《化工热力学_06互溶系统的汽液平衡关系式概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工热力学_06互溶系统的汽液平衡关系式概要（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,2019/11/1,第六章互溶系统的汽液平衡关系式,本章主要内容：,本章计划学时：6-8,（1）：相平衡基础； （2）：互溶系统的汽液平衡关系式;(重点与难点) （3）：中低压下汽液平衡； （4）：高压汽液平衡; （5）：汽- 液平衡数据的一致性检验； （6）：平衡与稳定性; （7）：其他类型的相平衡,2,2019/11/1,引 言,相平衡定义及性质：,相平衡类型：,当各相性质达到稳定,不再随时间发生变化, 则 达到相平衡。相平衡是动态平衡。,汽液平衡（vapor liquid equilibrium, VLE）, 用于精馏,气液平衡（gas liquid equilibrium, GLE
2、）, 用于吸收,液液平衡（liquid liquid equilibrium, LLE）, 用于萃取,固液平衡（solid liquid equilibrium, SLE）, 用于结晶,3,2019/11/1,研究相平衡的目的、意义,(1) 确定不同相间组成关系 举例：（a）50水50乙醇的液相，其对应的汽相组 成是什么？反之亦然。 （b）用于冷凝器，已知汽相组成，求液相组成。,(2) 要解决的问题：物系组成、T、p 间的关系,(3) 重要性：相平衡理论是精馏、吸收、萃取等分离操作的基础，实际上就是组成与其它物理量的定量关系，也涉及数据可靠性及估算方法。,4,2019/11/1,第一节 相平衡
3、基础,1 平衡判据,定义: 判断多相体系是否达到平衡的热力学条件.,在多组元多相体系中,热平衡和机械平衡的判据:,5,2019/11/1,对于多相体系:,证明:,6,2019/11/1,2 相律,相数讨论:,相律是各种平衡系统都必须遵守的规律。,(1)甲醇-水二元汽液平衡,甲醇-水全浓度下互溶, 仅存在一个液相, 和一个与之平衡的汽相. = 2,(2)戊醇-水二元汽液平衡,戊醇-水不能在全浓度下互溶, 存在两个液相, 和一个汽相. = 3,在有限浓度范围内, 戊醇-水能够互溶, 仅存在一个液相, 和一个汽相. = 2,7,2019/11/1,（1）水的三相点， （2）水水蒸汽平衡， （3）水水
4、蒸汽惰性气体， （4）乙醇水汽液平衡， （5）戊醇水汽液平衡（液相分层）,实例讨论:,f = 1-3+2=0,f 1-2+2=1,f 2-2+2=2,f 2-2+2=2,f 2-3+2=1,8,2019/11/1,第二节 互溶系统的汽液平衡关系式,汽液平衡关系表达式,对汽相:,对液相:,9,2019/11/1,1 状态方程法 (Equitions of States),注意: 选择相同的状态方程, 且状态方程和相应的混合法则必须同时适应于汽液两相. 该方法适用于高压汽液平衡计算.,汽、液相逸度均用逸度系数表示,10,2019/11/1,2 活度系数 法,汽相逸度用逸度系数，液相用活度系数计算,
5、11,2019/11/1,注意：常用于中、低压下汽液平衡计算，因为公式推导过程中没有考虑压力对活度系数的影响。,12,2019/11/1,讨论:,(1) 压力远离临界区和近临界区,(2) 若体系中各组元性质相近时,(3) 低压下的汽液平衡: 低压下, 汽相视为理想气体, 有,条件(1)+(2), 则有,条件(1)+(3), 则有,条件(1)+(2)+(3), 则有,(1) 压力远离临界区和近临界区,(2) 若体系中各组元性质相近时,(3) 低压下的汽液平衡: 低压下, 汽相视为理想气体, 有,条件(1)+(2), 则有,条件(1)+(3), 则有,条件(1)+(2)+(3), 则有,13,20
6、19/11/1,14,2019/11/1,汽液平衡计算误差对理论塔板数变化的影响（y为1mol）,15,2019/11/1,3 方法比较,16,2019/11/1,第三节 中、低压下汽液平衡,1 中、低压下二元汽液平衡相图,（1）基本线型,以恒温T下的p-x-y图,17,2019/11/1,二元理想混合物系服从Raoult定律,（2）理想混合物体系相图,18,2019/11/1,吸热、体积增大,（3）正偏差与负偏差体系相图,正偏差体系相图,19,2019/11/1,负偏差体系相图,放热、体积缩小,20,2019/11/1,（4）共沸体系相图,最大压力恒沸物体系，最高点处泡点线与露点线相交。,2
7、1,2019/11/1,最小压力恒沸物体系，最低点处泡点线与露点线相交,22,2019/11/1,（5）液相部分互溶体系相图,有些混合物，汽液平衡系统中的液相可能出现部分互溶（即分层液相）的情况，此时，系统实际上是汽液液三相平衡。由于汽液液平衡时 = 3，其中直线代表的是汽液液三相平衡温度，在此温度之上，存在着两个局部范围的汽液平衡，在此温度之下，是液液平衡。,23,2019/11/1,2 中低压下泡点和露点的计算,24,2019/11/1,(3)等温泡点计算: （ T, xi p, yi）,(4)等温露点计算: （ T, yi T, xi）,(2)等压露点计算: 等压下，求与已知汽相成平衡的
8、小液滴 组成yi和平衡温度T（ p, yi T, xi）,(1)等压泡点计算: 等压下，求与已知液相成平衡的小气泡 组成yi和平衡温度T（ 已知 p, xi T, yi ）,计算分类:,25,2019/11/1,（1） 泡点压力和组成计算(BUBLP)(T, xi p, yi),26,2019/11/1,例题：计算60下，含乙酸乙酯（1）35（摩尔分数，下同）、丙酮（2）20、乙醇（3） 45的三元溶液的泡点压力以及相平衡的汽相组成yi(i=1,2,3)。已知50下各组元的饱和蒸汽压为p1s=55.62kpa， p2s=115.40kpa,p3s=46.91kpa.假定气相为理想气体，已知液相
9、为理想混合物。,27,2019/11/1,28,2019/11/1,（2） 泡点温度和组成计算(BUBLT) (p, xi T, yi),29,2019/11/1,30,2019/11/1,（3） 露点压力和组成计算(DEWP) (T, yi p, xi),31,2019/11/1,(4 ) 露点温度和组成计算(DEWT) (p, yi T, xi),32,2019/11/1,3 低压下汽液平衡的计算,低压下, 汽相视为理想气体, 有,对于低压的二元汽液平衡:,33,2019/11/1,相对挥发度 表示汽液平衡关系, 也是一个随平衡温度和液相组成而变化的量.,34,2019/11/1,35,2
10、019/11/1,36,2019/11/1,37,2019/11/1,38,2019/11/1,39,2019/11/1,40,2019/11/1,41,2019/11/1,42,2019/11/1,43,2019/11/1,4 烃类系统的K值法和闪蒸计算,(1) K值和K 值法,K 值: 该组分在达到汽液平衡的体系中的汽、液相摩尔分数之比（又叫汽液平衡比、相平衡比）.,44,2019/11/1,K 值法,45,2019/11/1,（2 ） 烃类系统的K 值法,烃类系统的混合物接近理想混合物, 有 ,又石油化工涉及的汽液平衡绝大多数压力不太高,可根据T，p 在德-普列斯特（De-Prieste
11、r）的p-T-K 图上查出K 的具体值.,烃类系统的K 值法实质上是简化的泡点、露点计算，由于K 值仅与T，p 有关，而与组成yi，xi 无关，,46,2019/11/1,47,2019/11/1,48,2019/11/1,49,2019/11/1,50,2019/11/1,51,2019/11/1,（3） 闪蒸及其计算,闪蒸：平衡蒸馏，也是通过汽液平衡比进行的。 当混合物处于泡点和露点之间，则,组成为Zi的混合物： 组成为 yi 的气相和组成为 xi 的液相,52,2019/11/1,闪蒸的分类：,1) 已知：T、p，求闪蒸后的汽化率e、yi 和xi,2) 已知：T、汽化率e ，求闪蒸压力p
12、、yi 和xi,53,2019/11/1,3) 已知：p、汽化率e ，求闪蒸温度T、yi 和xi,54,2019/11/1,例： 丙烷(1)异丁烷(2)体系中含有丙烷0.3、异丁烷0.7（均为摩尔分率），在总压3445.05kPa 下，被冷却至115，求混合物的冷凝率及汽液相组成.,解：本题是典型的闪蒸的计算，属于第一种闪蒸计算类型。,假设冷凝率为l = 80%，T = 388.15 K，p = 3445.05 kPa 下，丙烷和异丁烷的Ki 值分别为：K1 = 1.45， K2 = 0.84,代入式（6-43），可计算得到： x1 = 0.2752, x2 = 0.7231, xi = 0.
13、9983 1,需要重新调整冷凝率l = 68%，得到：,x1 = 0.2622, x2 = 0.7377, xi = 0.9999 1,对应气相组成 y1 = 0.3802, y2 = 0.6198,55,2019/11/1,1 高压汽液平衡相图,第五节 高压汽液平衡(自学),（1） p-x-y 图与T-x-y 图,I. ppc2 相平衡的压力低于pc2 时，相界面环基本无变化，温度的升高，相界面环上升。,II. pc2ppc1 纯物质2 处于超临界状态，精馏操作不能得到纯物质2。,56,2019/11/1,III. ppc1 纯物质都处为超临界状态。 随着压力逐步升高，最后收 缩为一个点，在
14、该点，汽液 两相没有区别，该点即为精馏操 作的最高温度点和最高压力点。,p-x-y 图和T-x-y 图的共同特点：随着温度压力的升高，相界面 环不断上升，环逐渐变窄，汽液两相组成差别减小，分离困难，最后收缩到一点。,57,2019/11/1,压力升高，汽液平衡表现为相界面环缩小，汽液平衡线y-x 线向对角线靠近，汽液相组成的差别减小，分离困难。,58,2019/11/1,注意：饱和液相线（即泡点线）和饱和汽相线（即露点线没有互成平衡关系，只分别表示定组成的液相区和气相区及饱和状态随 T、 P 的变化。,（2） p-T 图,59,2019/11/1,B点实际上表示了一个相平衡状态(p0， T0，
15、z3，z2）。在二元高压汽液平衡的p-T 图上，这种实线和虚线的交点（如点A，B，C）表示的是不同的相平衡状态，其共轭组成就是相交的实线和虚线所代表的组成。,60,2019/11/1,第六节 汽-液平衡数据的一致性检验,理论基础G-D方程：,注意：热力学一致性只是检验实验数据质量的必要条件，非充分条件。检验标准也是相对的。,汽液平衡数据的热力学一致性检验：采用Gibbs-Duhem方程 的活度系数形式来检验实验数据的质量的方法,61,2019/11/1,1 积分检验法(面积检验法),（1） 等温汽-液平衡数据,导数式涉及不易测准的斜率，所以很难直接使用该式,62,2019/11/1,63,20
16、19/11/1,对于具有中等非理想性的系统，当D2时,可以认为符合热力学一致性.,64,2019/11/1,（2）等压汽-液平衡数据,当 （D-J）10 时满足热力学一致性。,Herington 半经验法,65,2019/11/1,积分检验法或面积检验法，只适用于全浓度范围。不能逐点检验。,不符合积分检验法的数据一定不可靠， 符合积分检验法的数据不一定不可靠。,66,2019/11/1,2 微分检验法(点检验法),b,0.0,1.0,x1,M-x1,T or p恒定,a,67,2019/11/1,68,2019/11/1,点检验法或微分检验法，即可用于全浓度范围， 也可用于局部浓度范围.,可剔除不可靠的点,但需要做切线,可靠性差.,69,2019/11/1,第七节 其他类型的相平衡计算,1 液-液平衡,（1） 液-液相图,双节点曲线（binodal
