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沸石防爆沸的原理是什么

发布时间:2019-03-14     浏览次数:867



      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。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。



      对过热液体继续加热,会骤然而剧烈地发生沸腾现象,这种现象称为“暴沸”。或叫作“崩沸”。过热是亚稳状态。由于过热液体内部的涨落现象,某些地方具有足够高的能量的分子,可以彼此推开而形成极小的气泡。当过热的液体温度远高于沸点时,小气泡内的饱和蒸气压就比外界的压强高,于是气泡迅速增长而膨胀,以至由于破裂引起工业容器的爆炸。液体之所以发生过热的原因是液体里缺乏形成气泡的核心。为了清除在蒸馏过程中的过热现象和保证沸腾的平稳状态,常加沸石,或一端封口的毛细管,因为它们都能防止加热时的暴沸现象,把它们称做止暴剂又叫助沸剂,沸石具有三维硅氧四面体和三维铝氧四面体独特结构,这些四面体按一定的规律排列成具有一定形状的晶体骨架。沸石的矿物骨架是一开放性的,具有很多的大小均一的通道和空腔(3~11À;)。在这些孔穴和通道中吸附着金属阳离子和水分子,这些阳离子和水分子与阴离子骨架间的结合力较弱。沸石的这种特殊结构决定了它所特有的防爆性能。 值得注意的是,不能在液体沸腾时,加入止暴剂,不能用已使用过的止暴剂。简单说就是因为加热时烧杯中的液体会向上冲,从而造成了一个个冒出来的“喷泉”,剧烈时甚至会溅出伤人,而沸石能够有效的阻止液体的向上冲,使加热时液体能够保持平稳。


      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。