2.6. Процесс фазового перехода в системах “жидкость-пар”  .

2. 6. Процесс фазового перехода в системах “жидкость-пар”  .

 

Рассмотрим подробнее процесс кипения раствора (фазового перехода жидкость – пар) на диаграмме кипения при р – const.

Пусть имеется раствор, определенного состава, характеризующийся точкой N ( Ф=1; С=2 ). Представим, что эта жидкость постепенно нагревается. Этому процессу соответствует перемещение фигуративной точки по вертикальной прямой NL до пересечения с кривой жидкости. В точке L, лежащей на кривой жидкости, при температуре Т₁ давление пара летучей смеси достигает внешнего давления и начинается фазовый переход – жидкость закипает, т. е. появляются первые пузырьки насыщенного пара, состав которого определяется по кривой пара при данной температуре. Для этого проводим конноду LV до пересечения с кривой пара. Точка V характеризует состав равновесного пара над закипающей жидкостью. При этом система уже состоит из двух фаз ( Ф=2; С=1 ).

Поскольку содержание компонента В в паре больше по сравнению с раствором, то в процессе кипения содержание его в растворе уменьшается, а температура кипения повышается.

Дальнейшее повышение температуры на диаграмме отражается смещением фигуративной точки суммарного состава всей смеси вверх по той же вертикали, а точки, отражающие составы жидкого кипящего раствора и насыщенного пара над ним смещаются соответственно по кривым жидкости и пара. Количество жидкости уменьшается, а количество пара возрастает. При температуре Т₂ cуммарный состав смеси отражается точкой N₁; состав кипящей жидкости характеризуется точкой L₁, состав пара – точкой V₁. Отношение количества жидкости и пара согласно правилу рычага обратно пропорционально отношению отрезков конноды при температуре Т₂: L₁N₁ и N₁V₁.

При температуре Т₃ жидкость полностью переходит в пар (последние капли жидкости имеют состав, отвечающий точке L₂ ). Дальнейшее повышение температуры не изменяет фазового состояния системы.

 

2. 7. Процесс дистилляции и ректификации.

 

Различие в составах газообразной и жидкой фаз позволяет использовать процессы испарения и конденсации для разделения (дистилляции) жидких смесей на чистые вещества в промышленной и лабораторной практике.

 

Рассмотрим фракционную перегонку летучих смесей без азеотропа, состоящую из трех перегонок (рис. 2. 15. ). Исходная смесь состава 1 нагревается в сосуде. Пары, проходя через холодильник, конденсируются и конденсат стекает в приемник. Летучая смесь перегоняется в три приема.

При кипении летучей смеси 1 (рис. 2. 15 а) в приемнике сначала собирается конденсата состава 1^/. Пар обогащен компонентом В по сравнению с исходным раствором 1. В процессе кипения исходная летучая смесь обогащается компонентом А, состав раствора меняется и к концу первой перегонки характеризуется на графике точкой 2, а равновесный состав пара – точкой 2^/. Состав пара (и соответственно конденсата) в процессе перегонки непрерывно меняется от состава 1^/ до состава 2^/ , при этом в конденсате получается смесь некоторого среднего состава 3, соответствующего среднему составу пара 3^/. Таким образом, после первой перегонки из исходной смеси 1 получается остаток 2 и конденсат 3.

Затем приемник меняется ( 2 -ая перегонка) и продолжается перегонка остатка 2. При этом получаются остаток 4 и конденсат 5 (рис. 2. 15б).

При перегонке конденсата 3 ( 3 -я перегонка) получаются остаток 6 и конденсат 7 (рис. 2. 15в).

В итоге после трех перегонок из исходного раствора получаются четыре фракции ( 4, 5, 6 и 7 ). Как видно из рисунка раствор 4 имеет состав, близкий к компоненту А, а 7 – к компоненту В. Растворы 5 и 6 имеют составы, близкие к исходной летучей смеси 1; их смешивают и снова повторяют фракционную перегонку.

В результате фракционной перегонки можно разогнать исходную смесь 1 на практически чистые компоненты.

 

В промышленности и в лабораторных условиях обычно используют так называемую ректификацию. При ректификации операции конденсации и дистилляции автоматизируются. Процесс этот реализуется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами.

Ректификация — сложный, неравновесный процесс, в ходе которого происходит непрерывный обмен веществом между находящимися в постоянном контакте друг с другом потоками жидкости и пара.

В таких колоннах пар от кипящего раствора поднимается вверх и встречает на своем пути стекающую жидкость, образующуюся при конденсации пара (так называемую) флегму.

Составы и температуры кипения, вступающих в контакт потоков неравновесны. Стремление к достижению фазового равновесия является движущей силой процесса перераспределения масс компонентов между паром и жидкостью. При этом пар обогащается более летучим, а жидкость менее летучим компонентом.

Очевидно, что чем больше поверхность контакта фаз и длительность контакта, тем полнее разделяются вещества.

Поэтому при конструировании ректификационных аппаратов обычно стремятся к созданию как можно более развитой поверхности контакта между паром и жидкостью.

Это достигается с помощью особых устройств, так называемых тарелок различной конструкции, на которых встречаются неравновесные потоки обеих фаз. При достаточно большом числе ступеней контакта можно получить практически чистые компоненты разделяемой смеси.

 

При наличии в системе азеотропа разделение раствора на чистые компоненты путем перегонки или ректификации невозможно, т. к. составы пара и жидкости в случае экстремума р и T одинаковы и массообмен между фазами отсутствует.

Если система имеет минимум на кривой зависимости T_{кипения} от состава, то из растворов, в которых концентрация легколетучего компонента меньше, чем в азеотропе (точки слева от точки состава азеотропа), в результате ректификации можно получить дистиллят, практически равный по составу азеотропа, а в кубе − чистый труднолетучий компонент.

Из растворов, в которых концентрация легколетучего компонента больше, чем в азеотропе (точки справа от точки состава азеотропа), путем ректификации можно получить также дистиллят, близкий по составу к азеотропу, а в кубе − низкокипящий компонент.

В процессе ректификации точка состава кубовой жидкости, расположенная слева от азеотропа, смещается к началу координат, первым погоном при достаточном числе тарелок является азеотроп. Справа от азеотропа при таком же составе начального дистиллята точка состава кубовой жидкости сдвигается в сторону чистого легколетучего компонента.

Если система имеет максимум на кривой зависимости T_{кипения} от состава, то из растворов в которых концентрация легколетучего компонента меньше, чем в азеотропе, при ректификации с достаточным числом тарелок может быть получен в дистилляте чистый труднолетучий компонент, а в кубе − азеотропный раствор.

Из растворов, в которых концентрация легколетучего компонента больше, чем в азеотропе, путем ректификации можно получить в дистилляте чистый легколетучий компонент, а в кубе − также азеотропный раствор.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: