Исследование равновесия в системе газ-жидкость

       Системы «газ-жидкость» широко распространены в технологии неорганических веществ. К ним относятся газоочистка, разделение газовых смесей, абсорбция и десорбция в производстве серной и азотной кислот, аммонизация и карбонизация растворов в производстве удобрений и солей.

Процессы, протекающие в системе «газ-жидкость», условно можно разделить на две группы:

• процессы, в которых участвуют три компонента: собственно распределяемое вещество и два вещества, практически не переходящие из фазы в фазу. Примером такой системы является поглощение углекислого газа из воздуха раствором щелочи, в каждой из этих присутствует носитель. В первом случае – воздух, во втором – вода.
• К другой группе относятся процессы, в которых ни одно из веществ не может считаться сосредоточенным в одной фазе. Примером таких систем является сжиженный воздух, подвергаемый низкотемпературной ректификации. Разделение азота и кислорода, основных компонентов воздуха, происходит за счет разницы температур кипения: температура кипения азота составляет – 195,8°С, кислорода -182,9°С. При ректификации получаемый азот содержит примесь кислорода и наоборот, поэтому перечисленные три фазы присутствуют в обе их фазах. Рассчитаем по правилу Гиббса число степеней свободы для этой системы:

У = К – Ф + 2 = 2- 2 +2 = 2.

Это означает, что при постоянном давлении равновесные концентрации С_Ж  и С_Г установятся при определенной температуре.

 

       Для идеальных газожидкостных систем равновесие описывается законами Рауля и Дальтона. Однако в реальных производственных условиях практически не существует идеальных систем, поэтому равновесные соотношения «жидкость – газ (пар)» могут быть определены только экспериментальным путем.

Исследование равновесия в системе «газ-жидкость»

статическим методом

Простейшим методом изучения равновесия в этой системе является дистилляционный. Суть метода состоит в следующем.

 

 

 

Из куба, имеющего большой объем, отбирается на анализ небольшое количество пара (при разделении смесей берут малый объем). Объем отбираемой пробы должен быть минимальным, так как отбор больших количеств вносит неточности при проведении исследований.

 Недостатки метод:

• значительный расход веществ для проведения исследования;
• на анализ необходимо отбирать только очень небольшую пробу конденсата, поскольку необходимо, чтобы состав жидкой фазы остался без изменения;
• относительно продолжительное время для установления равновесия (1-3 часа);
• большую погрешность вызывает конденсация пара на холодных стенках перегонного куба в начале опыта;
• неравномерность процесса кипения жидкости в кубе, что сопровождается толчками вследствие самоиспарения жидкости. Это явление обусловлено отсутствием центров парообразования на гладкой поверхности стекла. Следует помнить, что неравномерность кипения возрастает с увеличением поверхностного натяжения жидкости.

Этот метод причислен к раритетным и практически не применяется.

 

В настоящее время для исследования равновесия в системе «газ-жидкость» используется циркуляционный метод.

 

 

 

           

 

 

Перегонный куб заполняют на 1/5 высоты жидкостью и доводят до кипения. Обогрев куба может производится с помощью газовой горелки, наружного или внутреннего электронагревателя. Образующийся пар поступает в паровую трубку, затем проходит к холодильнику, оттуда после полной конденсации поступает в приемник. Пары, окружающие паровую трубку, предотвращают частичную конденсацию на стенках. Первые порции дистиллята промывают приемник и кран для отбора проб и их сливают, после чего конденсат собирают в приемник. Во время опыта температура непрерывно повышается, вследствие этого кубовая жидкость обедняется легколетучим компонентом. После заполнения приемника конденсат через затвор поступает в перегонный куб, после чего температура падает. После многократного обмена содержимого приемника достигается равновесное состояние, при котором фазовые составы жидкости и дистиллята не изменяются. В среднем процесс установления равновесия занимает от 30 до 60 мин. Также равновесное состояние характеризуется постоянством температуры.

Источники ошибок:

•     В трубке, отводящей пар к холодильнику, необходимо предотвращать частичную конденсацию пара. Особенно это актуально для высококипящих систем. Особое внимание необходимо уделять теплоизоляции верхней части прибора или проводить дополнительный обогрев с помощью электрической спирали;

•     Необходимо избегать перегрева стенок куба, так как это приводит к полному испарению капелек, разбрызганных по стенкам и нарушению равновесия. Как правило, в этом случае достаточно просто обеспечить перемешивание жидкости (добавить «кипелки»);

•     Следует помнить, что температура измеренная в паровой фазе, не всегда соответствует истинной температуре кипения.

 

Прибор Бушмакена

 

В данном приборе использован тот же принцип, что в приборе Отмера, - термостатирование пространства, по которому отбираются пары кипящей жидкости с помощью этих же паров.

Принципиальное отличие от вышерассмотренной установки - термостатирование производится движущимся потоком пара.

Пробы жидкости и конденсата пара могут отбираться при работающем приборе или после его остановки и охлаждения. В первом случае пробу следует отбирать в охлаждаемый сосуд

Определение равновесия при высоких давлениях

Установки для работы при высоких давлениях выполняются из нержавеющей стали, краны заменяются вентилями для высоких давлений.

Методика работы и основные части аналогичны оборудованию, предназначенному для работы при обычном и пониженном давлениях.

       Куб прибора представляет собой цилиндрический сосуд 1, снабженный выносным кипятильником 2. По внутренней трубке 3, в которую помещен термометр 4, пар поступает в конденсатор 5. Конденсат стекает в приемник 6, соединенный с охлаждаемым гидравлическим затвором 7, который необходим для поддержания постоянного уровня жидкости в приемнике конденсата. Давление в приборе создается с помощью инертного газа. После установления равновесия пробы жидкой и паровой фаз отбираются с помощью вентилей 10 и 11.

 

 

 

При проведении исследований при повышенном давлении необходимо учитывать тот факт, что растворимость газов увеличивается с повышением давления.

Даже при весьма тщательном контроле измерений давления и температуры может иметь место несоответствие результатов, полученных разными исследователями. До настоящего времени не создан прибор, позволяющий получать достоверные результаты для разных систем. Большинство новейших приборов позволяют достигнуть точности, достаточной для проведения необходимых расчетов. Одним из путей повышения точности является проведение измерений концентраций без отбора жидкости в кубе или конденсата в паре. В последнее время применяется проточный рефрактометр. Благодаря его использованию время достижения равновесия сократилось до 10 мин, в то время как при использовании циркуляционного прибора Отмера оно составляло несколько часов.

 

ЛЕКЦИЯ № 6