Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht

Das Verständnis der Verteilung chemischer Komponenten sowohl in der Dampf- als auch in der Flüssigphase, die als Dampf-Flüssig-Gleichgewicht bezeichnet wird, ist für das Design, den Betrieb und die Analyse vieler technischer Prozesse von entscheidender Bedeutung. Das Dampf-Flüssig-Gleichgewicht oder VLE ist ein Zustand, in dem eine reine Komponente oder ein reines Gemisch sowohl in der Flüssig- als auch in der Dampfphase vorliegt. Die Phasen befinden sich im Gleichgewicht, was bedeutet, dass sich die makroskopischen Eigenschaften des Systems im Laufe der Zeit nicht verändert haben. Einkomponenten-VLE ist einfach zu visualisieren. Nehmen wir zum Beispiel Wasser, das sich in der Dampf- und Flüssigphase bei 100 Grad Celsius und einem atm im Gleichgewicht befindet. Oberhalb dieser Temperatur ist Wasser ein Dampf. Darunter befindet sich Wasser als Flüssigkeit. Ingenieure treffen jedoch in der Regel auf Prozesse, bei denen sich Gemische im Gleichgewicht befinden, was die Analyse von VLE komplexer und daher für die Prozessauslegung unerlässlich macht. Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien hinter dem Dampf-Flüssig-Gleichgewicht von Gemischen und zeigt, wie die VLE eines Gemisches im Labor analysiert werden kann. Abschließend werden einige Anwendungen von VLE im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik vorgestellt.

Wenn sich ein erhitztes Gemisch in einem Dampf-Flüssig-Gleichgewicht befindet, haben die Dampf- und die Flüssigphase im Allgemeinen nicht die gleiche Zusammensetzung. Die Substanz mit dem niedrigeren Siedepunkt hat eine höhere Konzentration im Dampf als die Substanz mit dem höheren Siedepunkt. Daher beziehen sich Ingenieure auf Komponenten in jeder Phase durch ihren Molenbruch, wobei xi der Molenbruch der Spezies i in der Flüssigkeit und yi der Molenbruch der Spezies i in der Dampfphase ist. Diese Beziehung wird oft mit einer xy-Kurve dargestellt, wie sie hier für eine Mischung aus zwei Komponenten gezeigt wird und die Beziehung zwischen den einzelnen Komponenten in jeder Phase veranschaulicht. Ein Ausgangspunkt für alle VLE-Berechnungen ist das einfache Gleichgewichtskriterium, bei dem die Flüchtigkeit der Spezies im Dampf der Fugazität der Spezies in der Flüssigkeit entspricht. Flüchtigkeit ist eine Eigenschaft, die mit der exponentiellen Differenz zwischen der realen und der idealen Gas-Gibbs-Energie zusammenhängt. Die Flüchtigkeit der Dampfphase ist gleich dem Molenbruch der Spezies i in der Dampfphase multipliziert mit der Dampfflüchtigkeit der reinen Komponente. Der Ausdruck kann vereinfacht werden, da die Dampfflüchtigkeit der reinen Komponente ungefähr dem Druck bei niedrigem Druck entspricht. Flüchtigkeiten in der flüssigen Phase werden in Form eines Aktivitätskoeffizienten Gamma ausgedrückt. Der Aktivitätskoeffizient ist definiert als das Verhältnis der Flüchtigkeit einer Komponente in einem tatsächlichen Gemisch zur Flüchtigkeit einer idealen Lösung derselben Zusammensetzung. Beim Sättigungsdampfdruck wäre die Flüchtigkeit der reinen Komponente Flüssigkeit gleich dem Sättigungsdampfdruck, da sich dort der reine Dampf und die Flüssigkeit im Gleichgewicht befinden. Da die Flüssigkeits- und Dampfflüchtigkeit gleich sind, können wir die Beziehung wie gezeigt, die auch als Raoult'sches Gesetz bekannt ist, weiter vereinfachen. Der Sättigungsdampfdruck wird oft mit der Antoine-Gleichung berechnet, wobei die Konstanten A, B und C speziesspezifisch sind und in der Literatur zu finden sind. Wenn wir also die Zusammensetzung des Dampfes und der Flüssigkeit messen, die sich im Gleichgewicht befinden, können wir die Aktivitätskoeffizienten direkt berechnen, indem wir Temperatur und Druck und damit den Sättigungsdampfdruck messen. In diesem Experiment wird ein ternäres Gemisch aus Methanol, Isopropylalkohol und Wasser untersucht. Verschiedene Zusammensetzungen des Gemisches werden in einer VLE-Vorrichtung gekocht und die Komponenten mit niedrigerem Siedepunkt verdampfen und in einem separaten Behälter gesammelt, während sich die Flüssigkeit wieder in das ursprüngliche Probengefäß sammelt. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, werden die flüssigen und kondensierten Dampffraktionen gesammelt und mit Gaschromatographie analysiert. Anhand der Temperatur und der Molenfraktionen von Flüssigkeit und Dampf können die Aktivitätskoeffizienten berechnet werden. Nachdem Sie nun mit den Konzepten von VLE und der Testapparatur vertraut gemacht wurden, sehen wir uns an, wie das Experiment im Labor durchgeführt wird.

Lassen Sie zunächst die Flüssigkeit aus dem System in einen Altkolben ab. Denken Sie daran, dass die Flüssigkeit möglicherweise nicht vollständig abläuft. Für den ersten Durchgang eine Mischung aus 50 % Methanol, 30 % IPA und 20 % Wasser durch die Öffnung oben hinzufügen. Schalten Sie nach dem Einfüllen der Mischung die Heizung und das Kondensatorwasser ein. Das Gerät wird etwa 20 Minuten benötigen, um sich dem Gleichgewicht zu nähern. Das System ist nun bereit, mit dem Experiment zu beginnen.

Wenn die Probe zu kochen beginnt, lösen Sie den Stopfen, um den inerten Auslass des Systems zu entlüften. Kondensierter Dampf beginnt sich zu sammeln. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, sollte ein stetiges Tropfen von kondensiertem Dampf und zurückgeführter Flüssigkeit beobachtet werden. Bei einer Temperatur von 0,3 Grad für 10 Minuten wird etwa 1/2 Milliliter Flüssigkeit in Probenfläschchen sowohl aus dem kondensierten Dampf als auch aus der siedenden Flüssigkeit gesammelt. Lassen Sie den kondensierten Dampf aus der letzten Probe ab. Geben Sie dann eine neue Probe, die entweder aus 20 Millilitern reinem Methanol oder 50-50 Methanol-Isopropanol besteht, durch den Probenanschluss. Dadurch entsteht eine neue Gesamtkomposition. Stellen Sie das Gleichgewicht wieder her, wie es zuvor durchgeführt wurde, rechnen Sie jedoch mit einem Temperaturunterschied zur vorherigen Probe. Wiederholen Sie den Äquilibrierungs- und Probenahmevorgang wie zuvor und entnehmen Sie dann die zu analysierende Probe. Setzen Sie den Versuch mit verschiedenen Mischungen der drei Komponenten fort. 12 Punkte reichen aus, um die Aktivitätskoeffizienten und die binären Wechselwirkungskoeffizienten zu bestimmen. Wenn alle Mischungen durchlaufen wurden, schalten Sie das System aus, indem Sie die Heizungen ausschalten. Wenn das Gerät zu kühlen beginnt, stellen Sie das Kondensatorwasser ab. Messen Sie abschließend die Zusammensetzung jeder Flüssigkeits- und Dampfprobe mit dem Gaschromatographen oder GC.

Berechnen Sie unter Verwendung der Systemtemperatur und der aus GC ermittelten Flüssigkeits- und Dampfmolenfraktionen die Aktivitätskoeffizienten. Dies erfordert zunächst, dass der Sättigungsdruck mit Hilfe der Antoine-Gleichung berechnet wird, wobei die Konstanten A, B und C für jede Komponente in der Literatur zu finden sind. Nun können wir die berechneten Aktivitätskoeffizienten verwenden, um die Daten mit einem Modell zu korrelieren. Wir werden die Wilson-Gleichung für eine ternäre Mischung verwenden, die Abweichungen von der Idealität in einer Mischung berücksichtigt. Die neun Lambda-Konstanten sind die Wilson-Konstanten, die gleich eins sind, wenn i gleich j ist. Für jedes ij-Paar gibt es zwei verschiedene Konstanten. Verwenden Sie eine nichtlineare Regression und eine Standardsumme der Quadrate, um die sechs verbleibenden Wilson-Konstanten anhand der Molenbruchdaten aus dem Experiment zu bestimmen. Die Wilson-Konstanten werden dann verwendet, um die erwarteten Aktivitätskoeffizienten für jede Komponente jeder Probe zu bestimmen. Hier zeigen wir den modellierten Aktivitätskoeffizienten im Vergleich zu den experimentellen Aktivitätskoeffizienten. Im Idealfall würden die modellierten und experimentellen Aktivitätskoeffizienten entlang der Linie y gleich x liegen. Wie Sie im Allgemeinen sehen können, passen die modellierten und experimentellen Werte entlang dieser Linie, was zeigt, dass das Modell gut zum realen System passt.

Das Verständnis und die Manipulation des Dampf-Flüssig-Gleichgewichts von Gemischen ist eine wichtige Komponente für eine Reihe von Prozessen, insbesondere für Trennungen. Destillationskolonnen trennen Gemische auf der Grundlage ihrer Flüchtigkeit mit unterschiedlichen Zusammensetzungen der einzelnen Komponenten in den Flüssigkeits- und Dampfsätzen auf jedem Tablett. Die flüchtigere Komponente wird am oberen Rand der Säule verdampft und gesammelt, während die weniger flüchtige Komponente flüssig bleibt und unten aufgefangen wird. Die VLE-Daten der Bestandteile des Gemisches werden verwendet, um die Anzahl der Trays zu bestimmen, die für die Trennung in einer Destillationskolonne erforderlich sind. Dies hilft den Ingenieuren, den Trennprozess zu optimieren und gleichzeitig die Betriebskosten niedrig zu halten. Eine weitere wertvolle Trenntechnik mit VLE ist die Flash-Separation. Die Blitzabscheidung beruht auf der Tatsache, dass eine Flüssigkeit mit einem Druck, der gleich oder größer als ihr Blasenpunktdruck ist, blinkt, was bedeutet, dass sie teilweise verdampft, wenn der Druck reduziert wird. Das Futter wird vorgewärmt und besteht also aus etwas Flüssigkeit und etwas Dampf im Gleichgewicht. Anschließend strömt es durch ein Druckminderventil in den Abscheider. Der Verdampfungsgrad und damit die Menge des gelösten Stoffes in der Dampf- oder Flüssigphase hängt vom Anfangszustand des Zulaufstroms ab.

Sie haben gerade Joves Einführung in das Dampf-Flüssig-Gleichgewicht gesehen. Sie sollten jetzt die Konzepte hinter VLE verstehen, wie es im Labor gemessen wird und einige seiner Anwendungen in technischen Prozessen. Danke fürs Zuschauen.