相平衡学习课件.pptx

《相平衡学习课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《相平衡学习课件.pptx（58页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、6.1 6.1 概述概述-气液平衡气液平衡为什么？为什么？第1页/共58页6.1 6.1 概述概述-气液平衡气液平衡我们生活在一个我们生活在一个混合物混合物的世界里的世界里我们呼吸的空我们呼吸的空气、吃的食物以及汽车里的汽油都是混合物。我们气、吃的食物以及汽车里的汽油都是混合物。我们做的许多事情都涉及物质从一种混合物到另一种混做的许多事情都涉及物质从一种混合物到另一种混合物的转化。合物的转化。在肺部，空气中的在肺部，空气中的O O2 2溶入血液中，而溶入血液中，而COCO2 2则离则离开血液进入空气；开血液进入空气；在咖啡壶里，水溶性的成分从咖啡颗粒中浸出在咖啡壶里，水溶性的成分从咖啡颗粒中浸

2、出进入水中；进入水中；用清洁剂清洗衣物上的油渍；用清洁剂清洗衣物上的油渍；第2页/共58页6.1 6.1 概述概述-气液平衡气液平衡化学工业上，化学工业上，有一种物质从一相到另一相的转化有一种物质从一相到另一相的转化，这是因为当两相相互接触时，他们倾向于交换其这是因为当两相相互接触时，他们倾向于交换其中的成分中的成分直至各相组成恒定直至各相组成恒定，这是两相之间处于，这是两相之间处于平衡状态平衡状态。两个相的平衡组成两个相的平衡组成通常有很大的通常有很大的不同不同，正是利，正是利用这种差别使我们可以利用蒸馏、萃取、和其他用这种差别使我们可以利用蒸馏、萃取、和其他的相接触操作来分离混合物。的相接

3、触操作来分离混合物。第3页/共58页6.1 6.1 概述概述-汽液平衡汽液平衡第4页/共58页第5页/共58页相平衡（相平衡（Phase EquilibriumPhase Equilibrium）两相相互接触时，它们倾向于交换其中的成分直至两相相互接触时，它们倾向于交换其中的成分直至各项组成恒定，则此时的相即处于平衡状态。各项组成恒定，则此时的相即处于平衡状态。汽液平衡（汽液平衡（VLEVLE）精馏精馏 气液平衡（气液平衡（GLEGLE）吸收分离吸收分离 液液平衡（液液平衡（LLELLE）萃取萃取 固液平衡（固液平衡（SLESLE）结晶结晶相平衡主要指物系组成（相平衡主要指物系组成（x x，y

4、 y）与）与T T，P P间的关系。间的关系。6.1.2 相律第6页/共58页自由度自由度组分数组分数 相数相数自由度：自由度：平衡系统中强度性质中独立变量的个数平衡系统中强度性质中独立变量的个数6.1.2 相律第7页/共58页 水的三相点水的三相点 水水-水蒸汽平衡水蒸汽平衡 水水-水蒸汽水蒸汽-惰性气体平衡惰性气体平衡 乙醇乙醇-水汽液平衡水汽液平衡 戊醇戊醇-水汽液平衡（液相分层）水汽液平衡（液相分层）任何系统的任何系统的三相点是唯一的。三相点是唯一的。指定一个变量就可以确定平衡状态指定一个变量就可以确定平衡状态。确定下列平衡系统自由度确定下列平衡系统自由度第8页/共58页当当T一定时，

5、饱和蒸气压一定，则一定时，饱和蒸气压一定，则P-x线为直线线为直线 二元理想体系（二元理想体系（RaoultRaoult定律）定律）（气相是理想气体混合物，液相是理想溶液）（气相是理想气体混合物，液相是理想溶液）第9页/共58页溶液中各组分的分压均大于溶液中各组分的分压均大于RaoultRaoult定律的计算值定律的计算值溶液的蒸气压介于两纯组分的蒸气压之间溶液的蒸气压介于两纯组分的蒸气压之间如甲醇如甲醇水体系，呋喃水体系，呋喃四氯化碳体系。四氯化碳体系。6.2互溶系统的汽液平衡第10页/共58页溶液中各组分的分压均小于溶液中各组分的分压均小于RaoultRaoult定律的计算值定律的计算值溶

6、液的蒸气压介于两纯组分的蒸气压之间溶液的蒸气压介于两纯组分的蒸气压之间如氯仿如氯仿-苯体系，四氯呋喃苯体系，四氯呋喃四氯化碳体系。四氯化碳体系。6.2互溶系统的汽液平衡第11页/共58页正偏差较大，溶液的总压在正偏差较大，溶液的总压在p-xp-x曲线上有最高点。曲线上有最高点。最高点压力大于两纯组分的蒸气压。最高点压力大于两纯组分的蒸气压。T-x曲线上出现最低点，该点曲线上出现最低点，该点y=x成为恒沸点。成为恒沸点。如乙醇如乙醇-水体系，乙醇水体系，乙醇-苯体系。苯体系。6.2互溶系统的汽液平衡第12页/共58页负偏差较大，溶液的总压在负偏差较大，溶液的总压在p-xp-x曲线上有最低点。曲线

7、上有最低点。最低点压力小于两纯组分的蒸气压。最低点压力小于两纯组分的蒸气压。T-x曲线上出现最高点，该点曲线上出现最高点，该点y=x成为恒沸点。成为恒沸点。如氯化氢如氯化氢-水体系，氯仿水体系，氯仿-丙酮体系。丙酮体系。6.2互溶系统的汽液平衡第13页/共58页正偏差很大，溶液在一定组成范围内发生相分裂正偏差很大，溶液在一定组成范围内发生相分裂形成两相。形成两相。6.2互溶系统的汽液平衡第14页/共58页相平衡在热力学上意味着整相平衡在热力学上意味着整个系统个系统GibbsGibbs自由能为极小自由能为极小的状态。的状态。针对针对、两相：两相：6.2互溶系统的汽液平衡第15页/共58页等温等压

8、下，若体系为仅含等温等压下，若体系为仅含相和相和相两相的封相两相的封闭体系，则体系总闭体系，则体系总Gibbs自由能为两相之和。自由能为两相之和。体系是没有发生化学反应的封闭体系，本身没有体系是没有发生化学反应的封闭体系，本身没有与环境的物质交换。与环境的物质交换。6.2汽液平衡关系式第16页/共58页化学位计算不方便，用组分的逸度来代替化学位。化学位计算不方便，用组分的逸度来代替化学位。相平衡的判据为：相平衡的判据为：各相的温度、压力相等时，各相中组分的分逸度各相的温度、压力相等时，各相中组分的分逸度必定相等。必定相等。逸度可以用逸度系数表示，也可以用活度表示逸度可以用逸度系数表示，也可以用

9、活度表示6.2汽液平衡关系式第17页/共58页液相逸度用活度系数计算，气相逸度用液相逸度用活度系数计算，气相逸度用EOS计算计算标准态逸度标准态逸度以以Lewis-RandallLewis-Randall定则为标准态，即纯液体定则为标准态，即纯液体i i在同温同压下的逸度。在同温同压下的逸度。6.2汽液平衡关系式-活度系数法第18页/共58页压力不太大时，压力不太大时，PoyntingPoynting因子约为因子约为1 1，上式简化为：，上式简化为：PoyntingPoynting因子因子体系完全为理想体系，即：体系完全为理想体系，即：液相：液相：气相：气相：6.2汽液平衡关系式-活度系数法第

10、19页/共58页气液平衡时：气液平衡时：液相中组分液相中组分i i的逸度系数：的逸度系数：气相中组分气相中组分i i的逸度系数：的逸度系数：均由气体状态方程和混合规则进行计算。均由气体状态方程和混合规则进行计算。6.2汽液平衡关系式-状态方程法第20页/共58页汽液平衡计算的类型汽液平衡计算的类型 泡点计算：泡点计算：已知体系温度已知体系温度T T（或压力）与液相组成（或压力）与液相组成x xi i 求平衡压力（或温度）与汽相组成求平衡压力（或温度）与汽相组成 y yi i。露点计算：露点计算：已知体系温度已知体系温度T T（或压力）与汽相组成（或压力）与汽相组成y yi i 求露点压力求露点

11、压力P P（或温度）与液相组成（或温度）与液相组成 x xi i。闪蒸计算：闪蒸计算：已知体系压力已知体系压力P P，T T及总组成及总组成 求汽、液相组成及气相分数求汽、液相组成及气相分数第21页/共58页（1 1）已知平衡压力）已知平衡压力P P和液相组成（和液相组成（x xi i），求平衡温度），求平衡温度T T和和气相组成气相组成y yi i等压泡点计算第22页/共58页已知已知P P 与与 x xi i ，求，求T T与与 y yi i 。取温度初值取温度初值T T0 0,令令 ，由由AntoineAntoine方程求出方程求出任选一个任选一个k k组分，将组分，将T T0 0代入代

12、入AntonineAntonine方程求出方程求出各各物质的饱和蒸汽压物质的饱和蒸汽压 ，由活度系数方程求各，由活度系数方程求各i i 等压泡点计算第23页/共58页 由由 和和k k组分的组分的AntoineAntoine方程，计算出改进后的方程，计算出改进后的 温度温度T T 由饱和蒸汽压方程求出各由饱和蒸汽压方程求出各 由活度系数方程求各由活度系数方程求各i i 将将y yi i 值归一化值归一化 ，输出输出T T和各和各y yi i 等压泡点计算第24页/共58页已知平衡压力已知平衡压力P P和液相组成（和液相组成（x xi i），求平衡温度），求平衡温度T T和气相和气相组成组成y

13、yi i迭代法的几点说明：迭代法的几点说明：泡点温度收敛的标志：泡点温度收敛的标志：当 ，适当调整并提高温度T；当 ，适当调整并降低温度T；当 ，则计算结束，此温度即为相平衡温度，最后一次归一化计算的yi即为气相组成。低压下，气相可看作理想气体，则：低压下，气相可看作理想气体，则：等压泡点计算第25页/共58页例 计算甲醇（1）-水（2）体系在0.1013MPa下的汽液平衡。已知wilson方程能量参数 g12-g11=1085.13J/mol,g21-g22=1631.04J/mol甲醇、水的Antoine方程及液相摩尔体积与温度的关系V1=64.509-19.716 10-2T+3.873

14、5 10-4T2V2=22.888-3.642 10-2T+0.685 10-4T2单位 Pis,bar;Vi,cm3/mol;T,K。第26页/共58页解 第27页/共58页计算 P=0.1013MPa、x1=0.4的T、y1、y2取温度初值选k=2第28页/共58页第一次迭代第一次迭代由由T T0 0=358.95K=358.95K求出求出第29页/共58页第二次迭代 T0=350.26K由T0=350.26K求出第30页/共58页第三次迭代 T0=349.36K由T0=349.36K求出第31页/共58页第32页/共58页由T=349.27K求出第33页/共58页第34页/共58页（2

15、2）已知平衡温度）已知平衡温度T T和液相组成（和液相组成（x xi i），求平衡压力），求平衡压力P P和和气相组成气相组成y yi i等温泡点计算第35页/共58页计算步骤计算步骤 由由AntoineAntoine方程求方程求 由由wilsonwilson方程求方程求i i 等温泡点计算第36页/共58页 例例 氯仿（氯仿（1 1）-乙醇（乙醇（2 2）二元体系，）二元体系，55 55 时时活度系数方程为活度系数方程为55 55 时，氯仿、乙醇的饱和蒸汽压时，氯仿、乙醇的饱和蒸汽压求：（求：（1 1）该体系在）该体系在55 55 时时P-x-yP-x-y数据；数据；（2 2）如有恒沸点，确

16、定恒沸组成和恒沸压）如有恒沸点，确定恒沸组成和恒沸压力。力。第37页/共58页（1 1）x x1 1=0.1,x=0.1,x2 2=0.9=0.9第38页/共58页（2 2）恒沸点时恒沸点时 y y1 1=x=x1 1,y,y2 2=x=x2 2 解得：解得：x x1 1=0.848,x=0.848,x2 2=0.152=0.152第39页/共58页 例例 组分组分A-BA-B构成的二元体系，汽相理想气体，构成的二元体系，汽相理想气体，液相非理想溶液，活度系数方程为液相非理想溶液，活度系数方程为8080时，时，A A、B B的饱和蒸汽压的饱和蒸汽压求：求：8080时是否有恒沸点。若有，说明该恒

17、沸时是否有恒沸点。若有，说明该恒沸点是最高恒沸点还是最低恒沸点，并确定恒沸点是最高恒沸点还是最低恒沸点，并确定恒沸组成和恒沸压力。组成和恒沸压力。第40页/共58页汽相理想气体，液相非理想溶液，则：汽相理想气体，液相非理想溶液，则：8080时，恒沸点时：时，恒沸点时：相对挥发度：相对挥发度：连续函数，则在恒沸点时为连续函数，则在恒沸点时为1.1.恒沸点：恒沸点：X XA A=0.905=0.905第41页/共58页已知平衡温度已知平衡温度T T和液相组成（和液相组成（x xi i），求平衡压力），求平衡压力P P和和气相组成气相组成y yi i迭代法的几点说明：迭代法的几点说明：泡点压力收敛的

18、标志：泡点压力收敛的标志：当 ，适当调整并降低压力P；当 ，适当调整并增大压力P；体系压力降低，平衡压力与气相组成无需试差。平衡压力为：平衡压力为：汽相组成为：汽相组成为：等温泡点计算第42页/共58页（1 1）已知平衡压力）已知平衡压力P P和气相组成（和气相组成（y yi i），求平衡温度），求平衡温度T T和和液相组成液相组成x xi i等温泡点计算第43页/共58页已知已知P P 与与 y yi i ，求，求T T与与 x xi i 。取温度初值取温度初值 ，任选一个，任选一个k k组分组分 令各令各i i=1=1 由饱和蒸汽压方程求出各由饱和蒸汽压方程求出各 等压露点计算第44页/共

19、58页由活度系数方程求各由活度系数方程求各i i 由由 和和k k组分的组分的AntoineAntoine方程计算出改进后方程计算出改进后的的 温度温度T T 等压露点计算第45页/共58页由饱和蒸汽压方程求出各由饱和蒸汽压方程求出各 输出T和 xi 等压露点计算第46页/共58页已知平衡压力已知平衡压力P P和气相组成（和气相组成（y yi i），求平衡温度），求平衡温度T T和和液相组成液相组成x xi i迭代法的几点说明：迭代法的几点说明：露点温度收敛的标志：露点温度收敛的标志：当 ，适当调整并降低温度T；当 ，适当调整并增加温度T；当 ，则计算结束，此温度即为相平衡温度，最后一次归一化

20、计算的xi即为液相组成。等压露点计算第47页/共58页（2 2）已知平衡温度）已知平衡温度T T和气相组成（和气相组成（y yi i），求平衡压力），求平衡压力P P和和液相组成液相组成x xi i等温露点计算第48页/共58页 由饱和蒸汽压方程方程求各由饱和蒸汽压方程方程求各 ，令各，令各i i=1 =1 由活度系数方程求各由活度系数方程求各i i 计算步骤等温露点计算第49页/共58页（2 2）已知平衡温度）已知平衡温度T T和气相组成（和气相组成（y yi i），求平衡压力），求平衡压力P P和和液相组成液相组成x xi i迭代法的几点说明：迭代法的几点说明：露点温度收敛的标志：露点温度

21、收敛的标志：当 ，适当调整并增加压力P；当 ，适当调整并减小压力P；当 ，则计算结束，此压力即为相平衡压力，最后一次归一化计算的xi即为液相组成。等温露点计算第50页/共58页 例例 丙醇丙醇(1)(1)和水和水(2)(2)体系的汽液平衡问题。已知体系的汽液平衡问题。已知T T=353.15K=353.15K，汽相中丙醇的摩尔分数，汽相中丙醇的摩尔分数 y y1 1=0.6=0.6，353.15K353.15K时各组分的饱和蒸汽压时各组分的饱和蒸汽压P P1 1s s=92.59kPa=92.59kPa，P P2 2s s=47.38kPa=47.38kPa，活度系数可用，活度系数可用Wils

22、on Wilson 方程计算：方程计算：求露点压力求露点压力P P和液相组成和液相组成x x1 1,x,x2 2。计算到计算到 。第51页/共58页 令各i=1第一次迭代 由wilson方程求得第52页/共58页第二次迭代 P=96.73kPa第53页/共58页 由wilson方程求得 P=96.73kPa第54页/共58页 在在T T、P P条件下，总组成为条件下，总组成为z zi i的混的混合物分为相互成平衡的汽、液两相。合物分为相互成平衡的汽、液两相。闪蒸计算的目的是确定汽、液相闪蒸计算的目的是确定汽、液相组成组成(y(yi i，x xi i)及汽化分率及汽化分率e eV/F)V/F)。进料F,ziP,T汽相V,yi液相L,xi闪蒸计算第55页/共58页相平衡方程：相平衡方程：(il，2，N)物料衡算方程：物料衡算方程：(i1，2，N)闪蒸计算第56页/共58页习题：习题：6-126-12，6-146-14第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页