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🍾精馏计算器 - Antoine 蒸气压、T-x-y 相图与 McCabe-Thiele 理论板数

精馏利用各组分挥发度的差别实现分离,是化工原理和物理化学的核心内容。这个工具分四部分:①蒸气压与沸点——内置水、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯、正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈等 20 种常用液体的 Antoine 常数(log₁₀P/mmHg = A − B/(C + t/°C),取自 Lange 手册与 Yaws 汇编,每种都用文献正常沸点校核,误差小于 1%),可算任意温度的饱和蒸气压、任意压力或海拔下的沸点(如拉萨海拔 3650 m 约 484 mmHg,水在约 87.9 °C 沸腾),以及用 Clausius–Clapeyron 方程由两点求汽化焓(水 25 °C 和 100 °C 两点得约 42.7 kJ/mol);②二元理想溶液——按 Raoult 定律求泡点、露点,画 T–x–y、P–x–y 相图和 y–x 平衡曲线,例如苯–甲苯在 101.3 kPa 下 x = 0.5 的泡点为 92.1 °C,气相 y = 0.714,相对挥发度 α ≈ 2.49;③McCabe–Thiele 图解——输入进料组成 z_F、热状况 q、馏出液 x_D、釜液 x_B 和回流比(或最小回流比的倍数),画出操作线、q 线和逐板阶梯,给出理论级数、最佳进料板、最小回流比、Fenske 最少理论板数(x_D = 0.95、x_B = 0.05、α = 2.5 时 N_min = 6.43)和 Gilliland 估算;④简单间歇蒸馏——用 Rayleigh 方程求釜液剩余量和馏出液平均组成。乙醇–水等非理想体系与共沸物会给出提示。

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如何使用气液平衡与精馏

  1. 1选择计算类型:蒸气压与沸点、二元汽液平衡、McCabe–Thiele 精馏或简单间歇蒸馏
  2. 2选择液体(或给定恒定相对挥发度 α),输入温度、压力、组成、进料热状况和回流比等条件
  3. 3读取蒸气压、泡点露点、相图、理论板数、最小回流比和 Fenske 结果,导出图像或 CSV

常见问题

McCabe–Thiele 法怎么求理论板数?
在 y–x 图上画出平衡曲线和对角线,精馏段操作线 y = R/(R+1)·x + x_D/(R+1),q 线 y = q/(q−1)·x − z_F/(q−1),提馏段操作线连接 (x_B, x_B) 与前两线的交点。从 (x_D, x_D) 出发,水平线交平衡线得到第 1 板液相组成,再竖直落到操作线,如此交替画阶梯直到 x ≤ x_B,阶梯数就是理论级数(含再沸器)。跨过两操作线交点的那一级是最佳进料板。工具会自动作图并给出小数级数。
最小回流比和 Fenske 方程是什么?
回流比减小时操作线向平衡线靠拢,当两者在 q 线上相交(夹点)时需要无穷多块板,这时的回流比就是最小回流比 R_min = (x_D − y*)/(y* − x*)。另一极端是全回流,所需板数最少,Fenske 方程 N_min = ln[(x_D/(1−x_D))·((1−x_B)/x_B)]/ln α 给出该值,例如 x_D = 0.95、x_B = 0.05、α = 2.5 时 N_min ≈ 6.43。实际回流比通常取 R_min 的 1.2~2 倍。
Antoine 方程怎么用?可以算高原上的沸点吗?
Antoine 方程 log₁₀P = A − B/(C + t) 给出饱和蒸气压与温度的关系(P 单位 mmHg,t 单位 °C)。液体在蒸气压等于外压时沸腾,所以反解 t = B/(A − log₁₀P) − C 就是该压力下的沸点。工具用国际标准大气公式由海拔算气压,例如海拔 3650 m 约 484 mmHg,水的沸点约 87.9 °C。注意每组常数只在给定温度范围内准确,超出范围会提示。
为什么乙醇–水不能用普通精馏得到无水乙醇?
乙醇–水是强非理想体系,常压下有最低共沸物:78.2 °C 时气液组成相同,约含 95.6%(质量分数)乙醇。到达共沸组成后气相不再比液相更富含乙醇,普通精馏无法继续提浓,需要共沸精馏、萃取精馏、分子筛或膜分离。本工具只实现理想 Raoult 模型,对含水、醇、酸等非理想组合会给出提示,不编造活度系数。

功能特点

  • 20 种常用液体的 Antoine 常数表,正常沸点逐一校核
  • 任意温度的饱和蒸气压,任意压力 / 海拔下的沸点
  • Clausius–Clapeyron 两点法与 Antoine 斜率估算汽化焓
  • Raoult 定律泡点、露点计算,T–x–y、P–x–y 相图与 y–x 平衡曲线
  • McCabe–Thiele 逐板图解:操作线、q 线、阶梯、理论级数与最佳进料板
  • 最小回流比(夹点)、Fenske 最少理论板、全回流逐板与 Gilliland 估算
  • Rayleigh 简单间歇蒸馏:剩余釜液与馏出液平均组成
  • 非理想体系与乙醇–水共沸提示,图像 PNG / SVG 与 CSV 导出