基于化工分離提純下的相平衡原理應(yīng)用分析

杭 行

（成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059）

相平衡原理在分離方法的選擇、 分離裝置的設(shè)計與分離方案實現(xiàn)方面的應(yīng)用有效帶動了化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前， 相平衡原理在化工分離提純中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以超臨界萃取為主的單組分系統(tǒng)分離以及以二組分液態(tài)完全互溶的精餾與蒸餾和二組分液態(tài)完全不溶的水蒸氣蒸餾方面。 本文對相與相平衡原理的概念進(jìn)行了闡述，綜合化工分離方面的相關(guān)理論， 詳細(xì)分析了相平衡原理在化工分離提純中的應(yīng)用方法。

1 相及相平衡原理的概念

所謂相是指系統(tǒng)中具有相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)且完全均勻部分的總和。相平衡即Phase equilibrium，在某種特定條件下，當(dāng)一個多項系統(tǒng)中各個相的數(shù)量與性質(zhì)均不隨時間的變化而變化時，便稱此系統(tǒng)達(dá)到相平衡[1]。

2 化工分離的相關(guān)理論

2.1 化工分離的概念與分類

化工分離是指在相關(guān)化工設(shè)備的特定作用下， 根據(jù)混合物中各組分物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差異， 將其分離的過程。 按照物理與化學(xué)性質(zhì)不同，可將化工分離提純分為平衡分離與速率分離。 其中，平衡分離主要包括精餾、蒸餾、結(jié)晶以及萃取和吸附等，而速率分離則主要包括微濾、超濾以及反滲透和電滲析等[2]。

2.2 化工分離的過程

化工分離的過程是指在相關(guān)分離劑的作用下， 混合物中的各組分實現(xiàn)分級、濃縮、富集、純化以及精制與隔離的過程。

3 基于化工分離提純的相平衡原理的應(yīng)用

3.1 超臨界萃取

超臨界萃取是基于單組分系統(tǒng)的化工分離提純技術(shù)，以單組分系統(tǒng)為例，對其進(jìn)行超臨界萃取。 此處引入超臨界流體的概念， 所謂超臨界流體是指粘度與擴(kuò)散系數(shù)接近于空氣， 而密度與溶劑化能力接近于液體的氣態(tài)物質(zhì)。 由于超臨界流體具有較大的體積和較高的質(zhì)量，因此，其具有良好的溶解性能。 將超臨界流體作為提純的萃取劑不僅可以提高萃取效率， 而且還可以利用萃取劑氣化的原理，將提純后的溶解物質(zhì)分離。 CO2超臨界流體無論是在體積方面還是在質(zhì)量方面均是最大的， 而且隨著壓強(qiáng)的不斷增加，同體積氣體質(zhì)量的增加速度也較快，并且可以溶解在多種有機(jī)物當(dāng)中。 因此，選取CO2超臨界流體作為超臨界萃取劑最為適用。

3.2 精餾與蒸餾

對于二組分系統(tǒng)的氣液平衡主要以精餾和蒸餾為主。 由于在相關(guān)的科研領(lǐng)域和化工生產(chǎn)當(dāng)中諸多組分混合物的分離操作均是在特定的強(qiáng)壓下進(jìn)行的，因此，對特定強(qiáng)壓下混合物各組分的溫度的組成相圖即沸點組成圖進(jìn)行研究具有較大的實際意義。

3.2.1 蒸餾

蒸餾是指將液態(tài)物質(zhì)加熱，直至沸騰，并將其變?yōu)檎羝?，進(jìn)而再將蒸汽冷凝，使其變回液體的過程。

3.2.2 精餾

精餾是指將液態(tài)混合物進(jìn)行反復(fù)多次的部分氣化與部分冷凝， 進(jìn)而使液態(tài)混合物中的組分發(fā)生分離的一種操作方法。

3.2.2.1 普通液態(tài)混合物精餾

普通液態(tài)混合物主要包括具有極小正負(fù)偏差的液態(tài)混合物以及理想狀態(tài)下的液態(tài)混合物。 兩種混合物所具有的共同特點為： 在混合物的全部組成范圍內(nèi)均有tb＜t＜ta，a、b 分別表示液態(tài)混合物中的兩種組分，t 為精餾時的加熱溫度，且設(shè)定b 組分為易揮發(fā)組分。 假定初始混合物溶液中的整體組成為x，混合物精餾過程的溫度-組分（tx）示意圖如圖1 所示。

圖1 液態(tài)混合物精餾x-t 示意圖

由圖1 可知，當(dāng)溫度由初始溫度tx上升至t4時，二組分系統(tǒng)的體系點為O， 而此時氣液兩相的組成成分為y4和x4，若此時將組分y4的溫度冷卻至t3，則y4氣的一部分將會冷凝進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w， 進(jìn)而得到系統(tǒng)組分為y3的液相與x3的氣相。 同理，將y3的氣相冷卻，使其溫度繼續(xù)降至t2，進(jìn)而得到y(tǒng)2的氣相與x2的液相，以此類推，最終得到x1的液相與y1的氣相。 重復(fù)上述步驟，反復(fù)冷凝氣相，得到相關(guān)的氣相組成則無限接近純b。 此外，仍然以t4為界限，將組分x4的液相加熱至溫度t5，使混合物x 中x4液相發(fā)生氣化， 進(jìn)而得到氣相與液相兩種組分分別為y5和x5的氣液兩相混合物， 進(jìn)而再將組分為x5的液相的一部分繼續(xù)氣化，進(jìn)而得到氣相和液相分別為y6和x6的組分。對圖1 進(jìn)行分析可知，精餾過程中，混合物的液相組成沿液相線不斷上升，且經(jīng)過最后一次精餾后，得到純a。

3.2.2.2 最低與最高恒沸點的液態(tài)混合物的精餾

具有最低與最高恒沸點的液態(tài)混合物精餾原理如下：當(dāng)處于恒沸點時，二組分系統(tǒng)中兩種物質(zhì)的相對揮發(fā)能力相同，故以普通精餾的方式對其進(jìn)行精餾難以將兩種物質(zhì)徹底分離， 只能得到一種純組分的液態(tài)恒沸混合物。因此，對具有最低和最高沸點的液態(tài)混合物應(yīng)分別蒸餾。

3.3 水蒸氣蒸餾

水蒸氣蒸餾是基于二組分液態(tài)完全不互溶的氣液平衡系統(tǒng)進(jìn)行的化工分離提純。 在此二組分系統(tǒng)中，各種組分之間互不影響， 且混合物中各組分的蒸汽壓與其單獨存在時并無明顯差異，因此，此二組分系統(tǒng)的總蒸汽壓便等于兩種組分在某一溫度下單獨存在時各自蒸汽壓之和。 由此可知，在某一特定溫度下，混合物的蒸汽壓大于任意一個純組分的蒸汽壓，同理，混合物的沸點也低于任意一個組分單獨存在時的沸點。 利用液態(tài)完全不互溶混合物沸點低于任一純組分沸點的特點， 對混合物進(jìn)行水蒸氣蒸餾， 進(jìn)而使與水互不相溶的混合物中的有機(jī)化合物同水分一起蒸發(fā)，并經(jīng)過冷凝作用分為兩層，對得到的兩層液體進(jìn)行除水，便得到兩種純組分產(chǎn)品。

本文以基于化工分離提純下的相平衡原理為研究對象，對化工分離的概念以及分類進(jìn)行了闡述，并結(jié)合相與相平衡概念，從超臨界萃取、蒸餾、普通混合物精餾、最低與最高沸點混合物蒸餾和水蒸氣蒸餾等方面對相平衡原理在化工分離提純中的應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探究。 可見， 未來加強(qiáng)對基于化工分離提純下相平衡原理應(yīng)用的研究力度， 對提高混合物分離純度并促進(jìn)化工產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展具有重要的歷史作用和現(xiàn)實意義。

［1］唐鴻鵠. 運用相平衡原理進(jìn)行水溶液體系中固體分離的設(shè)計與應(yīng)用［D］.長沙：中南大學(xué)，2013.

［2］呂秋楠，李小森，徐純剛，等.低濃度煤層氣分離提純的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2013，06（15）：1267-1272.