物化论文

相图在化学化工或实际生活中的应用

作者：

西北大学化工学院生物工程级

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摘要：相图在无论是在生活还是化工中都有重要的应用，此文重点介绍了相图在水盐体系，尿素生产以及材料的研究与开发这几方面的应用。

关键词：相图、水盐体系、尿素、材料研究

相图是相平衡图的简称，相图从狭义上讲是是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图形；从广义上讲相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。采用的热力学变量不同构成不同的相图。材料学工作者最关心的是凝聚态。

比较简单的水的相图如下，从中可以很容易地读出水的三相点、临界点等信息。，

常见的二组分系统相图有压力-组成图、温度-组成图、蒸汽压-液相组成图、溶解度图（温度-组成）、低共熔混合物相图等。

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。

相图是由点、线、面、体等几何要素构成，它是把不同的温度，压力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。应用相图可以说明系统在外界条件改变时发生相变化的情况。

比如说最简单的相图单组份系统的相图，因不涉及组成，故要描述其状态只需要T、P 两个变量。这两个变量的变化即为相图，即常用的p-t图。

下面就先从相图在化工里的应用开始介绍。

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。

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。

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。

比如大家都很熟知的尿素，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。

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。

相图在生活中的应用也是很广泛的。

比如在材料方面材料的研究与开发，特别是新金属材料的创造与发明一直是沿用了尝试法(Trial and error ) 的模式。经过反复的实验摸索，才能探索到一种新的或更好的材料成分。在20 世纪的60 年代初，一种相计算( PHACOMP) 技术在Ni 基高温合金成分设计上的应用终于揭开了合金设计的序幕。其实,那仍是一种依赖于经验的相平衡成分的计算。但是Ni 基高温合金的PHACOMP 设计至少告诉我们，多元合金相图中的信息对于合金设计来说是非常重要的。其后在70 年代出现的相图计算(CALPHAD) 已经是在追求应用普适性热力学模型来计算多元系的相平衡了，虽然这种计算仍依赖于由实验获得的热力学参数，但已可以说，相平衡成分的获得过程已达到了真正意义上的理性阶段。当前，人们对于实测相图在合金研究特别是合金设计上的重要性是有足够的认识的；但是，只有在能够通过热力学计算来获得