Двухкомпонентные диаграммы состояния жидкость-газ

Краткие теоретические сведения

Общая информация

Неконденсированные системы изучают с помощью как изобарических сечений диаграмм их состояния (в координатах температура и состав), так и изотермических сечений в координатах давление - состав. В уравнении, определяющем число степеней свободы системы по правилу фаз Гиббса, число внешних переменных уменьшается до единицы . Максимальное число фаз, находящихся в равновесии в таких системах, не превышает трех, системы с двумя фазами имеют одну степень свободы, а с одной - две степени свободы.

Типовые диаграммы состояния

Рис. 1. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов, без точек азеотропа

 

Точка	Исходный состав, % В	Кол-во фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное кол-во фаз, %	Температура конденсации	Число степеней свободы
Т Н	Т K
X			Ж		37,5			2-2+1=1
Г		62,5

Рис. 2. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов и нижним азеотропом

 

Точка	Исходный состав, % В	Кол-во фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное кол-во фаз, %	Температура конденсации	Число степеней свободы
Т Н	Т K
			Ж		Ж=Г			2-2+1=1
Г

Рис. 3. Диаграмма с областями полной и частичной растворимостью жидкостей

 

Точка	Исходный состав системы, % В	Кол-во фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное кол-во фаз, %	Температура конденсации	Число степеней свободы F=K-Ф+1
Т Н	Т K
			ж1					2-2+1=1
ж2

Рис. 4. Диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов, полной растворимости нет

 

Точка	Исходный состав системы, % В	Кол-во фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное кол-во фаз, %	Температура конденсации	Число степеней свободы F=K-Ф+1
Т Н	Т K
			Ж1		Ж1=Ж2=Г			2-3+1=0
Г
Ж2

 

Порядок рассмотрения диаграммы

1. Перечертить диаграмму, соблюдая топологию, в заданном масштабе.

2. Дать общую характеристику диаграммы.

3. Отметить линию газа, линию жидкости, линии растворимости компонентов; написать равновесия на линиях.

4. Обозначить поля диаграммы греческими или римскими цифрами.

5. Указать фазовый состав полей диаграммы.

6. Описать значимые точки диаграммы (точки кипения компонентов, точки азеотропа, точки Алексеева): указать температуру, состав, уравнение равновесия.

7. Рассмотреть свойства систем, заданных соответствующими фигуративными точками и заполнить таблицу

Точка	Исходный состав, % В	Кол-во фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное кол-во фаз, %	Температура конденсации	Число степеней свободы
Т Н	Т K

Примеры решения задач

Пример 21. Обозначить поля диаграммы (рис. 5), дать характеристику компонентов системы. Описать путь конденсации системы, содержащей 45 % компонента В (точка М), заполнить таблицу.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы пентан – гептан.

Решение. 1. Пронумеровать поля диаграммы (обычно – римскими цифрами).

2. Дать наименование полей диаграммы. Поле I – газ (пар); поле II – пар + жидкость; поле III – жидкость.

3. Дать характеристику диаграммы. Двухкомпонентная неконденсированная система с неограниченной растворимостью компонентов в жидкой фазе.

4. Путь конденсации системы – вертикальная пунктирная линия вниз от точки М (рис. 6), на которой отмечены фигуративные точки М ', М '', М ''', соответствующие началу процесса (М '), образованию двухфазной системы (М '') и окончанию конденсации (М ''').

Рис. 6. Решение примера 1.

 

5. Таблица

Точка	Исходный состав системы, % В	Кол-во фаз в точке	Наим. фаз	Состав каждой фазы, % В	Относит. кол-во фаз, %	Температура конденсации	F
ТН	ТK
М			Г
М '			Г		Г=Ж
Ж
М ''			Г
Ж
М '''			Г		Г=Ж
Ж

 

6. Определить состав системы в точке М, для чего следует опустить перпендикуляр от точки М на ось составов. Состав точки М – 45 % гептана C₇H₁₆ – компонента В. Он же будет общим составом системы для всех остальных точек. Точка М находится в поле I, следовательно, число фаз – 1 шт. Наименование фазы – пар; состав совпадает с общим составом системы.

7. Температуру начала конденсации определить по месту пересечения перпендикуляра из точки М и линии газа (граничной линии между полем I и II) – точка М '. От точки М ' провести горизонталь на ось температур. Температура начала конденсации равна 78°С. Она остается одинаковой для всех рассматриваемых точек.

8. Определить число степеней свободы в точке М:

.

9. Определить фазовый состав в точке М '. Точка М ' находится на линии конденсации, следовательно, количество фаз – 2 шт.: газ и жидкость.

10. Определить состав жидкости в точке М ', для чего от этой точки провести ноду до пересечения с линией жидкости (или линией испарения) и от точки пересечения опустить перпендикуляр на ось составов (позиция Ж _М' на рис. 6). Состав жидкости – 82 % C₇H₁₆.

11. Определить относительное количество фаз в точке М ': так как М ' находится на линии равновесия между двумя фазами, то относительное их количество не определяется. В такой ситуации следует записать уравнение равновесия. В данном случае – Ж = Г.

12. Определить число степеней свободы в точке М ':

.

13. Определить фазовый состав точки М '', которая находится в поле II, следовательно, число фаз – 2 шт.: жидкость и газ.

14. Определить состав жидкости и газа в точке М '': провести ноду до пересечения с линий испарения (точка X) с одной стороны и с линией конденсации (точка Y) с другой стороны. От точек пересечения опустить перпендикуляры на ось составов. Перпендикуляр от линии конденсации определяет состав газа (27 % гептана – точка Г _{М ''} на рис. 6), от линии испарения – состав жидкой фазы (69 % гептана – точка Ж _{М ''} на рис. 6).

15. Определить относительное количество фаз в точке М ''. В соответствии с правилом рычага

45%; 55 %.

16. Определить число степеней свободы в точке М '':

.

17. Температуру завершения процесса конденсации определить по месту пересечения перпендикуляра из точки М с линией испарения – точка М '''. От точки М ''' провести горизонталь на ось температур. Температура завершения конденсации равна 51°С. Она остается одинаковой для всех рассматриваемых точек.

18. Определить фазовый состав в точке М '''. Точка М ''' находится на линии испарения, следовательно, количество фаз – 2 шт.: газ и жидкость.

19. Определить состав пара в точке М ''', для этого от этой точки провести ноду до пересечения с линией конденсации и от этой точки опустить перпендикуляр на ось составов (позиция Г _{М '''} на рис. 6). Состав пара – 13 % C₇H₁₆.

20. Определить относительное количество фаз в точке М ''': так как М ''' находится на линии равновесия между двумя фазами, то относительное их количество не определяется. В такой ситуации следует записать уравнение равновесия. В данном случае – Ж = Г.

21. Определить число степеней свободы в точке М ''':

.

Пример 22. Обозначить поля диаграммы (рис. 7), дать характеристику компонентов системы. Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 25 % анилина при охлаждении ее от 170 до 60°С с интервалом 40°С. Нанести на диаграмму соответствующие фигуративные точки систем и фаз, заполнить таблицу.

Рис. 7. Диаграмма состояния вода – этаноламин.

Решение. 1. Пронумеровать поля диаграммы (обычно – римскими цифрами).

2. Дать наименование полей диаграммы: поле I – жидкость (пар); поле II – область расслоения двух жидкостей.

3. Дать характеристику диаграммы: двухкомпонентная неконденсированная система с ограниченной растворимостью компонентов в жидкой фазе.

4. Отметить исследуемый состав системы, соответствующий содержанию анилина C₂H₅NH₂ 25 % и отметить фигуративные точки N, N ', N '', соответствующие заданному температурному интервалу.

Рис. 8. Решение примера 2.

5. Определить фазовый состав в каждой точке. Точка N принадлежит к полю I, следовательно, количество фаз – 1 шт. – жидкость, содержащая 25 % анилина. Точки N ' и N '' принадлежат полю II, где происходит расслаивание системы на две жидкости разного состава, следовательно, количество фаз – 2 шт. Состав жидкостей зависит от температуры.

6. Определить состав расслаивающихся жидкостей в точках N ' и N '', как показано на рис. 8 и зафиксировано в табл. 2. При этом следует учитывать, что жидкость 1 представляет насыщенный раствор анилина в воде, а жидкость 2 – раствор воды в анилине. Соответственно точки X и P отображают состав Ж₁, а точки Y и R – состав жидкости 2.

7. Пользуясь правилом рычага, определить относительное количество каждой фазы.

Для точки N ': 80 %; 20 %.

Для точки N '': 75 %; 25 %.

Точка	Исходный состав системы, % В	Количество фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относит. количество фаз, %
N			Ж
N '			Ж1
Ж2
N ''			Ж1
Ж2

 

Задачи для решения

8.3.1. Расшифровать диаграмму состояния «жидкость-газ», как в примере 21.

141.

Рис. 9. Диаграмма состояния вода – азотная кислота.

142.

Рис. 10. Диаграмма состояния уксусная кислота – азотная кислота.

143.

Рис. 11. Диаграмма состояния вода – фтороводород.

 

144.

Рис. 12. Диаграмма состояния фурфурол-вода.

145.

Рис. 13. Диаграмма состояния бутанол-1 – вода.

146.

Рис. 14. Диаграмма состояния изобутиловый спирт – вода.

147.

Рис. 15. Диаграмма состояния пентанол-вода

 

 

148.

Рис. 16. Диаграмма состояния метил-ацетат – сероуглерод.

149.

Рис. 17. Диаграмма состояния четырёххлористый углерод – метанол.

150.

Рис. 18. Диаграмма состояния бензол – метанол, полученная при давлении 0,9 атм.

151.

Рис. 19. Диаграмма состояния бензол – метанол.

 

152.

Рис. 20. Диаграмма состояния бензол – диметиловый эфир

153.

Рис. 21. Диаграмма состояния метанол – диметиловый эфир.

154.

Рис. 22. Диаграмма состояния хлороформ – метилацетат.

155.

Рис. 23. Диаграмма состояния хлороформ – метилацетат.

 

156.

Рис. 24. Диаграмма состояния вода – пропанол-1.

157.

Рис. 25. Диаграмма состояния бутилацетат – диэтиловый эфир.

158.

Рис. 26. Диаграмма состояния бутилацетат – диэтиловый эфир.

159.

Рис. 27. Диаграмма состояния бутилацетат – диэтиловый эфир.

160.

Рис. 28. Диаграмма состояния метанол – хлороформ.

 

8.3.2. Расшифровать диаграмму состояния «жидкость-жидкость», как в примере 22.

161. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 29) при охлаждении от 160 до 40 °С с интервалом 40 °С.

162. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 29) при охлаждении от 160 до 40 °С с интервалом 40 °С.

Рис. 29. Диаграмма состояния вода – 2,6-диметилпиридин.

163. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 30) при охлаждении от 120 до 0 °С с интервалом 40 °С.

164. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 30) при охлаждении от 120 до 0 °С с интервалом 40 °С.

Рис. 30. Диаграмма состояния вода – 2,4,6-триметилпиридин.

165. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 31) при охлаждении от 120 до 0 °С с интервалом 40 °С.

166. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 31) при охлаждении от 120 до 0 °С с интервалом 40 °С.

Рис. 31. Диаграмма состояния фенол – вода.

167. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 32) при охлаждении от 140 до 40 °С с интервалом 20 °С.

168. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 32) при охлаждении от 140 до 40 °С с интервалом 20 °С.

Рис. 32. Диаграмма состояния никотин – вода.

169. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 33) при охлаждении от 160 до 40 °С с интервалом 40 °С.

170. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 33) при охлаждении от 160 до 40 °С с интервалом 40 °С.

Рис. 33. Диаграмма состояния вода – анилин.

171. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 34) при охлаждении от 600 до 400 °С с интервалом 50 °С.

172. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 34) при охлаждении от 600 до 400 °С с интервалом 50 °С.

Рис. 34. Диаграмма состояния галлий – таллий.

173. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 35) при охлаждении от 2800 до 2300 °С с интервалом 100 °С.

174. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 35) при охлаждении от 2800 до 2300 °С с интервалом 100 °С.

Рис. 35. Диаграмма состояния иттрий – ванадий.

175. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 36) при охлаждении от 2300 до 1700 °С с интервалом 100 °С.

176. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 36) при охлаждении от 2300 до 1700 °С с интервалом 100 °С.

Рис. 36. Диаграмма состояния хром – свинец.

177. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 37) при охлаждении от 600 до 400 °С с интервалом 100 °С.

178. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 37) при охлаждении от 600 до 400 °С с интервалом 100 °С.

Рис. 37. Диаграмма состояния галлий – свинец.

179. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 1, рис. 38) при охлаждении от 1050 до 850 °С с интервалом 50 °С.

180. Определить изменение состава и количества фаз в системе (точка 2, рис. 38) при охлаждении от 1050 до 850 °С с интервалом 50 °С.

Рис. 38. Диаграмма состояния алюминий – висмут.