基于化工分離提純下的相平衡原理應用分析

杭 行

（成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059）

相平衡原理在分離方法的選擇、 分離裝置的設計與分離方案實現方面的應用有效帶動了化工產業的發展。當前， 相平衡原理在化工分離提純中的應用主要體現在以超臨界萃取為主的單組分系統分離以及以二組分液態完全互溶的精餾與蒸餾和二組分液態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行了闡述，綜合化工分離方面的相關理論， 詳細分析了相平衡原理在化工分離提純中的應用方法。

1 相及相平衡原理的概念

所謂相是指系統中具有相同的物理性質和化學性質且完全均勻部分的總和。相平衡即Phase equilibrium，在某種特定條件下，當一個多項系統中各個相的數量與性質均不隨時間的變化而變化時，便稱此系統達到相平衡[1]。

2 化工分離的相關理論

2.1 化工分離的概念與分類

化工分離是指在相關化工設備的特定作用下， 根據混合物中各組分物理性質和化學性質的差異， 將其分離的過程。 按照物理與化學性質不同，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分離劑的作用下， 混合物中的各組分實現分級、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用

3.1 超臨界萃取

超臨界萃取是基于單組分系統的化工分離提純技術，以單組分系統為例，對其進行超臨界萃取。 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散系數接近于空氣， 而密度與溶劑化能力接近于液體的氣態物質。 由于超臨界流體具有較大的體積和較高的質量，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分離。 CO2超臨界流體無論是在體積方面還是在質量方面均是最大的， 而且隨著壓強的不斷增加，同體積氣體質量的增加速度也較快，并且可以溶解在多種有機物當中。 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

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

3.2.1 蒸餾

蒸餾是指將液態物質加熱，直至沸騰，并將其變為蒸汽，進而再將蒸汽冷凝，使其變回液體的過程。

3.2.2 精餾

精餾是指將液態混合物進行反復多次的部分氣化與部分冷凝， 進而使液態混合物中的組分發生分離的一種操作方法。

3.2.2.1 普通液態混合物精餾

普通液態混合物主要包括具有極小正負偏差的液態混合物以及理想狀態下的液態混合物。 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均有tb＜t＜ta，a、b 分別表示液態混合物中的兩種組分，t 為精餾時的加熱溫度，且設定b 組分為易揮發組分。 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 液態混合物精餾x-t 示意圖

由圖1 可知，當溫度由初始溫度tx上升至t4時，二組分系統的體系點為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而轉變為氣體， 進而得到系統組分為y3的液相與x3的氣相。 同理，將y3的氣相冷卻，使其溫度繼續降至t2，進而得到y2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。 重復上述步驟，反復冷凝氣相，得到相關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液相發生氣化， 進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， 進而再將組分為x5的液相的一部分繼續氣化，進而得到氣相和液相分別為y6和x6的組分。對圖1 進行分析可知，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混合物的精餾

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

3.3 水蒸氣蒸餾

水蒸氣蒸餾是基于二組分液態完全不互溶的氣液平衡系統進行的化工分離提純。 在此二組分系統中，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， 對混合物進行水蒸氣蒸餾， 進而使與水互不相溶的混合物中的有機化合物同水分一起蒸發，并經過冷凝作用分為兩層，對得到的兩層液體進行除水，便得到兩種純組分產品。

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行了闡述，并結合相與相平衡概念，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用進行了較為系統的探究。 可見， 未來加強對基于化工分離提純下相平衡原理應用的研究力度， 對提高混合物分離純度并促進化工產業的健康、穩定發展具有重要的歷史作用和現實意義。

［1］唐鴻鵠. 運用相平衡原理進行水溶液體系中固體分離的設計與應用［D］.長沙：中南大學，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展［J］.化工進展，2013，06（15）：1267-1272.