相图在化学化工中的应用
三元相图的绘制详解
三元相图的绘制详解在材料科学、化学等领域，三元相图是一种非常重要的工具，它能够直观地展示三种组分在不同条件下的相态变化和平衡关系。
三元相图的绘制并非易事，需要对相关的理论知识有深入的理解，并掌握一定的实验技巧和数据处理方法。
下面，就让我们一起来详细了解三元相图的绘制过程。
要绘制三元相图，首先得明确什么是三元相图。
简单来说，三元相图是表示在恒压和恒温下，由三种组分构成的系统中，各相的状态与成分之间关系的图形。
它通常由等边三角形组成，三角形的三个顶点分别代表三种纯组分。
绘制三元相图的第一步是确定研究的体系和实验条件。
这包括选择要研究的三种物质，设定温度、压力等参数。
在确定了体系和实验条件后，接下来就是进行实验获取数据。
实验方法多种多样，常见的有热分析法、金相法、X 射线衍射法等。
以热分析法为例，我们将不同成分的样品加热或冷却，通过测量样品的温度随时间的变化，来确定相变点。
在实验过程中，需要精确控制温度变化的速率，以确保测量结果的准确性。
同时，要对多个不同成分的样品进行测试，以获得足够的数据来绘制相图。
当我们获得了大量的实验数据后，就可以开始着手绘制相图了。
绘制的过程中，需要将实验得到的相变温度和成分数据标注在等边三角形的坐标上。
在标注数据时，要注意坐标的转换和计算。
因为在三元相图中，成分通常用质量分数或摩尔分数来表示，而不是直接用实验中测量得到的数值。
比如说，如果我们知道了三种组分 A、B、C 的质量分数分别为 wA、wB、wC，那么在等边三角形坐标中，对应的坐标点可以通过以下公式计算：对于 A 组分，横坐标 xA ＝ wA ／（wA ＋ wB ＋ wC) ×边长对于 B 组分，纵坐标 yB ＝ wB ／（wA ＋ wB ＋ wC) ×边长通过这样的计算，我们就可以将实验数据准确地标注在相图上。
标注完数据点后，接下来就是连接这些点，形成相区的边界线。
这需要根据相律和热力学原理来判断。
沈阳化工大学无机材料科学基础6-4 专业相图
第五节 专业相图
单元系统专业相图
SiO2系统相图 ZrO2系统相图 C2S系统相图 CaO－SiO2系统相图 Al2O3－SiO2系统 MgO－SiO2系统 Na2O－SiO2系统
二元系统专业相图
三元系统专业相图
CaO－Al2O3－SiO2系统 K2O－Al2O3－SiO2系统 MgO－Al2O3－SiO2系统 Na2O－CaO－SiO2系统
无机材料科学基础
（3） 由组成估计其液相量 如在1600℃、Al2O3＝5.5～72％范围内，用杠杆规 则确定的组成于液相量的对于关系如下：
Al2O3％ 液相％
10 96
20 80
30 64
46 40
72 0（痕量）
（4） 由液相线的倾斜度判断液相量随温度变化情况
无机材料科学基础
（二） CaO－SiO2系统相图
（四） Na2O－SiO2系统
无机材料科学基础
（1） Na2O－SiO2系统中生成的化合物有：
N2S、NS、NS2、N3S8 （2）生成化合物的性质： 一致熔融化合物：NS、NS2 不一致熔融化合物：N2S、N3S8
（3）划分分二元系统：
Na2O－NS分二元系统 NS－NS2分二元系统 NS2－SiO2分二元系统 （4）分别讨论各分二元系统：
无机材料科学基础
2、 CS －C2S分二元系统
有一个不一致熔融化合物 C3S2 低共熔点E：1460℃ 转熔点F： 1464℃
LF C2 S C3S2
晶型转变：1125℃
CS CS
无机材料科学基础
3、 C2S － CaO分二元系统
低共熔点H：2050℃ LH C3S C2 S
6乙醇—环己烷双液系相图
渤海大学学生实验报告课程名称： 任课教师：实验室名称： 房间号 实验时间： 年 月 日 学院 化学化工与食品安全学院 专业班级 姓名学号同组人实验项目乙醇—环己烷双液系相图 组别实验成绩一、实验目的：1.了解物理化学实验手段中常用的物理方法——光学方法的基本原理； 2.绘制乙醇—环己烷双液系的沸点—组成图，确定其恒沸组成及恒沸温度； 3.进一步理解分馏原理；4.掌握阿贝折光仪的原理及使用方法。
二、实验原理：1.在常温下，两种液态物质以任意比例相互溶解所组成的体系称之为完全互溶双液系。
在恒定压力下，表示溶液沸点与组成关系的图称之为沸点—组成图，即所谓的相图。
体系的最低或最高恒沸点即为恒沸温度，恒沸温度对应的组成为恒沸组成。
乙醇—环己烷双液系属于具有最低恒沸点一类的体系。
2.物理学方法折射率的测定是一种间接获取组成的方法。
它具有简便准确的特点。
本实验就是利用回流及分析的方法来绘制相图。
取不同组成的溶液在沸点仪中回流，测定其沸点及气、液相组成。
沸点数据可直接由温度计获得；气、液相组成可通过测其折射率，然后由组成—折射率最后确定。
3.沸点的气压校正：325.101325.10110p t t -⨯=∆ t t t b ∆+=三、实验仪器和试剂：沸点测定仪 1套； 阿贝折射计（包括恒温装置） 1套；移液管（25ml) 1个； 吸液管 2支； 调压变压器 1台； 乙醇（A ·R ） 环己烷（A ·R ） 四、实验装置图：由实验记录数据绘制乙醇-环己烷双液系相图如下：实验结果讨论：本次实验误差主要有两个方面：一是在测定乙醇-环己烷的沸点时，对沸点的记录不够准确，沸点不易判断；二是测完折光率后在坐标图上查气液相组成时由于图纸太大使得横纵坐标可能对应不够准确。
其余各过程做的较好。
八、思考题：1.操作步骤中，在加入不同数量的各组分时，如发生了微小的偏差，对相图的绘制有无影响？为什么？答：加入各组分时，如发生了微小的偏差，对相图的绘制无影响，因为最终液体的组成是通过对折光率的测定，在工作曲线上得出，所以无影响。
1-相律物理化学
物理化学相律相律相平衡研究多相系统的平衡在化学、化工的科研和生产中有重要的意义，例如：蒸馏、重结晶、萃取及金相分析等方面都要用到相平衡的知识。
相律相图（phase diagram）研究多相系统的状态如何随温度、压力和组成等强度性质变化而变化，并用图形来表示，这种图形称为相图。
相律相，指系统中宏观上看化学组成、物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。
相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。
系统内相的数目用符号Φ表示。
相律气体，不论有多少种气体混合，只有一个气相。
液体，按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。
固体，一般有一种固体便有一个相。
两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固态溶液除外，它是单相）。
相律1. 物种数和独立组分数系统中所含化学物质的种类数称为系统的物种数，用符号S表示；注：处于不同聚集状态的同一化学物质不能算两个物种。
如水与水蒸气两相平衡的系统，水与水蒸气属于一种化学物质，所以S=1。
相律1. 物种数和独立组分数足以确定平衡系统中所有各相的组成所需要的最少的物种数，称为独立组分数，用符号C表示。
C=S-R-R'R：独立化学平衡数；R'：独立浓度限制条件。
相律R：独立化学反应例如反应：(1) C(s) + H2O(g) = CO(g) +H2(g)(2) C(s) + CO2(g) = 2CO(g)(3) CO(g) + H2O(g) = CO2(g) +H2(g) (1)–(2)=(3)，独立的反应为2，R=2例如：NH 3高温下分解并达到平衡 NH 3 = N 2 + 3H 2则：n(N 2):n(H 2)=1:3，所以 R '=1 必须是在同一相中几个物质浓度之间存在的 关系，浓度归一化 条件除外 。
32CaCO (s) CaO(s)CO (g) →+← 因为CaO(s)，CO 2(g)不在同一相中，所以R '=0。
物理化学第5章相律与相图
第五章相律与相图5.1 相平衡相平衡是热力学在化学领域中的重要应用，也是化学热力学的主要内容之一。
在第三章中已经应用热力学原理研究了纯物质系统的两相平衡；在第四章中研究了多组分系统的两相平衡，其结果是用热力学公式表达相平衡的规律。
而本章则是应用热力学原理采用图解的方法来表达相平衡规律，特别是对多相系统的相平衡规律的研究，用图解的方法更显得方便和实用。
研究多相系统的相平衡状态随组成、温度、压力等变量的改变而发生变化，并用图形来表示系统相平衡状态的变化，这种图称为相图，相图形象而直观地表达出相平衡时系统的状态与温度、压力、组成的关系。
相律为多相平衡系统的研究建立了热力学基础，是物理化学中最具有普遍性的规律之一，它讨论平衡系统中相数、独立组分数与描述该平衡系统的变数之间的关系，并揭示了多相平衡系统中外界条件(温度、压力、组成等)对相变的影响。
虽然相律不能直接给出相平衡的具体数据，但它能帮助我们从实验数据正确地画出相图，可以帮助我们正确地阅读和应用相图。
本章首先介绍相律，然后介绍单组分、二组分和三组分系统的最基本的几种相图，其中着重介绍二组分气-液相图和液-固相图，介绍相图的制法和各种相图的意义以及它们和分离提纯方法之间的关系。
应用：a、水泥熟料的烧成过程，系统中有C3S(硅酸三钙)、C2S（硅酸二钙）、C3A（铝酸三钙）、C4AF（铁铝酸四钙）————固相，还有一定的液相，是一个多相的系统。
随着温度升高，这个多相系统中那些相能继续存在？那些相会消失？有没有新的相生成？各相组成如何？各相含量为多少？b、在化工生产中对原料和产品都要求有一定的纯度，因此常常对原料和产品进行分离和提纯。
常用的分离提纯的方法是结晶、蒸馏、萃取和吸收等等，这些过程的理论基础就是相平衡。
相图：根据多相平衡的实验结果，可以绘制成几何图形用来描述这些在平衡状态下的变化关系，这种图相成为相图。
现实意义：水泥、玻璃、陶瓷等形成过程均在多相系统中实现，都是将一定配比的原料经过锻烧而形成的，并且要经历多次相变过程。
乙醇—环己烷双液系相图
渤海大学学生实验报告课程名称：任课教师：实验室名称：房间号实验时间：年月日一、实验目的：1.了解物理化学实验手段中常用的物理方法——光学方法的基本原理； 2.绘制乙醇—环己烷双液系的沸点—组成图，确定其恒沸组成及恒沸温度； 3.进一步理解分馏原理；4.掌握阿贝折光仪的原理及使用方法。
二、实验原理：1.在常温下，两种液态物质以任意比例相互溶解所组成的体系称之为完全互溶双液系。
在恒定压力下，表示溶液沸点与组成关系的图称之为沸点—组成图，即所谓的相图。
体系的最低或最高恒沸点即为恒沸温度，恒沸温度对应的组成为恒沸组成。
乙醇—环己烷双液系属于具有最低恒沸点一类的体系。
2.物理学方法折射率的测定是一种间接获取组成的方法。
它具有简便准确的特点。
本实验就是利用回流及分析的方法来绘制相图。
取不同组成的溶液在沸点仪中回流，测定其沸点及气、液相组成。
沸点数据可直接由温度计获得；气、液相组成可通过测其折射率，然后由组成—折射率最后确定。
3.沸点的气压校正：325.101325.10110pt t -⨯=∆ t t t b ∆+=三、实验仪器和试剂：沸点测定仪 1套； 阿贝折射计（包括恒温装置） 1套； 移液管（25ml) 1个； 吸液管 2支； 调压变压器 1台； 乙醇（A ·R ） 环己烷（A ·R ） 四、实验装置图：由实验记录数据绘制乙醇-环己烷双液系相图如下：实验结果讨论：本次实验误差主要有两个方面：一是在测定乙醇-环己烷的沸点时，对沸点的记录不够准确，沸点不易判断；二是测完折光率后在坐标图上查气液相组成时由于图纸太大使得横纵坐标可能对应不够准确。
其余各过程做的较好。
八、思考题：1.操作步骤中，在加入不同数量的各组分时，如发生了微小的偏差，对相图的绘制有无影响为什么答：加入各组分时，如发生了微小的偏差，对相图的绘制无影响，因为最终液体的组成是通过对折光率的测定，在工作曲线上得出，所以无影响。
相图在尿素生产中的应用
相图在尿素生产中的应用摘要本文主要描述了相图在化工生产中的尿素生产的应用，介绍了相图在尿素生产中的发展历程与应用现状，总结了相图在尿素生产中的主要用途，并对相图应用在尿素生产中的局限性进行了分析，并提出了对未来发展方向的思考。
关键词相图；尿素；应用物质具有一定的化学特性和物理性质，在一定的温度和压力条件下可以不同的形态存在，但不论是在自然界或化工生产中，不同的物质经常是混杂在一起的，在化工生产中和科学研究中，我们常需要对生产原料或产品进行分离和提纯，在这个过程中经常会遇到像蒸发、升华、溶解、结晶等一系列相变化，而相平衡理论和相图是我们在研究与生产中不可或缺的。
相图是由点、线、面、体等几何要素构成，它是把不同压力、温度下的平衡体系中的各相、相组成及相之间的相互关系反映出来的一种图解，使溶解度数据的图形化。
尿素物系是挥发性弱电解质并伴有化学反应的复杂非理想溶液物系，热力学模型的建立并非难事，气液平衡热力学关联式计算甚为复杂【1】。
相图具有简单明了，直观性强，信息量多的特点，用于分析尿素物系及在实际生产中工艺改造极为有用。
目前已经研究出来的尿素生产用相图众多，不同的相图又有着不同的作用，本文对相图在尿素生产中的已有应用进行了总结，并归纳了相图在尿素生产中的主要用途以及对未来相图发展的思考。
一、相图在尿素生产中的应用现状对尿素生产用相图的研究，国内外研究者进行了大量的工作。
20世纪20~30年代，Janecke等研究者全面研究了NH3-CO2-H2O三元系的液固平衡和气液平衡，为尿素工艺的回收技术奠定了基础，也成为50年代末成功开发第一代水溶液全循环法（即传统法尿素流程）的技术基础。
在尿素工艺中，尿素合成反应化工过程是最为复杂的，然而在50~60年代之前，对尿素合成的认识还处于传统合成理论阶段，非常具有局限性。
20世纪60~70年代，为了开发汽提技术，Stamicarbon公司的Kaasenbrood等系统研究了尿素合成条件下NH 3-CO 2物系的相平衡和超临界共沸相图【2】。
多相平衡
相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一。 研究多相体系的平衡在化学、化工的科研和生产中 有重要的意义，例如：溶解、蒸馏、重结晶、萃取、 提纯及金相分析等方面都要用到相平衡的知识。
相图（phase diagram） 表达多相体系的状态如何 随温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形， 称为相图。
f=K-φ+n(包括T.P)
例:求K.f N2 ,H2 , NH3,组成的气相体系 ;若起初体系中 N2 ,H2的比 例不是1:3,当下列合成氨反应:
N2 (g)+H2(g)= NH3(g) 达平衡后,S=3,R=1,R’=0.故K=S-R- R’=2; 为气相,则φ=1,则:
上一内容 下一内容 回主目录
f=K(C)-φ+2
相律的文字表述为:一个复相平衡系的自由度等于组分数减去相数
再加2.数字2可认为来源于T.P两个变量.若我们指定了温度或压力.则
f=K-φ+1
若T.P均固定: f=K-φ
f=K-φ+2 是不考虑除T.P外影响物质性质的因素:(如重力场,电场等)
的情况下适用.若考虑其它因素,则有n个影响因素,就有
的平衡。
△G=0
T.P 相α======================相β （相平衡）
dGα,.m
△G=0
dGβ，m
T+dT,P+dP相α======================相β（新的相平衡）
显然，
dGα，m=dGβ，m
又
dGm=-SmdT+VmdP
所以 -Sα,mdT+Vα,mdP= -S β,mdT+Vβ,mdP
上一内容 下一内容 回主目录
- 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)。
相图在化学化工中的应用
摘要
水盐体系相图及应用
等压相图在尿素工艺上的应用
相图的局限性
关键词水盐体系溶解度等压相图
相图是由点、线、面、体等几何要素构成，它是把不同压力、温度下的平衡体系中的各相、相组成及相之间的相互关系反映出来的一种图解，使溶解度数据的图形化。
相图在冶金、材料、化学、化工、矿物、地质、物理等许多科学领域中已成为解决实际问题不可缺少的工具。
由于相图本身直观上给出了大量信息，如体系在平衡条件下存在有哪些相、每相的组成、各相之间的相对数量有多少等；同时还可进一步由相图提取出各种热力学数据，如活度、活度系数，超额吉布斯自由能，混合体系的自由能等；而且相图的测量相对于热力学数据来讲，也要容易些。
因此在化学化工中有着极其广泛的应用。
一、水盐体系相图
在化工生产中，人们广泛的遇到相变问题，特别是多数无机化工产品都是从水溶液中结晶或转换出来的。
而盐类之所以能以结晶的方法从溶液中分离出来，主演是因为各种盐类的溶解度不同，以及各种因素对盐类的溶解度都会产生不同程度的影响。
因此，我们必须知道在一定的外界条件下，一种或多种盐在溶液中的溶解度及其变化规律。
溶解度数据只能由实验测定，然后将溶解度数据按要求绘制成便于理解和应用的几何图形，这种图形就是相图。
相图不仅把盐类的溶解度用适当的几何形式表示出来，而且从中归纳出规律性，使它成为具有指导性的理论工具。
这种特殊的化学图称为相图，又叫溶解度图或状态图。
它具有清晰、直观、形象完整四大特点。
因为任何化工生产都是以实验研究为基础，所以展开对水盐体系平衡研究具有现实指导意义。
水盐体系相图的研究对象是水盐体系。
水是地球表面数量最多的化合物之一。
地球表面三分之一被海洋这一巨大的电解质溶液包围着，还有为数众多的盐湖及地下卤水。
水又是最普遍应用的溶剂。
因为它便宜、容易达到高纯状态及能溶解很多化合物，因此，人类在生活，生产活动中离不开溶液，特别是化工生产中的许多反应和过程都和溶液结下了不解之缘。
以上这些天然和人为形成的溶液构成了水盐体系。
广义的水盐体系除包括水和盐之外，还包含了水与酸或碱组成的体系，因为这些体系在相平衡及相图的特点、规律上看与纯粹的水盐体系大体相同
水盐体系相图适用于酸碱、化肥、无机盐生产，尤其较早地应用于以海水、盐湖水、矿盐及各种地下卤水为原料，生产各种盐化工产品的过程。
利用相图可以预先分析当体系在外界条件发生变化时，体系将要发生一系列变化的方向和限度。
可以预知体系中各盐的析出顺序及变化规律，以便使我们需要的某种盐从溶液中析出，另一种（或几种盐）溶液，从而将他们分离，对多元体系更是如此。
应用相图原理和方法，在化工生产中，仅采用蒸发、加水、升温、降温、冷冻、干燥、分离、加入某种物质等这些简单操作单元中的几种方式，即可以经济有效的应用与大规模化工生产，例如食盐、芒硝或无水硝、纯碱、碳铵及各种钾肥等。
二、等压相图在尿素工艺上的应用
化工单元过程中的等压操作确定了等压相图在化工工艺上的重要性。
等压多温相图已经在冶金、无机盐等工业生产上得到广泛使用，并据此确定各工艺的生产条件和实现参数的优
化，这是众所周知的。
尿素工业生产的总体运行是由等压条件下各单元工序组合而成的化工工艺，并且尿素生产的各单元过程是以液相反应为主的。
为了正常运行，人们关注的重点是等压汽液平衡及其变化规律。
同时，也必须掌握液固平衡的规律，以防止固体结晶物的产生而破坏运行。
由此可见，对于尿素工艺来说，必须建立等压条件下，气液固兼备的相图，以供实际流程的需要。
应用等压相图可以确定尿素的工艺条件及参数，它比等温相图或者其他相图更为实用、直观。
以实验测定在等压条件下NH3 CO2 H2O三元系和NH3 CO2 H2OUr四元系的气液平衡和化学平衡数据，确定各压力等级下，各相图的液相等温线、气相等温线、顶脊线、结晶线，以及化学平衡等压线，等曲线的位置和形状。
从而，取得沟通全流程运行的各个基础相围。
将上述各基础相图描述各压力段的实际工况，以确定合成、分离、回收等各单元过程的工艺条件和参数。
串起来，尿素工艺全流程的操作运行情况和相际变化规律可以清晰地展现在我们面前。
由于尿素的合成反应受到化学平衡的限制，原料氨和二氧化碳不能全部转化为尿素，工业反应一般采用50%～100%的氨过量率，因而必须将未反应的甲胺和过剩氨从尿素合成熔融物中分离出来，回收并循环返回尿素合成系统。
不论何种尿素流程（从传统的水溶液全循环法到各种汽提法），分离和回收工序都是尿素工艺的关键组成部分，因而该工序工艺条件的择优选取和设备的合理设计特别重要。
每一级的回收过程是在定压下的回收塔内进行的，只有充分掌握各压力段的NH3 CO2 H2O三元系和NH3 CO2 H2OUr四元系的等压相平衡数据和等压相图，才能进行回收工序的工况分析、操作条件的选取和设备的工艺参数的确定，从而实现上述目标。
三、相图的局限性
相图的应用有一定的局限性。
由于相图反映的是热力学平衡条件下的规律，这种平衡往往需要很长时间才能达到。
而实际生产中，，由于各种因素的影响，会出现不饱和、过饱和、温度波动、固液表面反应不完全、固液分离不彻底等情况，这些问题都难已在相图中考查，导致相图分析结果与实际情况不完全符合。
对复杂的多组分体系，只能从宏观角度反映某些性质之间的联系，还不能反映现象之间的内在联系、原因、机理和转变速度等；此外，多组分相图的表达形式还不够完善。
尽管相图有上述局限性，但它仍然是一种十分有用的理论工具。
因其源于热力学所得出结论有高度的可靠性，因而对实际生产和科学研究都具有重要的指导意义。
参考文献
1 苑庆忠刘金惠《三元水盐体系相图》化学通报 2000，09：36-40
2 赵慕愚康鸿业徐宝琨范小宝傅则钟《恒压相图中对应关系定理的应用》化学通报 1987，04：01-05
3 赵慕愚《恒压相图的边界理论及其应用》化学通报 1992,04:26-31
4 Janecke.Z.EL.ch.译文载于《化肥译丛》（第七辑），中国工业出版社（1965）
5 大连工学院译，《CO2 汽提法尿素装置操作手册》（1976）。