Студопедия — Фазовые равновесия жидкость-пар
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Фазовые равновесия жидкость-пар

 

Під час роботи над четвертим розділом підрахував кількість світильників та ламп які потрібні для нормальне освітлення приміщення 11. В приміщенні використовуються світильники типу ОД. Кожен світильник комплектується двома лампами. Тобто необхідно використовувати 6 світильників із 12 працюючими лампами в них. Також розглянув ергономічні вимоги для організації робочого місця та були запропоновані рекомендації щодо поліпшення заходів пожежної безпеки.


1. Збірник профорієнтаційних ігр, вікторин [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://pidruchniki.com/1424042438286/bzhd/prirodne_osvitlennya

2. Штучне освітлення: види, джерела освітлення, світильники вікторин [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://uastudent.com/shtychne-osvitlennya-vudu-djerela-osvitlennya-svitulnuku/

3. Основи охорони праці [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://vuzlib.com.ua/articles/book/22779-Osnovi_okhoroni_pra%D1%81%D1%96/4.html

4. Ергономічні вимоги до організації робочих місць [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://pidruchniki.com/14821111/bzhd/ergonomichni_vimogi_organizatsiyi_robochih_mists

5. Пожарная безопасность [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/Npb_files/npb_shablon.php?id=843

6. Гігієнічні вимоги до організації і обладнання робочих місць користувачів комп’ютерів [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://dec-fpo.fsay.net/Oksana/posibnik/1010.html

7. Робоче місце [Електронний ресурс]. – Режим доступа: http://uk.wikipedia.org/wiki/Робоче_місце

Фазовые равновесия жидкость-пар

Если нагреть жидкую смесь до температуры кипения, то, как правило, выделяющийся пар будет по своему составу отличаться от состава кипящей жидкости. Данные по фазовому равновесию жидкость-пар лежат в основе расчетов процессов разделения жидких смесей на составные компоненты методом перегонки и ректификации.

При простой перегонке имеет место однократное испарение жидкости, а при ректификации этот процесс повторяется многократно на контактных устройствах – тарелках ректификационных колонн.

При равновесии, в соответствии с теоремой Гиббса, химический потенциал i-го компонента одинаков в жидкой и паровой фазах:

(1)

/ - жидкая фаза

// - паровая фаза

Выразим химический потенциал компонента в жидкой фазе через активность, а в паровой фазе через парциальные давления:

(2)

(3)

Преобразуем (1) с учетом (2) и (3):

(4)

При и

(5)

Подставим (5) в (4):

(6)

Разделим на р – общее давление системы:

(7)

где yi – молярная доля i-го компонента в паре

gi – коэффициент активности

Заметим, что для идеальных систем (растворов) gi = 1 и уравнения (6) и (7) примут вид:

(8)

(9)

Видим, что уравнение (9) представляет собой ничто иное, как уравнение Рауля, а уравнение (8) дает возможность рассчитать состав равновесной паровой фазы идеальных систем на основе данных о свойствах индивидуальных компонентов.

На практике используют также графические методы. Рассмотрим некоторые из них:

1) y – x – диаграмма

y вода – C2H5OH

1

0 x

Диаграмма выражает зависимость мольной доли компонента в паровой фазе от мольной доли в жидкой фазе.

2) р – х – диаграмма

p

p=f(x)

p2=f(x)

 
 


p1=f(x)

0 1

x

 

Кривая - выражает зависимость общего давления пара от состава бинарной системы

Кривые выражают зависимость парциальных давлений 1 и 2-го компонентов от состава бинарной системы

3) p – x – y – диаграмма

p1 T=const

п

p01 a o b

 
 


ж

0 1

xп х0 хж х, y

 

Заштрихованная область – область гетерогенного состояния системы.

В точке О система распадается на две фазы – на паровую фазу состава xn и жидкую состава хж.

Диаграмма позволяет установить также количественное соотношение между массами паровой и жидкой фаз. Масса паровой фазы так относится к массе жидкой, как ов к оа:

- правило рычага.

4) Т – x – y – диаграмма

 

T р=const

Tк a o b

 
 


0 1

xп х0 хж х, y

 

Строится при p=const и позволяет быстро определить температуру кипения и равновесные составы жидкости и пара в бинарных системах. Эта диаграмма аналогична p – x – y – диаграмме.

 

Летучее жидкое вещество – это жидкость, которая при данной температуре имеет достаточно высокое давление пара.

Летучими смесями называют растворы, когда оба компонента – летучие жидкости.

Пример: продукты переработки нефти (бензин, керосин и т.д.), каменного угля и др.

Летучие смеси разделяют на компоненты перегонкой. Перегонка основана на закономерностях общего давления пара, который находится в равновесии с раствором.

Различают два типа летучих смесей, которым соответствует два вида зависимостей – без экстремальных точек и с экстремумами.

p 2 1/ p2* 1 p1* 2 0 1 х2     T 2/ Tк1 1/ 1 2 Tк2 0 1 х2  

Основные законы перегонки и ректификации

I закон Коновалова

Пар над смесью двух летучих жидкостей относительно богаче тем из компонентов, прибавление которого к смеси повышает общее давление пара при данной температуре или понижает температуру кипения смеси при данном давлении.

Из уравнения Гиббса-Дюгема

(1)

а (2)

подставим (2) в (1) и получим уравнение Дюгема-Маргулеса:

(3)

(4)

(5)

так как (согласно закону Дальтона)

то (6)

Учитывая, что p=p1 + p2 (7)

продифференцируем (7) по х1:

(8)

Подставим dp2 из (6) в (8):

(9)

Если левая часть уравнения (9) > 0, то правая тоже должна быть > 0.

Поэтому > 0 (10)

> 0 (11)

(12)

II закон Коновалова

Экстремальные точки на кривой общее давление пара – состав пара (или на кривой температура кипения – состав раствора) отвечают растворам, состав которых одинаков с составом равновесного с ним пара.

Жидкая летучая смесь такого состава называется азеотропом. Для азеотропных точек составы жидкости и равновесного пара одинаковы.

Перепишем соотношение (9):

Если , то по крайней мере один из сомножителей в правой части должен быть равен 0.

Так как > 0 следовательно =0

и

I закон Вревского

При повышении температуры пар, находящийся в равновесии с летучей смесью постоянного состава, обогащается тем компонентом, парциальная молярная теплота которого больше.

Справедлив для летучих смесей как без азеотропа, так и с азеотропом.

Покажем, что это действительно так:

запишем уравнение Клапейрона-Клаузиуса:

(1)

(2)

где и - парциальные молярные теплоты испарения 1 и 2 компонентов

Вычтем почленно (2) из (1):

(3)

так как , то

(4)

уравнение Вревского

То есть, если > , то правая часть (4) > 0 и, следовательно, левая часть > 0 и .

II закон Вревского

В системах с максимумом на кривой давления пара при повышении температуры в азеотропной смеси возрастает относительное содержание компонента с большей парциальной молярной теплотой испарения, а в летучей смеси с минимумом на кривой давления пара изменение относительного содержания компонента обратное.

Этот закон может быть обоснован теоретически исходя из законов термодинамики растворов.

III закон Вревского

При повышении температуры в системах с максимумом на кривой давления пара состав пара, находящегося в равновесии с данной летучей смесью, и состав азеотропной смеси изменяется в одном направлении, а в системах с минимумом на кривых составы равновесного пара и азеотропа изменяются в противоположном направлении.

Этот закон является следствием I-го и II-го законов.

Перегонка жидких смесей

I. Простая перегонка

 

 

Tк

А e0

Тd d1 d0

Тb b1 b0 b2

Ta a0 a2

M B

0 y1’ y1 y0 y2 y2’ 100

B, мас.%

Рис. Диаграмма состояния жидкой летучей смеси1-го типа с неограниченной взаимной растворимостью компонентов

Вспомним правило фаз Гиббса С = К – Ф + 1

Закон равновесия фаз при постоянном давлении для двухкомпонентной летучей смеси выражается уравнением С = 3 – Ф

1) т. М – фигуративная точка (Ф=1, С=2) - жидкая летучая смесь

2) т. а0 - фигуративная точка (состав y0) – жидкость закипает, появляются первые пузырьки пара – точка а2 (состав y2/). Здесь Ф=2, С=1.

3) т. b0 - фигуративная точка (состав жидкости b1 (y1) и пара b2 (y2).

Количество летучей смеси m1 и пара m2 в системе для точки b0 определяется по правилу рычага:

, m1 + m2 = m0

где m0 – масса всей системы.

4) т. d0 - фигуративная точка - испаряются последние остатки летучей смеси (состава d1). Здесь состав пара, находящегося в равновесии с кипящей жидкостью, равен исходному составу взятой жидкости (состава y0).

5) т. e0 - фигуративная точка – система состоит из одного пара (Ф=1) того же состава (y0), что и исходная летучая смесь.

II. Фракционная перегонка летучих смесей 1-го типа (без азеотропа), состоящая из трех перегонок.

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 


Рис. Фракционная перегонка жидких летучих смесей 1-го типа: первая перегонка (а), вторая перегонка (б), третья перегонка (в)

(а) – после первой перегонки остается остаток 2 и конденсат 3. Затем приемник меняется и перегоняется остаток 2 (вторая перегонка).

(б) – перегоняется остаток 2 – получается остаток 4 и конденсат 5.

(в) – перегоняется конденсат 3 и получается остаток 6 и конденсат 7.

Итого получаются четыре фракции – 4, 5, 6 и 7.

Составы 5 и 6 близки к 1, их смешивают и повторяют перегонку (вплоть до практически чистых компонентов).

III Фракционная перегонка жидких летучих смесей 2-го типа (с азеотропом) с максимумом на кривой температуры кипения, состоящая из трех перегонок

Tk
 
 

 

 

 
 

 

 
 

 

 


Рис. Фракционная перегонка жидких летучих смесей 2-го типа: первая перегонка (а), вторая перегонка (б), третья перегонка (в)

В результате в остатке 4 – смесь, близкая к азеотропной смеси, в конденсате 7 – почти чистый компонент 1.

Существование азеотропа нежелательно, поэтому в промышленности от него избавляются.

Способы устранения азеотропа

1) Изменение внешнего давления и, следовательно, температуры кипения летучей смеси.

Пример:В системе C2H5OH – H2O при снижении давления до 100 мм рт. ст. содержание спирта в азеотропе увеличивается до 99,6% (мол.)

2) Прибавление третьего компонента

Пример: спирт + бензол, температура кипения такой смеси равна 64,90С, после отгонки бензольного раствора остается абсолютный спирт.

Ограниченная взаимная растворимость. Перегонка с водяным паром

Если положительные отклонения парциальных давлений пара раствора от закона Рауля велики и превосходят некоторую критическую величину, то возникает расслаивание раствора на две несмешивающиеся жидкие фазы разного состава (ограниченная взаимная растворимость жидкостей).

При β = 0 – раствор идеальный (зависимость - линейная)

При β > 0 – раствор обладает положительными отклонениями от закона Рауля.

 

 

p1/p*1

β крит.

1,0 а

β=0,7

β=0,5

β=0

A 0 1 B

Рис. Зависимость относительного парциального давления компонента от состава раствора

1) С уменьшением температуры β растет, отклонения увеличиваются. Наступает момент (критический), когда касательная становится горизонтальной (βкрит.). Наблюдается разрыв растворимости или ограниченная растворимость двух жидкостей.

2) С ростом температуры границы растворимости сближаются (раствор приближается к идеальному) и интервал расслаивания уменьшается. Можно достичь температуры, выше которой жидкости смешиваются во всех отношениях – это верхняя критическая температура растворения.

t, 0C

       
   
 
 

 

 


0 1

Рис. Ограниченная взаимная растворимость в системе C6H5NH2 – C6H14

Общее давление (1)

Состав пара (2)

(3)

Таким образом, малолетучая жидкость может быть переведена в пар при температуре, более низкой, чем температура ее кипения, путем совместного кипения с несмешивающейся и химически не взаимодействующей с ней жидкостью. Например, перегонка с водяным паром. Используют перегретый водяной пар (для повышения выхода продукта).

Это позволяет нагреть перегретое вещество до более высокой температуры и увеличить давление его насыщенного пара, а, следовательно, и мольную долю его в перегоняемой смеси.

Ректификация

В химической промышленности для разделения летучих смесей используют процесс ректификации. При ректификации операции конденсации и дистилляции автоматизируются. Аппараты, в которых производится ректификация, называют ректификационными колоннами. В них пар, отходящий из перегонного устройства, конденсируется. Образующаяся при конденсации жидкость стекает по контактным устройствам сверху вниз, а пар идет из куба колонны снизу вверх. При большом числе ступеней контакта можно получить практически чистые компоненты разделяемой смеси.

T

B

an'

an

a3’ a3

a1’ a1

b3’ b3

b1’ b1

a1’’

c3

A b1’’ c1

 
 


Рис. Ректификация летучей смеси




<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Решение проблемы Сохранения Союза ССР | 

Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 875. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...

Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Тактика действий нарядов полиции по предупреждению и пресечению правонарушений при проведении массовых мероприятий К особенностям проведения массовых мероприятий и факторам, влияющим на охрану общественного порядка и обеспечение общественной безопасности, можно отнести значительное количество субъектов, принимающих участие в их подготовке и проведении...

Тактические действия нарядов полиции по предупреждению и пресечению групповых нарушений общественного порядка и массовых беспорядков В целях предупреждения разрастания групповых нарушений общественного порядка (далееГНОП) в массовые беспорядки подразделения (наряды) полиции осуществляют следующие мероприятия...

Механизм действия гормонов а) Цитозольный механизм действия гормонов. По цитозольному механизму действуют гормоны 1 группы...

Этапы и алгоритм решения педагогической задачи Технология решения педагогической задачи, так же как и любая другая педагогическая технология должна соответствовать критериям концептуальности, системности, эффективности и воспроизводимости...

Понятие и структура педагогической техники Педагогическая техника представляет собой важнейший инструмент педагогической технологии, поскольку обеспечивает учителю и воспитателю возможность добиться гармонии между содержанием профессиональной деятельности и ее внешним проявлением...

Репродуктивное здоровье, как составляющая часть здоровья человека и общества   Репродуктивное здоровье – это состояние полного физического, умственного и социального благополучия при отсутствии заболеваний репродуктивной системы на всех этапах жизни человека...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия