯学研究室 専任講師 ⾦⼦ 弘昌
2. 今回の達成目標 いろいろな分離⽅法があることを知る 物性の差を考える上で重要となる２つが分かる 平衡状態がどのような状態か説明できる ヘンリーの法則を説明できる ラウールの法則を説明できる 1
3. どうして分離ができるのか︖ ろ紙ろ過 洗濯機 お茶 浄水器 2 物質の物性の差を利用する
4. 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
5. 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
6. 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
7. 平衡状態 平衡状態 = 安定な状態 変化のない状態ではない • ⾜利市の人口は16万人で安定しているが、 生まれたり亡くなったり、転出したり転入したりはしている • 野球の守備は9人であるが、交代はある 変化がないようにみえるだけ 実際は変化しているが釣り合っている 6
8. 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
9. 気液平衡における法則 過去の人がたくさん実験して法則を導いた 平衡状態(安定状態)において２つの法則がある ヘンリーの法則 • 希薄な液体(薄い液体、例えば液体のBがかなり多い) • 主にガス吸収で使う ラウールの法則 • 似ている成分(同族)同士 ⁃ ベンゼンとトルエン、メタノールとエタノールなど • 主に蒸留で使う 8
10. 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
11. 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)
12. 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、
13. 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
14. 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 = =
15. ラウールの法則 分離係数・相対揮発度 分離係数 αAB が になることを示してみよう を相対揮発度とよぶ (分離係数 = 相対揮発度) 14 A A A A A AB B B B B B y P K x P y P K P x π α π = = = = A B P P A B P P
16. 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
17. 今回の達成目標 いろいろな分離⽅法があることを知る 物性の差を考える上で重要となる２つが分かる 平衡状態がどのような状態か説明できる ヘンリーの法則を説明できる ラウールの法則を説明できる 16