Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Равновесие в системах пар – жидкостьСтр 1 из 4Следующая ⇒
Равновесие в системах пар – жидкость Рассмотрим бинарные смеси, не взаимодействующие химически друг с другом. По правилу фаз, число степеней свободы равно: С= К-Ф+2= 2-2+2=2 Из трех независимых параметров, определяющих состояние системы (t,p,c) только две можно выбрать произвольно, при этом определяется значение третьего параметра. Поэтому для характеристики бинарных систем пользуются фазовыми диаграммами, содержащими равновесные зависимости: · Давление пара от состава жидкости: P-X (t= const); · Температура кипения и конденсации от состава жидкости и пара: T-X-Y (P=const); · Состава пара от состава жидкости: Y-X (P=const). Вид этих зависимостей, характеризующих поведение жидкой смеси, зависит, в основном, от природы веществ, их взаимной растворимости. Различают следующие смеси жидкостей: 1. С неограниченной взаимной растворимостью 2. Взаимно нерастворимые 3. Ограниченно растворимые Смеси с неограниченной взаимной растворимостью (бинарные системы) Эти смеси делятся на идеальные и реальные. Идеальные растворы характеризуются тем, что все частицы в растворе ведут себя одинаково. Для них справедливо соотношение: = = . Закон Рауля: Равновесная упругость компонента над раствором равна упругости насыщенного пара чистого компоненте, умноженной на его мольную долю в жидкости: = ; = (1- ); где: - равновесная упругость - упругость насыщенных паров чистого компонента при данной температуре (по справочникам) - мольная доля компонента. А (НКК) По закону Дальтона общее давление есть сумма парциальных давлений компонентов: П = + = + (1- ) = + ( - ) При постоянной температуре и постоянны, следовательно, , и П определяются только составом жидкости: Фазовая диаграмма Р-х
Построим фазовую диаграмму t-x-y. Очевидно, что при равновесии равновесная упругость пара над раствором равна нормальному давлению его в паре. Поэтому можно записать (по закону Дальтона): = П = П (1- ), где: - равновесная мольная доля компонента в паре, по закону Рауля: = ; отсюда: = Х; (1- )= (1- ) Диаграмма строится: X= ; Y= x При P=const, зная температуру, находят , , х, а затем у.
Нижняя ветвь отвечает температурам кипения жидкой смеси, а верхняя - температурам конденсации паровой фазы, при заданном давлении Р.
Для расчетов процесса ректификации чаще всего применяется фазовые диаграммы Y-X, где: Y – мольная доля НКК в паре, Х – мольная доля НКК в жидкости. Диаграмма Y-X строится обычно при П =const. = = = ; где: α = ; α – называется относительной летучестью (при Р = const). Таким образом, равновесная зависимость = f(x) - кривая, ≠ const ≠ const => при изменении температуры по высоте колоны (P= const, t≠const)
Положение равновесных линий обобщается законом Коновалова: Пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости повышается давление пара над ней или снижается её температура кипения. Таким образом, пар обогащается НКК, концентрация НКК в паре всегда при ректификации больше, чем в жидкости, а область, соответствующая ректификации, выше диагонали. Реальные смеси. ≠ X Реальные жидкие смеси с полной взаимной растворимостью не следуют закону Рауля. Значительные отклонения наблюдаются при высоких температурах и давлениях. В этих случаях вместо давления насыщенного пара вводят активности компонентов . По сравнению с равновесной упругостью над идеальными растворами упругость пара над реальными растворами может быть больше -> положительное отклонение от закона Рауля, меньше -> отрицательное отклонение от закона Рауля. Примеры растворов с положительным отклонением: Азот-кислород, вода-метиловый спирт, CCl4-бензол, бензол-ацетон, ацетон-этиловый спирт, вода-этиловый спирт (95,57%) С отрицательным отклонением: Вода-азотная кислота 68% вес HNO3 – азеотропная смесь), вода-хлористый водород (20% HCl – азеотроп), хлороформ-ацетон, хлороформ-бензол. Для смеси с положительным отклонением:
При положительных отклонениях разнородные молекулы взаимно притягиваются с меньшей силой, чем однородные, что облегчает переход молекул в паровую фазу (по сравнению с чистыми жидкостями). < , С отрицательным отклонением:
При отрицательных отклонениях разнородные молекулы притягиваются сильнее (химические соединения, сольватация, водородные связи), что затрудняет переход молекул в паровую фазу.
< , Для ряда смесей большие количественные отклонения от закона Рауля приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе кривая общего давления проходит через максимум или минимум. В этих точках составы паровой и жидкой фаз одинаковы (второй закон Коновалова), т.е. обогащения паровой фазы НКК не происходит. Такие растворы называются азеотропными (нераздельнокипящими). Состав их при перегонке не меняется, и они кипят при постоянной температуре.
X
x, y x, y
М – азеотропная точка Ректификация возможна для смесей: Ректификация возможна для смесей: от х = 0 до х = М от х = М до х = 1
Состав азеотропных смесей зависит от температуры (давления): эта зависимость характеризуется вторым законом Вревского: При повышении температуры азеотропной смеси, обладающей максимумом давления пара, в смеси увеличивается относительное содержание того компонента, парциальная мольная теплота испарения которого больше, а для смеси с минимумом давления пара – содержание компонента, парциальная мольная теплота испарения которого меньше. Этот закон указывает на принципиальную возможность разделения азеотропных смесей путем изменения давления при перегонке. Кроме того, разделение возможно также с помощью специальных видов ректификации, которые будут рассмотрены нами позже. Перегонка · Простая перегонка Простая перегонка (или фракционная) производится периодически, путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образовавшиеся пары отводятся и конденсируются, при этом получается несколько фракций дистиллята. Простая перегонка может производиться при атмосферном давлении и под вакуумом. При этом неконденсирующиеся газы отсасываются из приёмников вакуум-насосом. Под вакуумом разгоняют чувствительные к повышенной температуре смеси, одновременно используя греющий пар более низких параметров.
· Простая перегонка с дефлегмацией Пары, уходящие из куба, частично конденсируются в дефлегматоре, причем преимущественно конденсируются ВКК. Пары, обогащенные НКК, конденсируются в холодильнике-конденсаторе. · Перегонка в токе водяного пара (или инертного газа) Применяется с целью извлечения компонентов из смесей при небольшой летучести и при условии нерастворимости их в воде. При перегонке высококипящих веществ, нерастворимых в воде, с водяным паром температура кипения смеси будет ниже температуры кипения воды при данном давлении (при Р = 1 атм., < 100°C).
Исходная смесь загружается в куб и нагревается до температуры перегонки «глухим» паром, то есть через стенку.
Далее через барботёр подают «острый» пар. Смесь водяных паров и углеводородных паров конденсируется в холодильнике и поступают в сепаратор.
· Периодически действующая ректификационная установка
Применяются в установках небольшой производительности. Исходную смесь загружают в куб ( бинарную или многокомпонентную ). Имеются флегма, которую возвращают вверх колонны и дистиллят, который направляют в различные сборники. Ректификацию проводят до достижения определенного состава кубового остатка.
· Непрерывно действующие установки Исходная смесь непрерывно подается на питающую ( эвапорационную ) тарелку, как правило, в подогретом до температуры кипения состоянии. Питающая тарелка условно делит колонну на 2 части: верхнюю – укрепляющую (концентрационную); нижнюю – исчерпывающую (отпарную). С помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Внизу, в кубе, пар представляет собой практически чистый ВКК, по мере движения вверх он обогащается НКК. Жидкость вверху представляет собой практически чистый НКК, по мере движения вниз она обогащается ВКК. С помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости. Флегма – по составу почти чистый НКК, соответствует составу дистиллята. Поскольку в месте подачи исходного питания соотношение материальных потоков резко изменяется, материальный баланс для верхней и нижней частей колонны рассчитывается отдельно. Уравнения рабочих линий Для построения рабочих линий колонны составим материальный баланс для элемента dF: dy = Ldx. a) Верхняя часть: ; = ; Т.к. = , то: (R+1) ( -y) = R ( - x); ; Уравнение рабочей линии укрепляющей части колонны: прямая в координатах: y - x, tgα = ; B = ; b) Нижняя часть: ; Обозначим F = ; = ; (R+1) (y - ) = (R+F)(x - ); Т.к. = , то: (R +1) (y - ) = (R + F)(x - ); ; где F = ; Это уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части колонны. Построение рабочих линий на y-x диаграмме
Откладываем на оси у отрезок B = ; Зная величину R: Верх колонны: = ; Куб колонны: = ;
Вторую точку нижней рабочей линии, решая совместно систему уравнений: = + ; = + ; r wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> = ;
= f x + - f ; Из баланса для всей колонны: = + ; Заменим = и разделим на : = f ; Сравнивая уравнения, находим x = xf, т.е. линия пересечения в точке, лежащей на вертикали x f. Необходимо отметить, что рабочие линии, в отличие от абсорбции, располагаются под линией равновесия: это свидетельствует, по существу, о десорбции НКК, испарению его из жидкости. При питании насыщенными парами -> пересечение на линии yf, по колонне не меняется расход жидкости. Схема сложной колонны на примере разделения четырехкомпонентной смеси: I – III – контуры, выделяющие отдельные части сложной колонны В сущности она представляет собой простую колонне с наращенными на неё концентрационными частями последующих колонн. Отгонные части колонн выполнены в виде самостоятельных аппаратов, называемых отпарными или стриппинг-секциями. Процесс протекает следующим образом: флегма, полученная при конденсации паров вверху колонны (III), последовательно перетекает по тарелкам концентрационной части колонны (III). Достигнув последней тарелки этой колонны часть флегмы стекает дальше в колонну (II), а оставшаяся часть отбирается в отпарную секцию. Пары из этой секции возвращаются обратно в колонну (III), а компонент W 2 отводится в виде бокового продукта. Аналогичная картина наблюдается и в колонне (II). Недостатки: 1. Значительное возрастание общей высоты колонны. 2. Ухудшение четкости разделения компонентов (вследствие сложности регулирования флегмового числа в каждой части колонны). Это не так важно для нефтепродуктов, т.к. они отбираются в виде довольно широко выкипающих фракции. Экстрактивная и азеотропная ректификации Эти виды ректификации используются для разделения компонентов с очень близкими летучестями (температурами кипения), а также для разделения азеотропных смесей. В обоих случаях к исходной смеси добавляется « разделяющий агент ». Сущность метода экстрактивной ректификации заключается в том, что к исходной смеси прибавляется « разделяющий агент » с высокой температурой кипения, в котором один из разделяемых компонентов растворим хорошо, а другой – либо нерастворим, либо труднорастворим. Присутствие экстрагирующего компонента приводит к уменьшению сил притяжения частиц нерастворимого компонента в растворе по отношению к остальным частицам и, в результате, к увеличению его относительной летучести в системе. Резкое изменение летучести значительно облегчает разделение исходных компонентов, а растворитель удаляется с кубовым остатком.
При азеотропной ректификации применяют разделяющий агент, образующие с одним из компонентов новую азеотропную смесь с минимальной температурой кипения. На рисунке показано влияние добавки разделяющего агент на изменение относительной летучести компонентов бинарной смеси: Экстрактивной ректификации (на примере разделения бензола и циклогексана в присутствии разделяющего агента – фенола ). Фенол хорошо растворяет циклогексан и превращает его в ВКК.
Процесс проводится в двух колоннах: ректификационной (1) и отгонной (2). А – бензол; В – циклогексан; С – фенол.
При азеотропной ректификации применяют растворители, образующие с одним из компонентов новую азеотропную смесь с минимальной температурой кипения. Например, для получения безводного (абсолютного) этилового спирта из его азеотропной смеси с водой применяют в качества такого растворителя бензол, образующий с водой новую азеотропную смесь с более низкой температурой кипения (63°С). В результате этого вода с бензолом переходят в дистиллят (т.е. растворитель-бензол удаляется с дистиллятом, а в кубовом остатке получается безводный спирт). Поле этого бензол отделяется от воды отстаиванием. А – вода; В – этиловый спирт; С - бензол. Графическая ошибка в работе сепаратора 2! Если же растворитель и отогнанный компонент взаиморастворимы, то полученный дистиллят подвергают разделению в отдельной колонне, в которой в кубовом остатке получают компонент, а в дистилляте – азеотропную смесь этого компонента с растворителем, которую возвращают в первую колонну.
Основным преимуществом экстрактивной ректификации перед азеотропной является меньший расход тепла, т.к. при экстрактивной ректификации не требуется испарять растворитель.
Можно также применять большое число растворителей.
Материальный баланс F=W+P (1) По НКК: F = W + P ; заменяя P=F-W получаем: F( (2) W = F Из уравнений (1) и (2) можно найти P и W по выбранным концентрациям .
Материальный баланс F=W+P По легколетучему компоненту: F = F + W ; заменяя W=F- P F( > Можно вычислить P и W по выбранным концентрациям . Эти колонны применяются в криогенной технике для разделения воздуха.
Одноколонный аппарат: Куб обогревается сжатым воздухом, а исходная смесь подается на верх колонны. Продукты: чистый кислород, а также азот с примесью (7-10%). При такой организации разделения воздуха большие потери кислорода ( его уходит с азотом). Двухколонный аппарат:
Аппарат двойной ректификации состоит из двух колонн, орошаемых азотной флегмой. Температура кипения (конденсации) при различных давлениях → в табл.
Воздух поступает в змеевик. Смесь в кубе имеет температуру -173° и кипит. Воздух охлаждается и частично конденсируется, далее оросселируется и подается в нижнюю колонну. В парах содержится 95% , в кубе 35-45% .
Равновесие в системах пар – жидкость Рассмотрим бинарные смеси, не взаимодействующие химически друг с другом. По правилу фаз, число степеней свободы равно: С= К-Ф+2= 2-2+2=2 Из трех независимых параметров, определяющих состояние системы (t,p,c) только две можно выбрать произвольно, при этом определяется значение третьего параметра. Поэтому для характеристики бинарных систем пользуются фазовыми диаграммами, содержащими равновесные зависимости: · Давление пара от состава жидкости: P-X (t= const); · Температура кипения и конденсации от состава жидкости и пара: T-X-Y (P=const); · Состава пара от состава жидкости: Y-X (P=const). Вид этих зависимостей, характеризующих поведение жидкой смеси, зависит, в основном, от природы веществ, их взаимной растворимости. Различают следующие смеси жидкостей: 1. С неограниченной взаимной растворимостью 2. Взаимно нерастворимые 3. Ограниченно растворимые
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-02-07; просмотров: 1153; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.225.55.198 (0.181 с.) |