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相图，是一种非常重要的分析工具，不同的类型的相图，例如固-固相图、固-液相图、液-液相图、气-液相图，在冶金、材料、化学化工、矿物、地质等领域都发挥着重要的作用。它本身就可以直观地给出大量信息，例如体系平衡条件下的相态及组成，而它背后，则是热力学。** 对于化工领域而言，常用的相图有气-液相图、液-液相图、液-固相图，他们各自常用在不同的单元操作领域，气-液相图主要代表是精馏单元操作，液-液相图主要代表是萃取单元操作，液-固相图主要代表是结晶单元操作。** 药物结晶领域需要通过相图来确定操作范围以得到特定晶型或者共晶药物以精馏单元操作为例，一个体系能分离到多纯，可以依靠操作条件来调节，但一个体系能不能分离，适不适合用精馏来分离，却是由相图来决定的。所以我们上化工原理的课学习精馏过程首先都是从学习气液平衡和相图开始的，哪个学校都一样。** 而在Aspen当中，绘制相图有什么需要注意的呢？前面说了，相图的背后，其实就是热力学，因此需要注意的只有一点：热力学模型的准确。很多体系，使用不同的热力学模型，会得到完全不同的结果，甚至有可能出现这个热力学模型下不共沸，另一个热力学模型下却显示共沸的现象。通常，我们需要依靠体系的已有数据和模拟数据对比的方式来确定热力学模型的选择。** 我们以一个最为普遍的体系为例，乙醇-水，为什么乙醇-水通过一般精馏的方式无法得到高纯度的乙醇，因为二者在1 bar下存在共沸点78.1℃，共沸组成为乙醇95%（wt%）。我们在Aspen Plus当中输入组成，选择物性方法为UNIQ-RK（该物性方法与实际吻合较好）。** 确认二元交互参数完毕后，点击上方菜单栏Home下的Binary按钮进入二元相图绘制界面。** 按照要求修改组成基准为质量分数后点击Run analysis即可得到结果。** 因为共沸点通过简单精馏是无法跨越的，而我们的乙醇-水体系进料纯度一般不会超过95%，因此整个精馏过程只能在共沸点的左侧，我们就没有办法通过简单的精馏直接得到纯度高于95%的乙醇。** 工业上会采用共沸精馏的方法来得到高纯度的乙醇，当一个新的物质（例如环己烷共沸剂）引入体系后，二元相图就变成了三元相图。那么三元相图如何用Aspen进行绘制呢？** 过程其实相似，再添加环己烷为新组分，物性方法不变，重新确认交互参数。** 然后你会发现顶部菜单栏有两个按钮被激活，我们选择第一个Ternary Diag。** 在弹出的窗口当中我们选择第四个，只画三元相图（其他按钮的功能后续有时间再来讲解）。** 在三元相图操作界面确认无误后直接点击Run Analysis，即可生成三元相图。** 这个相图所展现出来的信息量是很丰富的，我们稍微讲解一下，首先是两个区域，下图当中用黄色画出来的和另外一个空白的区域被深蓝色的线分隔开，黄色区域代表非均相区，空白区域为均相区。如果一股物料的组成在非均相区，那就意味着在足够长时间的静置后，它会分层。非均相区当中还有一些直线，称为平衡联结线，它能确定分层后各层的组成（组成用摩尔分数表示）。** 我们在三元相图上还能看到四个点，它们代表了各组成之间的共沸点，从相图可以看到，乙醇和环己烷、水和环己烷、乙醇和水均存在共沸点，它们分别处于三元相图的三个边缘上，而中间的那一点则代表三者的三元共沸点。** 注：文章首发公众号“化工研学社”，知乎号“叶上初阳”，欢迎关注！
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发表于 1970-1-1 08:00:00
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