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相平衡熱力學1第1頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月第5章

相平衡熱力學2第2頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月目的和要求:混合物相平衡理論是論述相平衡時系統(tǒng)T、p和各相組成以及其它熱力學函數(shù)之間的關系與相互間的推算。相平衡是分離技術及分離設備開發(fā)、設計的理論基礎。汽液平衡(VLE)-精餾液液平衡(LLE)-萃取氣液平衡(GLE)-吸收固液平衡(SLE)-結晶第5章相平衡熱力學3第3頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月在對混合物相平衡進行計算時,需將混合物的相平衡準則與反映混合物特征的模型(狀態(tài)方程+混合規(guī)則或活度系數(shù)模型)結合起來。、相平衡熱力學性質計算包括兩個部分:

1、確定平衡狀態(tài);

2、計算互成平衡狀態(tài)下各個相的性質Gibbs-Duhem方程反映了混合物中各組分的偏摩爾性質的約束關系,它不僅在檢驗偏摩爾性質模型時非常有用,而且因某些偏摩爾性質,例如,的相平衡緊密聯(lián)系,在相平衡數(shù)據的檢驗和推算中也有非常重要的應用。等,與混合物4第4頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.9其它類型相平衡的計算5.8汽液平衡數(shù)據的熱力學一致性檢驗5.6氣液平衡(Gas-LiquidEquilibrium)5.7活度系數(shù)模型參數(shù)的估算5.5汽液平衡計算的準則和計算類型5.4典型的汽液平衡相圖(VLE)5.3二元氣液平衡相圖5.2平衡系統(tǒng)的相律5.1相平衡性質與判據本章主要內容5第5頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.1相平衡性質與判據

α,β兩個相,N個組分各相間有物質、能量的動態(tài)傳遞相未達到平衡時,傳遞的物質能量的總和不為零相平衡時,傳遞的物質能量的總和為零6第6頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月相平衡時,dSt、dVt、dUt和dni為零7第7頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月互成平衡的兩相中的溫度、壓力和任一組分的化學位相等N個組分π個相的非均相混合物,相平衡準則為:相平衡時,系統(tǒng)中各相的溫度,壓力和組分的化學位相等?!嗥胶鉁蕜t8第8頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月相律是描述平衡系統(tǒng)中獨立變量的數(shù)目(自由度)。含有N個組分的均相敞開系統(tǒng),有x1

,x2

,…,xN-1和T,p個變量對π個相的N個組分組成的系統(tǒng),變量總數(shù):平衡時溫度平衡壓力平衡化學位平衡F(自由度)=總變量數(shù)-總方程數(shù)=π(N+1)-(N+2)(M-1)=N-π+2總方程數(shù)5.2平衡系統(tǒng)的相律9第9頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月相律的作用:⑴確定系統(tǒng)的自由度;⑵暗示系統(tǒng)可能的最大自由度;⑶確定平衡或共存時的相數(shù)。實例⑴水的三相點,F(xiàn)=?;⑵水-水蒸汽平衡F=?;⑶水-水蒸汽-惰性氣體,F(xiàn)=?;⑷乙醇-水汽液平衡,F(xiàn)

=?;⑸戊醇-水汽液平衡(液相分層),F(xiàn)=?10第10頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月相律的作用:⑴確定系統(tǒng)的自由度;⑵暗示系統(tǒng)可能的最大自由度;⑶確定平衡或共存時的相數(shù)。實例⑴水的三相點,F(xiàn)=0;⑵水-水蒸汽平衡F

=1;⑶水-水蒸汽-惰性氣體,F(xiàn)

=2;⑷乙醇-水汽液平衡,F(xiàn)

=2;⑸戊醇-水汽液平衡(液相分層),F(xiàn)

=111第11頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月混合物的汽液相平衡及其表達圖5-1混合物的汽液平衡系統(tǒng)示意圖

目的是求解:

T、p、{X}、{Y}之間的相互依賴關系12第12頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月對二元氣液系統(tǒng):故系統(tǒng)的最大自由度:F=3。通常選取T、p和組分的濃度為自由度。相圖需用三個坐標的立體圖表達。在單相區(qū),π=1,F=2,系統(tǒng)狀態(tài)可表示在二維平面上;在氣液共存時,π=2,F=1,氣液平衡關系表示為曲線。5.3二元氣液平衡相圖為便于用二維平面圖研究問題,故一般固定T、p中的一個變量,由相律相圖主要類型:

T~x-y圖、p~x-y圖及x-y圖、p-T圖等。13第13頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月14第14頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月等壓二元系統(tǒng)相圖的特征:⑴T~x-y圖點:T1、T2為純組分在給定壓力

p下的沸點

飽和線:露點線(飽和汽體線)泡點線(飽和液體線)單相區(qū):V,L兩相區(qū):V/L

⑵x-y圖曲線上各點的溫度T都相同;平衡時的汽、液相的組成不同。15第15頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月16第16頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月等溫二元系統(tǒng)相圖的特征:⑴p~x-y圖點:p1s,p2s為純組分在給定T下的蒸氣壓;飽和線:泡點線,露點線

p~x-y圖中的斜虛線代表理想混合物系統(tǒng)的泡點線。由拉烏爾定律單相區(qū):V,L兩相區(qū):V/L⑵x-y圖曲線上各點的溫度T都相同;平衡時的汽、液相的組成不同。17第17頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(a)p-x-y圖(最高壓力共沸點)(b)p-x-y圖(最低壓力共沸點)圖5-5等溫具有共沸物二元系統(tǒng)的相圖

18第18頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月等溫具有共沸物二元系統(tǒng)相圖的特征:真實系統(tǒng)偏離理想系統(tǒng)達到一定程度時,p~x泡點線出現(xiàn)極值點;該極值點,稱為共沸點;在共沸點處,泡點線與露點線相切,汽相與液相組成相等,即不能用簡單的蒸餾方法來分離共沸混合物。19第19頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月泡點線露點線定組成混合物的p-T圖特征:點:c:混合物的臨界點c1,c2:分別為純物質1,2的臨界點線:UC1和KC2:飽和蒸汽壓線MLC:飽和液相線NWC:飽和汽相線區(qū):MLCWN:汽液共存區(qū)20第20頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月逆向冷凝現(xiàn)象汽化過程FGGH21第21頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二元混合物定組成臨界點附近的p-T圖特征:MT點:臨界冷凝溫度Mp點:臨界冷凝壓力點:c:混合物的臨界點虛線:汽液兩相混合物中液相的含量線,也稱濕度線。如x1,x2線:當系統(tǒng)處于臨界點c兩邊作減壓操作時系統(tǒng)狀態(tài)變化是不同的。如:沿BD、FGH線降壓兩系統(tǒng)狀態(tài)不同

逆向冷凝現(xiàn)象22第22頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月真實溶液的5種情況5.4典型的汽液平衡相圖(VLE)一般正偏差系統(tǒng)(甲醇-水系統(tǒng))一般負偏差系統(tǒng)(氯仿-苯系統(tǒng))最大正偏差系統(tǒng)(乙醇-苯系統(tǒng))最小負偏差系統(tǒng)(氯仿-丙酮系統(tǒng))液相部分互溶系統(tǒng)(氯仿-水系統(tǒng))23第23頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.4.1一般正偏差系統(tǒng)等溫01p1sp2sp-y1p-x1x1,y1p等壓01x1,y1T-x1T-y1T當恒溫時的泡點線高于理想系統(tǒng)泡點線,此系統(tǒng)為正偏差系統(tǒng)。γ1>1,γ2>124第24頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.4.2一般負偏差系統(tǒng)等溫p2sp1sp-x1p-y1x1,y101p等壓x1,y101T-y1T-x1T當恒溫時的泡點線低于理想系統(tǒng)泡點線,此系統(tǒng)為負偏差系統(tǒng)。γ1<1,γ2<125第25頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.4.3最大正偏差系統(tǒng)Tp等溫等壓x1,y1x1,y10011恒沸點當正偏差較大時,在p~x曲線上就可以出現(xiàn)極大值,γi>

1;在這一點上,x1=y1,x2=y2,此點稱為共沸點;由于這一點壓力最大,溫度最低,所以稱為最大壓力(或最低溫度)共沸點;對于這種系統(tǒng),用一般精餾法是不能將此分離開的,必須要采用特殊分離法。p-x1p-y1T-x1T-y126第26頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.4.4最小負偏差系統(tǒng)最小壓力(最高溫度)共沸點x1=y1,x2=y2,γi<1等溫等壓pT恒沸點x1,y1x1,y1001127第27頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月

溶液在一定組成范圍內發(fā)生分裂而形成兩個液相,這種系統(tǒng)稱為液相部分互溶系統(tǒng)。汽-液-液平衡5.4.5液相為部分互溶系統(tǒng)28第28頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月的兩種表達方法:1、狀態(tài)方程法(EOS法):5.5汽液平衡計算的準則和計算類型2、狀態(tài)方程+活度系數(shù)法(EOS+

法):Poynting因子5.5.1汽液平衡計算的準則29第29頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月3.典型的汽液平衡計算式理想系汽液平衡(理想氣體+理想溶液)低壓系汽液平衡(理想氣體+非理想溶液)中壓系汽液平衡(非理想氣體+非理想溶液)高壓系汽液平衡(汽液兩相均遠離理想系統(tǒng))中低壓汽液平衡計算通式30第30頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月汽液平衡常數(shù):幾種表達方法為:No.INo.II31第31頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.5.2汽液相平衡計算類型兩大類,四小類:變量為:T、p、X、Y1.第一類計算問題:XY泡點計算其中的兩小類為:XYTppT[[]]32第32頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.第二類計算問題:YX露點計算其中的兩小類為:YXTppT[[]]3.閃蒸計算問題:

流體流過閥門等裝置時,由于壓力的突然降低而引起急驟蒸發(fā),產生部分汽化現(xiàn)象,形成互成平衡的汽液兩相。閃蒸計算的目的是確定汽化分率e和平衡的汽、液兩相組成y,x

。33第33頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月*統(tǒng)一算法泡點計算閃蒸計算露點計算(bubblepointcalculation)(flashcalculation)(bubblepointcalculation)物料衡算方程:歸一化方程:進料組成液相組成汽相組成閃蒸計算:34第34頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例5-1,一個總組成分別是Z1=0.45,Z2=0.35,Z3=0.20的苯(1)-甲苯(2)-乙苯(3)的混合物,在373.15K和0.09521MPa下閃蒸,求閃蒸后的汽相分數(shù)和汽液相組成。解:將液相作為理想溶液,汽相作為理想氣體混合物:pis系Antoine常數(shù),分別為:ABCpis/MPaKi苯6.94192769.42-53.260.180051.8911甲苯7.05803076.65-54.650.074170.7790乙苯0.034260.3598試差可得:35第35頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)狀態(tài)方程法(EOS)計算汽液相平衡對于N元系混合物,有2N個基本的強度性質:(T,p,y1,y2,…,yN-1,x1,x2,…,xN-1)由相律可知:在溫度T、壓力p下,N元系的獨立變量數(shù)為:其余的N個強度性質通過汽液平衡準則式的N個方程得到,即關鍵:思考:哪些狀態(tài)方程能同時適用于汽、液兩相?須采用能適用于汽、液兩相的狀態(tài)方程及其混合規(guī)則計算?;痉匠蹋簹w一化方程:36第36頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)狀態(tài)方程法(EOS)計算汽液相平衡對于N元系混合物,有2N個基本的強度性質:(T,p,y1,y2,…,yN-1,x1,x2,…,xN-1)由相律可知:在溫度T、壓力p下,N元系的獨立變量數(shù)為:其余的N個強度性質通過汽液平衡準則式的N個方程得到,即關鍵:須采用能適用于汽、液兩相的狀態(tài)方程及其混合規(guī)則計算?;痉匠蹋簹w一化方程:SRK方程,PR方程,MH81型方程37第37頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月泡點計算關系式露點計算關系式其中38第38頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月以等壓泡點為例說明:聯(lián)立求解所以,需要假設溫度T,并進行迭代試差計算。

已知p

與{xi},求T與{yi

}。由于39第39頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月基本方程約束條件T(0)雙層迭代計算思路和方法:T(1)等壓泡點計算XYTp已知未知外層迭代incision內層迭代incision40第40頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月圖5-8等壓泡點法計算汽液平衡框圖(PR方程)

41第41頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月圖5-8中相互作用參數(shù)kij

的求取混合物狀態(tài)方程中的混合規(guī)則中相互作用參數(shù)kij,一般從混合物的汽液相平衡實驗數(shù)據依據各組分在汽液兩相中逸度相等的原理,采用最優(yōu)化方法關聯(lián)求得。(2)EOS+γ法計算混合物汽液平衡中壓系統(tǒng)等壓泡點計算為例:泡點計算XYTp已知未知42第42頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月T(0)雙層迭代計算思路和方法:T(1)外層迭代incision內層迭代incision由Antoine方程求取由Wilson方程求γi(T,xi)

露點計算與泡點計算方法相仿,不再贅述。43第43頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月44第44頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例5.2某烴類混合物的組成如下表所示,試求壓力為2776kPa時,該混合物的泡點溫度及汽相組成。組分CH4C2H6C3H6C3H8異-C4H10正-C4H10xi0.050.350.150.200.100.15解:求解泡點溫度時,題給的組成即為液相組成,計算過程如圖5-9所示,下表歸一化即為所求結果。組分CH4C2H6C3H6C3H8異-C4H10正-C4H10xi0.050.350.150.200.100.1524℃Ki6.01.30.470.430.200.0207xi0.300.4550.07050.0860.020.14726℃Ki6.21.370.510.450.2120.147xi0.3060.4800.07650.0900.02120.0220歸一化xi0.3070.4820.07680.09040.02130.022145第45頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月

例5.3

丙酮(1)-乙腈(2)和硝基甲烷(3)系統(tǒng)可按完全理想系處理,各組分的飽和蒸汽壓方程為:式中蒸汽壓單位為kPa,溫度單位為℃。(1)已知t=70℃,y1=0.50,y2=0.30,y3=0.20,求p和xi。(2)已知p=80kPa,x1=0.30,x2=0.45,x3=0.25,求T和yi。計算至46第46頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月依題意:由T,Y→p,X,為等溫露點的計算,則解:(1)t=70℃時47第47頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月48第48頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)依題意,由p,Y→T,X為等壓泡點的計算,則:令取k=3①取溫度初值T(0)49第49頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月③

②50第50頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月④⑤③第二次迭代t0=69.10℃②由Antoine方程求出51第51頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月④⑤⑥由Antoine方程求出

52第52頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月53第53頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例題5-4試用Wilson方程確定0.1013MPa下,x1=0.4的甲醇-水系統(tǒng)的泡點溫度和氣相組成。

已知該二元系統(tǒng)的Wilson方程能量參數(shù)為54第54頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月解:本題屬于等壓泡點計算,由于低壓,汽相可看作理想氣體,液相為非理想溶液,汽液平衡關系式為二元系統(tǒng)Wilson方程其中55第55頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月計算中,需要輸入Wilson方程能量參數(shù);純組分的液體摩爾體積由Rackett方程計算;純組分的飽和蒸汽壓由Antoine方程計算。查附錄得到有關物性常數(shù),列于下表中。純組分Rackett方程常數(shù)Antoine方程常數(shù)Tci/Kpci/MPaAiBiCi甲醇512.648.0920.22730.02190.41383477.90-40.53水647.3022.1190.22510.03219.38763826.36-45.47由于平衡溫度未知,需要試差求解。用軟件計算。

56第56頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月57第57頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月58第58頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月59第59頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.6氣液平衡(Gas-LiquidEquilibrium)

應用于煤的氣化、天然氣與合成氣的凈化、環(huán)境的監(jiān)測、生化技術過程等,是吸收過程開發(fā)和設計的理論基礎。計算模型I基礎(對于二元系):溶質組分1-Henry定律溶劑組分2-Lewis-Randall規(guī)則{60第60頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月計算類型和方法同于節(jié)5.5所述的汽液平衡計算模型II:氣液兩相均采用同一種狀態(tài)方程,如立方型方程計算。氣液平衡關系變?yōu)椋簶O稀條件下的二元系:組分1,2氣相均視為idealgas,則:若Henry常數(shù)較大,滿足對于二元系:{61第61頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.6.1

氣體溶解度隨溫度、壓力的變化關系1)溶解度與壓力的關系積分得:

該式適用于25~75oC下氫、氮等難溶氣體在水中的溶解度,但在高壓下,需計及活度系數(shù)的影響。若,則,上式修改為:該式稱為Kritchevsky-Kasarnovsky方程。62第62頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2)溶解度與溫度的關系考慮純溶質氣體與溶液呈平衡:在等壓的條件下:(反映的是純物質的自由焓關系,與組成無關)63第63頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月因此:或應用:a)已知溶解熵,計算T對溶解度的影響;

b)已知T對溶解度的影響,可求出溶解熵在T變化范圍不大的情況下:64第64頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例5.5在293.2K和1MPa時,CO2(1)在苯(2)中的溶解度為x1=0.00095,估計:(a)CO2在苯中的Henry系數(shù),(b)293.2K,0.2MPa時CO2的溶解度。解:符合低壓和液相溶質組分含量很低的條件由苯Antoine方程求得當p=0.2(MPa)時65第65頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月活度系數(shù)模型參數(shù)可以從汽液平衡實驗數(shù)據擬合得到。對VanLaar方程上式也可變形,用作圖方法求取參數(shù)大小。對于Wilson方程、NRTL等模型參數(shù),還能從共沸點數(shù)據和無限稀釋活度系數(shù)等來估算。5.7活度系數(shù)模型參數(shù)的估算66第66頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月1.共沸點數(shù)據法對于共沸物系統(tǒng):意義:

由共沸點的汽液平衡數(shù)據x1,y1,Taz,paz,可計算出模型參數(shù)γ1az和γ2az。單點數(shù)據,測量要求高二元系:67第67頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例5-6:已知正丙醇(1)-水(2)兩者在t=80℃時形成共沸物,外界壓力為101.3KPa,共沸時組成為x1=0.432,求此溫度下當x’1=0.7時的汽相組成y’1和系統(tǒng)總壓P,設汽相為理想氣體,液相為非理想溶液并符合VanLaar方程。p1s=69.86MPa,p2s=64.39MPa。VanLaar方程其中68第68頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月解:當形成共沸物時由前述VanLaar方程結果可知當時69第69頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2)無限稀釋活度系數(shù)法混合物組份在無限稀釋條件下,有γi∞可由沸點儀,GC測量外推對于Vanlaar方程對于Wilson方程70第70頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月解:例5.7由A-B組成的汽液平衡系統(tǒng),若汽相為理想氣體,液相的過量Gibbs函數(shù)GE/RT=βxAxB,測得80℃時兩組分的無限稀釋活度系數(shù)γA∞

=γB∞

=1.648,兩個純組分的飽和蒸汽壓分別是pAs=120kPa和pBs=80kPa,問該系統(tǒng)的80℃下是否有共沸點存在?若有,求共沸組成和壓力。恒沸條件下滿足:71第71頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月解得:72第72頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.8汽液平衡數(shù)據的熱力學一致性檢驗若實驗測定的完整的汽液平衡數(shù)據T-p-X-Y,則它們之間必須滿足Gibbs-Duhem方程,即熱力學一致性檢驗。Gibbs-DuhemEquation通式:因則有:73第73頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月等溫、等壓下,簡寫為:或對于二元系統(tǒng),則有:等溫、等壓下74第74頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月1)恒溫汽液平衡數(shù)據

—微分檢驗法點檢驗法—積分檢驗法總體檢驗法—符合熱力學一致性校驗75第75頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月圖5-10汽液平衡數(shù)據的面積校驗法

76第76頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2)恒壓汽液平衡數(shù)據檢驗此時不可忽略HE的影響定義:

若,更嚴格一些:—符合熱力學一致性校驗汽液平衡數(shù)據熱力學一致性是判斷數(shù)據是否可靠的必要條件,但不是充分條件。77第77頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月5.9其它類型的相平衡的計算液液平衡是液體組分相互達到飽和溶解度時液相和液相的平衡,一般出現(xiàn)在與理想溶液有較大正偏差的溶液中。如果溶液的非理想性較大,組分同分子間吸引力明顯大于異分子間吸引力。當溶液的組成達到某一范圍內,溶液就會出現(xiàn)相分裂現(xiàn)象而形成兩個液相。溶液的相分裂的條件:5.9.1液液平衡(Liquid-LiquidEquilibrium)78第78頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月圖5-11二元系液-液相圖的主要類型

5.9.2液液平衡相圖的類型79第79頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月等壓二元系統(tǒng)液-液相圖的特征:1)溫度對溶解度的影響很大;2)點:臨界溶解點(與汽液臨界點相似),液液共存的最高、最低溫度點

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