基于化工分离提纯下的相平衡原理应用分析

杭 行

（成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059）

相平衡原理在分离方法的选择、 分离装置的设计与分离方案实现方面的应用有效带动了化工产业的发展。当前， 相平衡原理在化工分离提纯中的应用主要体现在以超临界萃取为主的单组分系统分离以及以二组分液态完全互溶的精馏与蒸馏和二组分液态完全不溶的水蒸气蒸馏方面。 本文对相与相平衡原理的概念进行了阐述，综合化工分离方面的相关理论， 详细分析了相平衡原理在化工分离提纯中的应用方法。

1 相及相平衡原理的概念

所谓相是指系统中具有相同的物理性质和化学性质且完全均匀部分的总和。相平衡即Phase equilibrium，在某种特定条件下，当一个多项系统中各个相的数量与性质均不随时间的变化而变化时，便称此系统达到相平衡[1]。

2 化工分离的相关理论

2.1 化工分离的概念与分类

化工分离是指在相关化工设备的特定作用下， 根据混合物中各组分物理性质和化学性质的差异， 将其分离的过程。 按照物理与化学性质不同，可将化工分离提纯分为平衡分离与速率分离。 其中，平衡分离主要包括精馏、蒸馏、结晶以及萃取和吸附等，而速率分离则主要包括微滤、超滤以及反渗透和电渗析等[2]。

2.2 化工分离的过程

化工分离的过程是指在相关分离剂的作用下， 混合物中的各组分实现分级、浓缩、富集、纯化以及精制与隔离的过程。

3 基于化工分离提纯的相平衡原理的应用

3.1 超临界萃取

超临界萃取是基于单组分系统的化工分离提纯技术，以单组分系统为例，对其进行超临界萃取。 此处引入超临界流体的概念， 所谓超临界流体是指粘度与扩散系数接近于空气， 而密度与溶剂化能力接近于液体的气态物质。 由于超临界流体具有较大的体积和较高的质量，因此，其具有良好的溶解性能。 将超临界流体作为提纯的萃取剂不仅可以提高萃取效率， 而且还可以利用萃取剂气化的原理，将提纯后的溶解物质分离。 CO2超临界流体无论是在体积方面还是在质量方面均是最大的， 而且随着压强的不断增加，同体积气体质量的增加速度也较快，并且可以溶解在多种有机物当中。 因此，选取CO2超临界流体作为超临界萃取剂最为适用。

3.2 精馏与蒸馏

对于二组分系统的气液平衡主要以精馏和蒸馏为主。 由于在相关的科研领域和化工生产当中诸多组分混合物的分离操作均是在特定的强压下进行的，因此，对特定强压下混合物各组分的温度的组成相图即沸点组成图进行研究具有较大的实际意义。

3.2.1 蒸馏

蒸馏是指将液态物质加热，直至沸腾，并将其变为蒸汽，进而再将蒸汽冷凝，使其变回液体的过程。

3.2.2 精馏

精馏是指将液态混合物进行反复多次的部分气化与部分冷凝， 进而使液态混合物中的组分发生分离的一种操作方法。

3.2.2.1 普通液态混合物精馏

普通液态混合物主要包括具有极小正负偏差的液态混合物以及理想状态下的液态混合物。 两种混合物所具有的共同特点为： 在混合物的全部组成范围内均有tb＜t＜ta，a、b 分别表示液态混合物中的两种组分，t 为精馏时的加热温度，且设定b 组分为易挥发组分。 假定初始混合物溶液中的整体组成为x，混合物精馏过程的温度-组分（tx）示意图如图1 所示。

图1 液态混合物精馏x-t 示意图

由图1 可知，当温度由初始温度tx上升至t4时，二组分系统的体系点为O， 而此时气液两相的组成成分为y4和x4，若此时将组分y4的温度冷却至t3，则y4气的一部分将会冷凝进而转变为气体， 进而得到系统组分为y3的液相与x3的气相。 同理，将y3的气相冷却，使其温度继续降至t2，进而得到y2的气相与x2的液相，以此类推，最终得到x1的液相与y1的气相。 重复上述步骤，反复冷凝气相，得到相关的气相组成则无限接近纯b。 此外，仍然以t4为界限，将组分x4的液相加热至温度t5，使混合物x 中x4液相发生气化， 进而得到气相与液相两种组分分别为y5和x5的气液两相混合物， 进而再将组分为x5的液相的一部分继续气化，进而得到气相和液相分别为y6和x6的组分。对图1 进行分析可知，精馏过程中，混合物的液相组成沿液相线不断上升，且经过最后一次精馏后，得到纯a。

3.2.2.2 最低与最高恒沸点的液态混合物的精馏

具有最低与最高恒沸点的液态混合物精馏原理如下：当处于恒沸点时，二组分系统中两种物质的相对挥发能力相同，故以普通精馏的方式对其进行精馏难以将两种物质彻底分离， 只能得到一种纯组分的液态恒沸混合物。因此，对具有最低和最高沸点的液态混合物应分别蒸馏。

3.3 水蒸气蒸馏

水蒸气蒸馏是基于二组分液态完全不互溶的气液平衡系统进行的化工分离提纯。 在此二组分系统中，各种组分之间互不影响， 且混合物中各组分的蒸汽压与其单独存在时并无明显差异，因此，此二组分系统的总蒸汽压便等于两种组分在某一温度下单独存在时各自蒸汽压之和。 由此可知，在某一特定温度下，混合物的蒸汽压大于任意一个纯组分的蒸汽压，同理，混合物的沸点也低于任意一个组分单独存在时的沸点。 利用液态完全不互溶混合物沸点低于任一纯组分沸点的特点， 对混合物进行水蒸气蒸馏， 进而使与水互不相溶的混合物中的有机化合物同水分一起蒸发，并经过冷凝作用分为两层，对得到的两层液体进行除水，便得到两种纯组分产品。

本文以基于化工分离提纯下的相平衡原理为研究对象，对化工分离的概念以及分类进行了阐述，并结合相与相平衡概念，从超临界萃取、蒸馏、普通混合物精馏、最低与最高沸点混合物蒸馏和水蒸气蒸馏等方面对相平衡原理在化工分离提纯中的应用进行了较为系统的探究。 可见， 未来加强对基于化工分离提纯下相平衡原理应用的研究力度， 对提高混合物分离纯度并促进化工产业的健康、稳定发展具有重要的历史作用和现实意义。

［1］唐鸿鹄. 运用相平衡原理进行水溶液体系中固体分离的设计与应用［D］.长沙：中南大学，2013.

［2］吕秋楠，李小森，徐纯刚，等.低浓度煤层气分离提纯的研究进展［J］.化工进展，2013，06（15）：1267-1272.