第3章 3.1 盐水体系相图及其应用(4学时)
合集下载
第三章作业 水盐体系相图
第三章 三元水盐体系
3-1标绘NaCl-Na 2SO 4-H 2O 体系50℃等温图，注明各区域的意义。
NaCl-Na 2SO 4-H 2O 体系50℃数据
3-2用相图确定下列系统（总重量均为1000公斤）在50℃的状态，并计算固、液相重量。
（1）M ，含NaCl30.5%，Na 2SO 410.0%
，H 2O59.5%； （2）N ，含NaCl9.5%，Na 2SO 430.0%，H 2O60.5%； （3）P ，含NaCl48.0%，H 2O52.0%。
3-3试分析含NaCl 10%，Na 2SO 415%，H 2O75%的系统50℃等温蒸发过程。
3-4根据上图填空：固相 的溶解度随温度升高而加大，固相
的溶解度随温度升高而减小。
系统M 在60℃时状态为 ，冷却至40℃时有 析出，继续冷却至20℃时会有 析出。
3-5有含KCl 5%，K 2SO 45%，H 2O90%的体系在25℃等温蒸发，如果体系重100公斤，试计算：
（1） K 2SO 4 单独析出量最大时的蒸发水量，K 2SO 4析出量及析出率； （2） 蒸发水量为60公斤时K 2SO 4析出量及析出率；
（3） K
2SO
4
析出率为85%时的蒸发水量。
水盐体系相图及其应用参考文档
改变W角
将AB拉向∞
A＇
E
B＇
A＇ E B＇
A＇
E
A＇ E
A
B
A
B
W
B＇
B
W
B＇ B
图3-4 各种坐标的关系
三、空间立体图
Ｂ＇
1.三棱柱坐标系立体图
在平面组成坐标 （ｔ；＇）Ｈ Ｍ＇ 的基础上，再把温
Ｅ２
度坐标加上去，就 （ｔｅ＇）Ｋ
Ｅ３ Ｗ＇
Ｅ１
组成了三棱柱空间
Ｅ
坐标系，如图3-5所
B
Ｈ（ｔ＂）
a％+b％+c％=100% 在三元水盐体系中，仅有两个组分的浓 度是独立变数，另一组分浓度为非独立变数。
二、三元水盐体系组成表示法
1.正三角形（以溶液为基准）
图中M点，通过M点作DE、
FG、HL线分别平行于三角形
C
的三条边。从图中可看出以
H
下的关系： HC=EM=GM=GE=LB= a％ GC=DM=HM=HD=AF= b％
b% D
G a%
M E
AD=FM=LM=BE=FL= c％ A
这样，可在△ABC任一边上 同时读出系统M(M点)的组成。
B
F
L
C%
图3-1 正三角形坐标
二、三元水盐体系组成表示法
2.直角等腰三角形（以溶液为基准）
这种坐标的读数方 法和正三角形法相同。 由于直角等腰三角形有 斜边，其刻度和直角边 上不同，因此，读数时 可只读直角边上的刻度。 这种坐标可以直接在直 角坐标纸上标绘，十分 方便，而且对于近水点 处的图形适当地放大。 系统M（M点）含B30%， 含A为50%，水则自然为 20%。
第三章 三元体系
C,出现了由几个固相点构成的全固相区
分类： 1.水合物I型，其特点是：图中没有相应无水盐的溶 解度曲线，只有水合盐的溶解度曲线。 2.水合物II型，其特点是：图中有相应无水盐的溶解 度曲线，也有水合盐的溶解度曲线。 3.同成分复盐，其特点是：复盐射线与复盐自身的 溶解度曲线相交。 4.异成分复盐，其特点是：复盐射线与复盐自身的 溶解度曲线不相交。 5.固体溶液，其特点是：图中出现固体溶液的饱和 溶液线，同时固相线成为一条直线。
固体溶液的特点是： 与液相平衡的固相，不是一个组成恒定的盐或二个盐的混 合物，而是一个在组成上随平衡液相组成的不同而改变的 固相，互成平衡的固液相之间必须用平衡结线联结；在生 成连续固体溶液的体系中仅有一个这样的固相，但与整个 固相成分相当的不是一个点，而是一条线，因此在这种相 图上，平衡结线是不能省的。形成最简单固体溶液的立体 图如图3-12（d）。 三元水盐体系相图中，往往同时生成两种或更多的水合物、 复盐或固体溶液，这就使相图变得复杂。固体溶液的结晶， 其外观类似于普通无机盐。
固相
NaCl NaCl
A’
3
4 5 6
20.7
15.0 5.0 0
10.4
13.85 21.3 25.55
NaCl
KCl KCl KCl
E
B’
课堂练习：简单三元体系相图的标绘 NaCl-Na2SO4-H2O 三元体系在100度时的相图
第二节 复杂三元水盐体系相图
一、水合盐存在的二种情况 三元体系中，两种盐都有可能与水反应，生成一种或 多种水合盐，水合盐及其相应的无水盐，在不同的温 度下可能同时存在。 二、两种复盐 在一定条件下，水盐体系的盐与盐之间会发生化学 反应，生成无水复盐或水合复盐，从而产生新的固相。 复盐的组成是指复盐中各种组分的含量，可以用质量 百分组成或其他组成表示方式来表达。
分类： 1.水合物I型，其特点是：图中没有相应无水盐的溶 解度曲线，只有水合盐的溶解度曲线。 2.水合物II型，其特点是：图中有相应无水盐的溶解 度曲线，也有水合盐的溶解度曲线。 3.同成分复盐，其特点是：复盐射线与复盐自身的 溶解度曲线相交。 4.异成分复盐，其特点是：复盐射线与复盐自身的 溶解度曲线不相交。 5.固体溶液，其特点是：图中出现固体溶液的饱和 溶液线，同时固相线成为一条直线。
固体溶液的特点是： 与液相平衡的固相，不是一个组成恒定的盐或二个盐的混 合物，而是一个在组成上随平衡液相组成的不同而改变的 固相，互成平衡的固液相之间必须用平衡结线联结；在生 成连续固体溶液的体系中仅有一个这样的固相，但与整个 固相成分相当的不是一个点，而是一条线，因此在这种相 图上，平衡结线是不能省的。形成最简单固体溶液的立体 图如图3-12（d）。 三元水盐体系相图中，往往同时生成两种或更多的水合物、 复盐或固体溶液，这就使相图变得复杂。固体溶液的结晶， 其外观类似于普通无机盐。
固相
NaCl NaCl
A’
3
4 5 6
20.7
15.0 5.0 0
10.4
13.85 21.3 25.55
NaCl
KCl KCl KCl
E
B’
课堂练习：简单三元体系相图的标绘 NaCl-Na2SO4-H2O 三元体系在100度时的相图
第二节 复杂三元水盐体系相图
一、水合盐存在的二种情况 三元体系中，两种盐都有可能与水反应，生成一种或 多种水合盐，水合盐及其相应的无水盐，在不同的温 度下可能同时存在。 二、两种复盐 在一定条件下，水盐体系的盐与盐之间会发生化学 反应，生成无水复盐或水合复盐，从而产生新的固相。 复盐的组成是指复盐中各种组分的含量，可以用质量 百分组成或其他组成表示方式来表达。
无机化工单元工艺
(4)、转化炉 一段炉工作特点：高温、高压和气体腐蚀 一段转化炉材质：高合金不锈钢（含25％铬和20％镍） 一段转化炉类型：
一段转化炉特点： 各种转化炉型的反应管都竖排在炉膛内，管内装
催化剂，含烃气体和水蒸气的混合物都由炉顶进入， 自上而下进行反应，管外炉膛设有烧嘴，燃烧气体或 液体燃料产生的热量以辐射方式传给管壁。
二段转化炉 二段转化炉是合成氨中温度最高的催化反应过程，反
应温度都在1000℃以上。 在二段转化炉，如果转化气与空气混合不均，就会使
局部温度过高，最高可达2000℃
二段转化炉
2、重油部分氧化法 重油是石油加工到350℃以上所得的馏分，若将重油
继续减压蒸馏到520℃以上所得的馏分叫渣油。 这里所指的重油是指上面的重油、渣油以及各种深
冰 冰 冰+NH4CL
60 115.6 (常压沸点)
NH4CL
NH4CL% 35.6 46.6
自由度计算： F C P 1
体系中离子类型： NH4＋和CL最少相数P＝1
C＝2
F＝2－1＋1＝2
固相
NH4CL NH4CL
B
不饱和溶 液区
冰和溶液共 存的两相区
A
C
E
NH4CL和冰两 相共存区
NH4CL固相与 其饱和溶液区
加压连续气化法的优点：
① 燃料的适用范围较宽； ② 动力消耗降低； ③ 单炉发气量大，便于大型化生产。
加压连续气化法存在的问题： ➢ 煤气中CH4含量高，需要进行甲烷转化处理 ➢ 对煤的粒度一般要在3～20mm，粉煤不适用
四、原料气的净化
原料气的主要有害物质：硫化物、CO和CO2等。 净化的主要工艺过程：
一段转化气组成（体积％）：
第3章 3.1 盐水体系相图及其应用(4学时)
F=C-P+1=2-1+1=2 可选温度与NH4Cl浓度为独立变量。以温度为纵坐 标， NH4Cl浓度为横坐标绘图。
20 合成氨工业
N2
H2O
NH4Cl
NH4Cl-H2O二元体系相图
21 合成氨工业
连线规则： 组成不同的两个体系在等温下混合成为一个新体 系，或一个体系在等温下分为两个不同组成的新 体系，那么在二元体系相图中，三个体系在同一 水平线上，且两个分体系各居于总体系的两侧。 杠杆规则: 两个分体系的量与其到总体系的距离成反比。
42 合成氨工业
a100E100b100-100℃
a25E25b25-25 ℃
Q对25 ℃属两相结晶 区，对100 ℃属NaCl 结晶区。
M点呢？
NaCl-NH4Cl-H2O体系加热和冷却过程
43 合成氨工业
２ 简单三元体系相图及应用
(1) 浸取法分离钾石盐矿 钾石盐是制造氯化钾的主要原料之一。用晶间卤 水加工提取氯化钾的过程中，一般要经过钾石盐 和光卤石的中间工序。 优质的钾石盐矿中含有KCl约25% 、NaCl71%，其 余为少量的CaSO4、MgCl2和不溶性粘土。从钾石 盐提取氯化钾的方法主要为浸取法，即通过溶解 与结晶的方法将KCl和NaCl分离。
4 合成氨工业
某种盐类之所以能从几种盐的混合液中 以纯态析出，是由于它们的溶解度各不相 同，而且随温度的变化有区别。 相图是多相体系在平衡时各相组成与温 度或压力的关系图。它不仅指导人们应该 如何安排生产流程，如何选择生产工艺条 件，而且可以告诉人们制备合格的产品应 该蒸发多少水或添加多少水。
盐析的原理 一种盐类的存在会使另一种盐类的溶解 度下降。当所加入的盐具有同一离子时， 会使体系中原来的平衡破坏，为达到新的 平衡，则某一种盐就要析出，这也就是常 说的同离子效应。
20 合成氨工业
N2
H2O
NH4Cl
NH4Cl-H2O二元体系相图
21 合成氨工业
连线规则： 组成不同的两个体系在等温下混合成为一个新体 系，或一个体系在等温下分为两个不同组成的新 体系，那么在二元体系相图中，三个体系在同一 水平线上，且两个分体系各居于总体系的两侧。 杠杆规则: 两个分体系的量与其到总体系的距离成反比。
42 合成氨工业
a100E100b100-100℃
a25E25b25-25 ℃
Q对25 ℃属两相结晶 区，对100 ℃属NaCl 结晶区。
M点呢？
NaCl-NH4Cl-H2O体系加热和冷却过程
43 合成氨工业
２ 简单三元体系相图及应用
(1) 浸取法分离钾石盐矿 钾石盐是制造氯化钾的主要原料之一。用晶间卤 水加工提取氯化钾的过程中，一般要经过钾石盐 和光卤石的中间工序。 优质的钾石盐矿中含有KCl约25% 、NaCl71%，其 余为少量的CaSO4、MgCl2和不溶性粘土。从钾石 盐提取氯化钾的方法主要为浸取法，即通过溶解 与结晶的方法将KCl和NaCl分离。
4 合成氨工业
某种盐类之所以能从几种盐的混合液中 以纯态析出，是由于它们的溶解度各不相 同，而且随温度的变化有区别。 相图是多相体系在平衡时各相组成与温 度或压力的关系图。它不仅指导人们应该 如何安排生产流程，如何选择生产工艺条 件，而且可以告诉人们制备合格的产品应 该蒸发多少水或添加多少水。
盐析的原理 一种盐类的存在会使另一种盐类的溶解 度下降。当所加入的盐具有同一离子时， 会使体系中原来的平衡破坏，为达到新的 平衡，则某一种盐就要析出，这也就是常 说的同离子效应。
水盐体系相图及其应用参考文档
改变W角
将AB拉向∞
A＇
E
B＇
A＇ E B＇
A＇
E
A＇ E
A
B
A
B
W
B＇
B
W
B＇ B
图3-4 各种坐标的关系
三、空间立体图
Ｂ＇
1.三棱柱坐标系立体图
在平面组成坐标 （ｔ；＇）Ｈ Ｍ＇ 的基础上，再把温
Ｅ２
度坐标加上去，就 （ｔｅ＇）Ｋ
Ｅ３ Ｗ＇
Ｅ１
组成了三棱柱空间
Ｅ
坐标系，如图3-5所
B
Ｈ（ｔ＂）
图3-5 三元立体图
点。
Ａ＇ Ｆ（ｔ３） Ｄ（ｔｅ） Ａ
第二节 简单三元水盐体系相图
二．三棱柱坐标系立体图
Ｂ＇
(4）线：三条空间曲线，分别为
Ａ＇
三组双固相的共饱溶液线， 其中 E1E是冰加A盐的，
（ｔ；＇）Ｈ Ｍ＇
Ｅ３ Ｗ＇
Ｆ（ｔ３）
E2E是冰加B盐的，
Ｅ２
E3E是A盐加B盐的，
（ｔｅ＇）Ｋ
E1、共E2、饱E点3是，二在元三体元系相中图相中应，的共
第二节 简单三元水盐体系相图
三．多温立体相图在组成面上
的投影图——简称投影图
其特点是：
B
（1）能清楚地看出溶解度曲
b3 b2
线随温度变化的规律；
b1
b0
（2）实际使用上比多温立体
图方便的多；
30.2
15.2
66.6
222
NaCl+
E
KCl
4
15.0
13.85
21.1
19.5
52.0
247
KCl
5
第3章 3.1 盐水体系相图及其应用(4学时)
25.85/ 58.5 23.72 / 53.5
17 合成氨工业
3.1.2 二元盐水体系相图及应用
１ 二元盐水体系相图的绘制及杠杆规则 如何获得溶解度数据？ 途径一：查阅资料与文献 途径二：实验测定 选择合适的相图表示方法，将溶解度数据标 绘在相图上，连接各点，就可得到溶解度曲 线或饱和曲线。
盐析的原理 一种盐类的存在会使另一种盐类的溶解 度下降。当所加入的盐具有同一离子时， 会使体系中原来的平衡破坏，为达到新的 平衡，则某一种盐就要析出，这也就是常 说的同离子效应。
41 合成氨工业
加热和冷却过程 通过改变温度，有可能使体系从一个相 区移到另一相区，因此，可借改变温度达 到分离体系中盐类的目的。
4 合成氨工业
某种盐类之所以能从几种盐的混合液中 以纯态析出，是由于它们的溶解度各不相 同，而且随温度的变化有区别。 相图是多相体系在平衡时各相组成与温 度或压力的关系图。它不仅指导人们应该 如何安排生产流程，如何选择生产工艺条 件，而且可以告诉人们制备合格的产品应 该蒸发多少水或添加多少水。
29 合成氨工业
３.１.３ 三元体系相图及应用
如 NaCl-KCl-H2O、NaHCO3-Na2CO3-H2O、 NH3-CO2-H2O、CaO-P2O5-H2O、 MgSO4–H3BO3-H2O、MgCl2-H3BO3-H2O等。 盐的存在形式有无水物、水合盐、复盐、固溶 体等而表现复杂。
30 合成氨工业
5 合成氨工业
１ 相律
（１）相 相是一个不均匀体系中的均匀部分，各相 之间存在明显的界限。 对于盐类的水溶液都只能是一个液相。对 于固体，则体系中有几种物质就是几个固 相。
6 合成氨工业
（２） 独立组分 一个体系中往往是各种化学物质的混合 体，当体系中的每种化学物质各自独立 时，称它们为体系的独立组分。但实际 上，体系中的一些物质间会发生联系，这 时就不再是独立组分了。如碳酸钙煅烧成 为石灰和二氧化碳，其独立组分是２，为 什么？
第三章 水盐相图1
E1
B＇ M7
1 A＇ E2 E1 2 3
B＇
H
NiCl2· 2 H2 O a＇ b＇
4 5 c d
e B （ NH4Cl ）
A（Na2SO4） （a）
B （ MgSO4 ）
A（NiCl2） （ b）
图3-25 复杂相图两例
二、共饱点性质的判断 共饱点的相应三角形： 在三元等温图中，与共饱点所代表的 液相平衡的两个固相点及水点所构成 的三角形。 共饱点分类： 相称共饱点—在相应三角形内 不相称共饱点—在相应三角形外/边上
水合物转溶， 绝不是干点
除右边的两情况
异成分复盐
水合物Ⅱ型
三、变温过程分析
t（℃） 100 E100
B （ NaNO3 ）
80 60
E75
N100 N75 N25 E25 E75 E100
Ex 40 E25 20
M
A（KNO3） E100 E75
W
Ex
E25
W（H2O） K25
K75
K100
A （ K NO3 ）
S10脱水转溶 Na2SO4 Na2SO4+NaCl 为Na2SO4析出 析出 共析 3→4 4→5 5→6
W（H2O） 1 Q 2 B＇ A＇ 3 E 4 S10
1→2
2→Q Q（不是干点） Q→E
E（干点）
5
——
S10
S10→B
B
B→6
A（NaCl） 图3-21 水合物Ⅱ型 6
B（Na2SO4）
二、各类相图的等温蒸发过程
2．复杂三元水盐体系蒸发过程分析 （3）同成分复盐
阶段
过程情况
一
浓缩阶段
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
12 合成氨工业
（４）
相律
f=C-π+n f—体系的自由度； C—独立变量数； π—相数； n—影响平衡的外界因素。 对盐水体系，可不考虑压力的影响 f=C-π+１
13 合成氨工业
2 溶解度的表示方法及单位换算
在相图中应用的浓度单位可以是wt%、 质量%、g盐/100g水、mol盐/1000g水、 mol/mol干盐等。 但不可用g/L、mol/L，为什么？ 各浓度单位之间可以换算。如25℃时 NaCl和NH4Cl的共饱和溶液，其中含NaCl 17.28%、含NH4Cl 15.86%(质量分数）
对盐水体系，有更为简便的方法来确定 体系的独立组分数，即体系中各种盐的不 同离子数为体系的独立组分数。 注意：不考虑它们进一步电离和水解生成 的离子数
11 合成氨工业
（３）自由度
自由度是指体系达到平衡时，在不引起 新相产生和旧相消失的情况下，可在一定 范围内改变的独立变量数。如温度、压 力、浓度等
14 合成氨工业
NaCl17.28%、含NH4Cl 15.86%
（１）以g盐／１００g水表示
NaCl
17.28 100 25.85 （g / 100gH 2 O) 100 (17.28 15.86)
NH4Cl
15.86 100 23.72 （g / 100gH 2 O) 100 (17.28 15.86)
20 合成氨工业
N2
H2O
NH4Cl
NH4Cl-H2O二元体系相图
9 合成氨工业
故s=3，C=5-(3+0)=2 也可以从另一个角度考虑， Na2CO3在水中 可发生电离： Na2CO3 ＝２Na+ + CO32那么在Na2CO3-H2O体系中，至少有Na2CO3、 H2O、Na+，CO32-４种物质，此时s=1，为什 么会是二元体系呢？
10 合成氨工业
3 合成氨工业
3.1.1 概述
对于化学矿物综合利用、化学肥料和无 机盐的工业生产，在制定新的工艺流程、 生产工艺条件及改善和强化生产操作时， 往往会遇到盐类在水中的溶解度问题；此 外，在海洋化学化工、三废处理及盐矿地 质等生产和研究领域中，也涉及到盐类在 水中的溶解度问题。
4 合成氨工业
某种盐类之所以能从几种盐的混合液中 以纯态析出，是由于它们的溶解度各不相 同，而且随温度的变化有区别。 相图是多相体系在平衡时各相组成与温 度或压力的关系图。它不仅指导人们应该 如何安排生产流程，如何选择生产工艺条 件，而且可以告诉人们制备合格的产品应 该蒸发多少水或添加多少水。
16 合成氨工业
NaCl17.28%、含NH4Cl 15.86%
(3)以mol／mol干盐表示
25.85 / 58.5 0.4992 （mol / mol 干盐 ) 25.85 / 58.5 23.72 / 53.5
23.72 / 53.5 0.5008 （mol / mol 干盐 ) 25.85 / 58.5 23.72 / 53.5
100 / 18 6.276 （mol / mol 干盐) 25.85 / 58.5 23.72 / 53.5
17 合成氨工业
3.1.2 二元盐水体系相图及应用
１ 二元盐水体系相图的绘制及杠杆规则 如何获得溶解度数据？ 途径一：查阅资料与文献 途径二：实验测定 选择合适的相图表示方法，将溶解度数据标 绘在相图上，连接各点，就可得到溶解度曲 线或饱和曲线。
第三章 无机化工 单元工艺
教学用书 化工工艺学 徐邵平 殷德宏 仲剑初 编著 参考书:无机化工工艺学 陈五平 主编
本章主要内容
3.1 3.2 3.3 3.4
盐水体系相图及应用 合成氨 无机化学矿物加工利用 无机酸、碱及化学肥料
2 合成氨工业
3.1 盐水体系相图及其应用
３ .１ .１ ３.１.２ ３ .１ .３ ３ .１ .４ 概述 二元盐水体系相图及应用 三元盐水体系相图及应用 四元盐水体系相图及应用
Байду номын сангаас15 合成氨工业
NaCl17.28%、含NH4Cl 15.86%
（２）以mol盐／１０００g水表示
25.85 1000 4.419 （mol / 1000 gH 2 O) 58.5 100
NaCl NH4Cl
23.72 1000 4.434 （mol / 1000 gH 2 O) 53.5 100
7 合成氨工业
独立组分数的确定
C=N-(s+r) 式中 C－独立组分数； N－体系中的化学物质种类数； s－体系中能进行的化学反应数； r－限制条件数
8 合成氨工业
如在Na2CO3－H2O体系中，计有Na2CO3， Na2CO3· H2O、 Na2CO3· ７ H2 O， Na2CO3· １０H2O及H2O等5种物质，N=5，但由 于存在下面三个化学反应： Na2CO3 + H2O = Na2CO3· H2O， Na2CO3 + 7H2O = Na2CO3· 7H2O， Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3· 10H2O，
5 合成氨工业
１ 相律
（１）相 相是一个不均匀体系中的均匀部分，各相 之间存在明显的界限。 对于盐类的水溶液都只能是一个液相。对 于固体，则体系中有几种物质就是几个固 相。
6 合成氨工业
（２） 独立组分 一个体系中往往是各种化学物质的混合 体，当体系中的每种化学物质各自独立 时，称它们为体系的独立组分。但实际 上，体系中的一些物质间会发生联系，这 时就不再是独立组分了。如碳酸钙煅烧成 为石灰和二氧化碳，其独立组分是２，为 什么？
18 合成氨工业
NH4Cl－H2O二元系溶解度
温度/℃
0 -7.63 -15.36 15 60 115.6
NH4Cl/%
0 10.93 19.65 26.0 35.6 46.6
合成氨工业
固相
冰 冰 冰+ NH4Cl NH4Cl NH4Cl NH4Cl
19
该体系有2个独立组分，最少相数为1，有 一个外界影响因素。根据相律有 F=C-P+1=2-1+1=2 可选温度与NH4Cl浓度为独立变量。以温度为纵坐 标， NH4Cl浓度为横坐标绘图。