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相平衡(phase equilibrium) 在一定的條件下,當(dāng)一個(gè)多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時(shí)間變化時(shí),稱此系統(tǒng)處于相平衡。此時(shí)從宏觀上看,沒有物質(zhì)由一相向另一相的凈遷移,但從微觀上看,不同相間分子轉(zhuǎn)移并未停止,只是兩個(gè)方向的遷移速率相同而已。
化工熱力學(xué)研究的兩相系統(tǒng)的平衡,有氣液平衡、氣固平衡、汽液平衡、汽固平衡、液液平衡、液固平衡和固固平衡;相數(shù)多于二的系統(tǒng),有氣液固平衡、汽液液平衡等。系統(tǒng)處于相平衡狀態(tài)時(shí),各相的溫度、壓力都相同,它們的組成一般不相同。相平衡的研究主要是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定有關(guān)數(shù)據(jù)
,并應(yīng)用相平衡關(guān)聯(lián)的方法,以探討平衡時(shí)溫度T、壓力p和各相組成(摩爾分率x、y)之間的關(guān)系,借以判斷一定條件下相變化過程的方向,并根據(jù)偏離相平衡的程度來估計(jì)過程推動(dòng)力的大小。相平衡是傳質(zhì)分離過程和熱質(zhì)傳遞過程的理論基礎(chǔ)之一。例如:蒸餾和吸收利用相平衡時(shí)汽液或氣液兩相組成不同,通過相際物質(zhì)傳遞來實(shí)現(xiàn)混合物的分離;萃取根據(jù)物質(zhì)在兩個(gè)不互溶或部分互溶的液相中溶解度的不同來實(shí)現(xiàn)混合物的分離;結(jié)晶利用固體在液體中溶解度的限制,從溶液中析出固體。這些過程都涉及物質(zhì)在相際的傳遞。研究相平衡可為選擇合適的分離方法提供依據(jù)。在傳質(zhì)設(shè)備(如精餾設(shè)備、萃取設(shè)備)的計(jì)算中,可用相平衡數(shù)據(jù)來計(jì)算設(shè)備的平衡級(jí)數(shù)或傳質(zhì)單元數(shù)。此外,相平衡研究還用于探討諸如玻璃、陶瓷、耐火材料、合金等材料的形成條件。 系統(tǒng)中強(qiáng)度性質(zhì)*相同的部分稱為一相。相與相之間有明顯的界面 。一個(gè)相可以是連續(xù)的 ,也可以是不連續(xù)的(如分散的液滴或晶粒)。只有一相存在的系統(tǒng)稱為單相或均相系統(tǒng),有兩個(gè)以上的相存在的系統(tǒng)一般稱為多相或非均相系統(tǒng)
研究相平衡的熱力學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)于不考慮外場(chǎng)(如重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)作用及表面張力等因素影響的相平衡體系,相律的表達(dá)形式為:
f=C-p+2式中f、C、p分別為系統(tǒng)的自由度數(shù)、獨(dú)立組分?jǐn)?shù)和相數(shù)。f是確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立的強(qiáng)度性質(zhì)的數(shù)目,這些獨(dú)立的強(qiáng)度性質(zhì)可在一定的范圍內(nèi)任意變化而不會(huì)引起相數(shù)的改變。系統(tǒng)的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C可由下式確定:
C=S-R-R′式中S為系統(tǒng)中的化學(xué)物質(zhì)數(shù)目;R為系統(tǒng)中實(shí)際存在的獨(dú)立的 化學(xué)反應(yīng)數(shù)目;R′為除相平衡、化學(xué) 平衡和各相中ΣBxB=1的條件之外,存在于各物質(zhì)濃度之間的其他限制條件。
表示平衡系統(tǒng)的相態(tài)及相組成與系統(tǒng)的溫度、壓力、總組成等變量之間的關(guān)系的圖
相平衡形。相圖都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果而繪制的.
單組分系統(tǒng)的自由度數(shù)zui多為2,因此系統(tǒng)的相平衡關(guān)系可用壓力-溫度圖表示。為常壓下水的相圖。圖中的3個(gè)區(qū)圖1為單相區(qū)。圖中的3條線為兩相平衡共存線。OA線為水的蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線;OB線為冰的蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線;OC線為冰的熔點(diǎn)與壓力的關(guān)系曲線。O點(diǎn)為水、水蒸氣和冰三相平衡共存點(diǎn)(273.16K,611Pa)。
將實(shí)驗(yàn)測(cè)得平衡條件下的溫度、壓力和各相組成的數(shù)據(jù)繪成曲線圖,即為相圖。如純水的相圖(圖1),以溫度T和壓力p為坐標(biāo)軸。圖中曲線oa、ob、oc分別表示汽液、汽固、液固相平衡時(shí)的溫度和壓力的關(guān)系。對(duì)這個(gè)兩相系統(tǒng),根據(jù)相律得F=1,即只有一個(gè)獨(dú)立變量,表明壓力為溫度的單值函數(shù),對(duì)于汽液、汽固平衡,壓力即蒸氣壓,這時(shí)此函數(shù)常用蒸氣壓方程表示。在o點(diǎn),汽液固三相共存,稱為三相點(diǎn)。在此點(diǎn)F=0,表明溫度、壓力都不能變動(dòng)。又如甲苯(A)-苯(B)二元系在101.325kPa(1大氣壓)下的等壓汽液平衡相圖(圖2),以溫度和組成(苯的摩爾分率) x為坐標(biāo)軸。上下兩條曲線分別為汽相線和液相線,分別表示苯在不同溫度下與甲苯平衡時(shí)的汽相組成y和液相組成x。水-NACL-KCL三元系在100°C下的液固平衡相圖 (圖3)采用三角形坐標(biāo),三個(gè)頂點(diǎn)表示三個(gè)純組分,三條邊分別表示三個(gè)相應(yīng)的二元系(其組成以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)m%表示),三角形內(nèi)部任何一點(diǎn)都表示三元系。曲線 IEJ表示與固體達(dá)到平衡時(shí)的飽和液體組成。在IE線上固體是純NACL,在JE線上固體是純KCL;只有在E點(diǎn),液相與固體NACL和KCL同時(shí)達(dá)到平衡。
相平衡相平衡
相平衡準(zhǔn)則
從熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出的可以判別一多相系統(tǒng)是否已經(jīng)達(dá)到平衡的準(zhǔn)則。相平衡準(zhǔn)則指出:當(dāng) α相和β相處于相平衡時(shí),任一組分在兩相中的化學(xué)位或逸度相等。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
式中μα和μβ分別為任一組分 i在α相和β相中的化學(xué)位,偏摩爾自由焓
(在溫度、壓力以及除i組分外其余任意組分j的摩爾數(shù)不變時(shí),自由焓G對(duì)i組分摩爾數(shù)ni的偏導(dǎo)數(shù);其中G=U+pV-TS,U為內(nèi)能,S為熵,V為體積);弙jian和弙婑分別為i組分在α相和β相中的逸度。逸度與化學(xué)位的關(guān)系為:
逸度與化學(xué)位的關(guān)系
式中μ孂為101.325kPa(1大氣壓)下i組分處于理想氣體狀態(tài)的化學(xué)位。μi和 弙i都是溫度、壓力和組成的函數(shù)?;瘜W(xué)位或逸度可看作是物質(zhì)從一相逸出進(jìn)入另一相的推動(dòng)力。相平衡準(zhǔn)則又是相平衡計(jì)算的基本公式。當(dāng)已知μi或弙i與T、p、x的關(guān)系時(shí),就可由一相組成計(jì)算另一相的組成(見相平衡關(guān)聯(lián))。弙i與T、p、x具體關(guān)系的確定已超出經(jīng)典熱力學(xué)的范疇,須用統(tǒng)計(jì)力學(xué)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?span style="font-family:arial,宋體,sans-serif; font-size:14px">的方法并結(jié)合實(shí)驗(yàn)來確定
液固平衡
液固平衡[1] 液相中呆些組分吸附 在固體表面的速率等于該組分從表面脫附到液相,卜的速率 時(shí),單位固體的吸附髦與此組分在液相中的濃度均不會(huì)改變, 便達(dá)到液固平衡?;蚴枪腆w溶解于液體達(dá)到了飽和的濃度, 即固體熔解于液休的速度等于溶液中的濟(jì)質(zhì)結(jié)晶為囚體的速 度,亦稱為達(dá)到了液固平衡
氣液平衡
氣液平衡 vapour-liquid equilibrium又稱汽液平衡。是由n個(gè)組分的混合物構(gòu)成一個(gè)封閉系統(tǒng),并有氣-液兩相共存,一定的溫度和壓力下,兩相達(dá)到平衡時(shí),各組分在汽液兩相中的化學(xué)位趨于相等?;蜻\(yùn)用逸度更為方便:在混合物中i組分在氣相和液相中的逸度相等,稱氣液平衡。
由n個(gè)組分的混合物構(gòu)成一個(gè)封閉系統(tǒng),并有氣-液兩相共存,一定的溫度和壓力下,兩相達(dá)到平衡時(shí),各組分在汽液兩相中的化學(xué)位趨于相等?;蜻\(yùn)用逸度更為方便:在混合物中i組分在氣相和液相中的逸度相等,稱氣液平衡。
為組分的逸度;i代表組分;上角標(biāo)L和V分別為液相和氣相。于是汽液平衡的計(jì)算可以歸結(jié)為氣相中組分逸度的計(jì)算。在解決許多問題時(shí)需要?dú)庖浩胶獾臄?shù)據(jù)。
在不同的溫度、壓力和組成條件下,揮發(fā)性的液體混合物(或單組分物質(zhì))與它的蒸氣所構(gòu)成的汽液系統(tǒng)達(dá)到極限狀態(tài)。此時(shí),各組分在汽、液相間從汽相向液相和從液相向汽相的傳質(zhì)速度相等,傳質(zhì)的凈速度為零;表現(xiàn)在宏觀上即為混合物(或單組分物質(zhì))在液相或汽相中其各組分的濃度恒定不變,達(dá)到汽液平衡。改變系統(tǒng)的溫度、壓力或組成條件,系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到新的汽液平衡。
氣液兩相接觸,氣體溶解在液體中,造成一定的溶解度;溶于液體中的氣體,作為溶質(zhì),必然產(chǎn)生一定的分壓。當(dāng)溶質(zhì)產(chǎn)生的分壓和氣相中該氣體的分壓相等時(shí),達(dá)到氣液平衡。相平衡的建立,標(biāo)志著傳質(zhì)達(dá)到極限,吸收過程也就停止。它是控制吸收系統(tǒng)操作的一個(gè)重要因素。對(duì)于大多數(shù)氣體的稀溶液,氣液間的平衡關(guān)系可用亨利定律表示。
液液平衡
液液平衡(英文名稱liquid-liquid equilibrium)是一種物理現(xiàn)象,在一定溫度和壓力下,兩個(gè)組分不同的液相經(jīng)過充分接觸后,某些組分在這兩液相中的濃度不再發(fā)生變化,表明這些組分在這兩相間的正反傳遞速率相等,達(dá)到了液-液平衡。例如水和苯是兩個(gè)液相,當(dāng)水和苯共存時(shí),存在明顯的液相分界面,下層水中溶有少量苯,上層苯中也溶有少量水,兩者部分互溶,形成具有兩個(gè)液相的二元體系。在一定溫度和壓力下,使其充分混合接觸,直到兩個(gè)液相的組成恒定,即水中溶解苯的量和苯中溶解水的量不變,即認(rèn)為水和苯兩個(gè)液相達(dá)到該溫度和壓力下的液-液平衡。
液-液平衡是物質(zhì)的一種物理性能,自然界廣泛存在的一種物理現(xiàn)象和規(guī)律。在化學(xué)化工中利用物質(zhì)的這種性能和規(guī)律可以通過各種化工過程提取、分離、濃縮、精制產(chǎn)品。[1]
1、 液-液平衡的表示方法:液-液平衡不但與組分有關(guān),不同溫度和壓力的下液-液平衡數(shù)據(jù)是不同的,常見的是兩個(gè)液相間的相平衡。在定壓下,不同溫度下的液液平衡常用平衡相圖來表示,例如水和與異丁醇的相圖如下:
從相圖中可以清楚地了解到水和異丁醇兩個(gè)液相在不用溫度下的組成,而且還可以在了解到隨著溫度的提高,彼此的溶解度增加,當(dāng)溫度達(dá)到約130℃以上時(shí),兩相就會(huì)消失,成為互溶的一相。
2、化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的液-液分離系統(tǒng)往往是多元系統(tǒng),制作相圖往往將選定zui難分離的兩個(gè)關(guān)鍵組分為代表,測(cè)定兩者在第三組分(分離溶劑)中的溶解性,測(cè)定分配系數(shù)、繪制不同溫度下的三元相圖。如水-醋酸-苯三元系,溶質(zhì)(醋酸)在兩個(gè)液相(苯相和水相)中的濃度比,稱為分配系數(shù)D,表示如下:
式中α、β分別代表兩個(gè)液相;xi為溶質(zhì)I在兩個(gè)液相中的濃度。如果溶質(zhì)在兩相中形成理想溶液,則分配系數(shù)僅為溫度的函數(shù);如果為非理想溶液,則分配系數(shù)還與溶液的組成有關(guān)。D 值越大,表示溶質(zhì)I易于利用溶劑α即能將其由β中分離出來。利用這種關(guān)系可以方便地選擇分離溶劑及操作條件。
在煉油和化工生產(chǎn)中zui有價(jià)值的是芳烴液-液萃取過程。該過程利用甘醇、N—甲基吡咯烷酮等溶劑,由芳烴與非芳烴組成的混合液中將芳烴分離出來。該過程的理論基礎(chǔ)是芳烴和非芳烴在溶劑中的液-液平衡。