三组分相图.ppt

三组分相图 三组分体系的相律为 f 3 2 5 1 要完全地描述三元体系 需要4个独立变量 要用4维空间才能完全描述 这在现实世界是无法做到的 f 0 max 5 三元体系最多可以有5相共存 一般的三元相图 固定体系的温度和压力 考察体系组成变化时 相图变化情况 此时 体系最大自由度f 2 用平面图就可描绘相的变化 对于凝聚体系 压力的影响很小 一般可忽略不计 但温度的影响是相当大的 为了表示温度对三元体系相图的影响 可用投影的方法 绘制不同温度下体系的相图 也可借助于3维动画的技术 绘制三维立体相图 等边三角坐标表示法 顶点A B C各点分别代表纯A 纯B和纯C AB A B二元体系的组成 BC B C二元体系的组成 AC A C二元体系的组成 物系点距离某顶点愈近 则体系中此组分的含量愈多 物系点距离某顶点愈远 则体系中此组分含量愈少 BD代表A的含量 AG代表B的含量 GD代表C的含量 设有一物系点P 过P分别作BC AB AC的平行线与三角形的边相交于D E F 三角坐标的特点 1 在与某边平行的任一直线上的各点 与此边相对顶点所代表组分的含量必相同 如P作BC的平行线EF 则EF线上各物系点组分A的百分含量相同 变化的只是B C组分的相对含量 三角坐标的特点 2 通过某点的任意直线上各物系点所代表的体系中 另外两顶点所代表组分含量之比 必定相同 三角坐标的特点 3 两个三组分体系并组成新的体系 则新物系点必在两组分物系点的连线上 体系M和N组成新的体系 则新物系点O必在MN连线上 各物系点的量服从杠杆规则 WM WN ON OM 4 若由3个体系合成一个体系 新体系的物系点必在原来3物系点所组成的三角形中 可以多次运用杠杆规则求出新的物系点 D E F分别为3个体系的物系点 由3体系组成的新体系的物系点在三角形DEF之中 先由F E用杠杆规则求出合成体系的物系点G 再由D G用杠杆规则求出新体系的物系点H 三元盐水体系 三元盐水体系是指体系组成为二盐一水的体系 1 固相是纯盐的体系 以A H2O B NH4Cl C NH4NO3 三元相图为例 体系相律 f 3 图中各区组成 1区 单相溶液 f 2 2区 B s l f 1 3区 C s l f 1 4区 l B s C s f 0 若有B C混合物 其组成由G点表示 向此体系加水 物系点将沿GA线向纯水组分A点移动 物系点移动到扇形区CEF区间内 如移动到H点 体系为两相共存 一相为C NH4NO3 的饱和溶液 另一相为纯固态C 通过过滤的方法可以得到纯C 若B C混合物的初始组成为P点 加入水后 物系点将进入扇形区BDF 通过过滤的方法可得到纯B NH4Cl 生成水合物的体系 水 A NaCl B Na2SO4 C 三元体系相图 有水合物D Na2SO4 10H2O 生成 B C混合物的组成为P时 用加水的方法 物系点将进入扇形区EDG 过滤可以获得纯的水合物D 但无法得到纯盐C 溶液l 单相区 B s l f 1 D s l B s D s l f 0 B s D s C s f 0 生成复盐的体系 水 A NH4NO3 B AgNO3 C 三元体系相图 有复盐D NH4NO3 AgNO3 生成 由混合物P 通过加水的方法可以得到的纯物质为复盐D 溶液l 单相区 B s l f 1 C s l B s D s l f 0 D s C s l f 0 D s l 三组分相图 例1 例 x y z分别代表不同的三元体系 在该温度下恒温蒸发 分别最先析出何种晶体 解 连接Ax Ay Az 并将其延长 其延长线分别进入扇形区BEF DFH和CHG 故 x 首先析出B NH4NO3 y 首先析出D NH4NO3 AgNO3 z 首先析出C AgNO3 三元液体体系相图 三元液体体系的相图有多中类型 图中所示为HAc H2O 甲苯三元相图 水与甲苯不完全互溶 故有分层现象出现 图中的帽形区是两相区 偏C一方者为水层 偏B一方者为甲苯层 物系点落在帽形区内时 体系将为两相共存 P点在单相区 若使体系的物系点沿AP移动 当进入帽形区后 体系则会分为两相 如移动到P P P 点时 体系分为两相 相的组成分别为 a与b a 与b a 与b a b分别为甲苯层和水层 此两相平衡共存的液层称为共轭溶液 conjugatesolution 越远含量越少 三元液体体系相图 由A 乙烯腈 B 水 和C 乙醇 组成的三元体系 因为水与乙烯腈 乙醇与乙烯腈都不完全互溶 故在相图中有两个帽形区 当体系的温度降低时 溶解度一般会降低 相图中的帽形区将逐步增大 达到一定程度时 两个帽形区会互相重叠 形成一个大的两相区 其它区域则为单相区 三元液体体系相图 由A 乙烯腈 B 水 和C 乙醚 组成的三元体系 三者相互之间都不完全互溶 故在相图中有三个帽形区 当体系的温度降低时 溶解度降低 相图中的帽形区将逐步增大 达到一定程度时 三个帽形区会互相重叠 相图中将出现三相区 物系点落在三相区时 三液相共存 在表观上 将会出现互不相溶的3个液层 目前 尚未发现4液相共存的现象 三元相图的应用 A H2O B KNO3 C NaNO3 紫红色 373K的相图 蓝色 298K的相图 有KNO3 NaNO3混合物 物系点为x 利用相图可找到合理的提纯工艺路线 在298K下加水使物系点进入BFH两相区 过滤可得纯KNO3 滤液组成为H 在373K下等温蒸发 使物系点到M 过滤可得纯NaNO3 向母液O中加入原料x 物系点达到N 在298K加水使物系点移动至P 过滤得纯B 重复以上操作可以分离混合盐 得到纯B和纯C 恒沸精馏对于具有恒沸点的非理想溶液 通过加入质量分离剂即挟带剂与原溶液其中一个或几个组分形成更低沸点的恒沸物 从而使原溶液易于采用蒸馏进行分离的方法 称之为恒沸精馏 乙醇 水恒沸精馏流程如图6 6 1所示 乙醇 水常压下恒沸点为78 3 其恒沸点组成是乙醇 0 894 水 0 006 摩尔分数 下同 当加入挟带剂苯时 即可形成更低沸点的三元恒沸物 其组成是 苯 0 544 乙醇 0 23 水 0 226 沸点为64 6 在较低温度下 苯与乙醇 水不互溶而分层 可将苯分离出来 图6 6 1中 塔 为恒沸精馏塔 乙醇 水原料从塔中部适当位置进入 恒沸剂从顶部加入 在蒸馏中 苯与进料中乙醇 水形成三元恒沸物从塔顶排出 从塔底获得无水乙醇 塔顶三元恒沸物及其他组分蒸气混合蒸气经冷凝后分层 苯相返回塔 顶 水相进入塔 回收残余苯 而苯形成三元恒沸物返回塔 塔 釜液送入塔 回收废水中的乙醇 乙醇以二元恒沸物形式返回塔 进料 重新分离 挟带剂或质量分离剂必须进行选择 必须考虑一定的原则 图6 6 1乙醇 水恒沸精馏 冷凝分层 萃取精馏组分的相对挥发度非常接近 但不形成共沸物的混合物 不宜采用常规蒸馏方法进行分离 而通过加入质量分离剂 或称之萃取剂 其本身挥发性很小 不与混合物形成共沸物 却能显著地增大原混合物组分间的相对挥发度 以便采用精馏方法加以分离 称此精馏为萃取精馏 环乙烷 苯的萃取精馏流程如图6 6 2所示 常压下环乙烷与苯相对挥发度接近 若加入糠醛萃取剂后 则使苯由易挥发组分变为难挥发组分 且相对挥发度发生显著改变 其值远离 如下表所示 不同糠醛浓度下环乙烷对苯的相对挥发度糠醛组成x 摩尔分数 00 20 40 60 7环乙烷对苯相对挥发度 0 981 381 3852 352 7由表可见 只要进入适量的糠醛 即可使环乙烷与苯混合物易于采用精馏方法加以分离 萃取剂糠醛在塔上部适当位置加入 进料在塔中部适当位置进入 在糠醛作用下 环乙烷成为易挥发组分 从塔顶获得环乙烷产品 糠醛和苯从塔底排出 进入第二塔 从塔顶分离出苯产品 塔底回收萃取剂糠醛 返回前塔循环使用 为避免糠醛进入环乙烷中 在糠醛入塔上方 也必须保证适宜塔板数 以脱出蒸气中的糠醛 选择萃取剂时 应考虑保证用量少 不污染产品 经济且效果显著 为此 选择萃取剂必须考虑一些基本要求 萃取精馏和恒沸精馏相比 有以下区别 恒沸精馏的挟带剂必须和被分离组分形成最低恒沸物 挟带剂的选择不易 萃取精馏的萃取剂 其选择范围要广得多 恒沸精馏中的挟带剂以汽态离塔 消耗的潜热较多 而萃取精馏时的萃取剂基本不变化 一般来说 萃取精馏的经济性较高 总压一定时 恒沸精馏形成的恒沸物 其组成和温度都是恒定的 而萃取精馏时 由于被分离组分的相对挥发度和萃取剂的流率有关 故其操作条件可在一定范围内变化 无论是设计或操作都比较灵活和方便 但萃取剂必须不断地由塔顶加入 故萃取精馏不能简单地用于间歇操作 而恒沸精馏则无此限制 恒沸精馏时的操作温度一般比萃取精馏的低 故适用于分离热敏性物料 化工生产中 反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行 若能将两者结合起来 在一个设备中同时进行 将反应生成的产物或中间产物及时分离 则可以提高产品的收率 同时又可利用反应热供产品分离 达到节能的目的 反应精馏 反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程 为提高分离效率而将反应与精馏相结合的一种分离操作 也是为了提高反应转化率而借助于精馏分离手段的一种反应