Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht

Vapor-liquid Equilibrium

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Chemical Engineering

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Vapor-liquid Equilibrium

4.3: Viscosity of Propylene Glycol Solutions

4.13: Kinetics of Addition Polymerization to Polydimethylsiloxane

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11:32 min

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April 11, 2017

Overview

Quelle: Michael G. Benton und Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana Landesuniversität, Baton Rouge, LA

Dampfflüssigkeit Gleichgewicht ist in technischen Anwendungen wie Destillation, Umgebungsmodellierung und allgemeine Prozessgestaltung von größter Bedeutung. Verständnis der Interaktionen der Komponenten in einer Mischung ist sehr wichtig in der Entwicklung, Betrieb und analysieren diese Separatoren. Der Aktivität-Koeffizient ist ein ausgezeichnetes Werkzeug für im Zusammenhang mit molekularen Wechselwirkungen zu Mischungszusammensetzung. Finden die molekulare Interaktion Parameter ermöglicht zukünftige Vorhersage der Tätigkeit Koeffizienten für eine Mischung mit Hilfe eines Modells.

Dampfflüssigkeit Gleichgewicht ist ein kritischer Faktor für gemeinsame Prozesse in der chemischen Industrie, wie die Destillation. Destillation ist der Prozess der Trennung von Flüssigkeiten durch ihren Siedepunkt. Eine flüssige Mischung in einer Destillationseinheit oder Spalte gefüttert, dann gekocht. Dampfflüssigkeit Gleichgewichtsdaten eignet sich zum bestimmende wie Flüssigkeitsgemischen trennen werden. Da die Flüssigkeiten unterschiedliche Siedepunkte haben, wird eine Flüssigkeit in Dampf kochen und steigen in der Spalte, während die andere als Flüssigkeit bleiben und durch das Gerät entleeren. Der Prozess ist sehr wichtig in den unterschiedlichsten Branchen.

In diesem Experiment die Tätigkeit Koeffizienten der Mischungen unterschiedlicher Zusammensetzung von Methanol, Isopropanol und deionisiertes Wasser erhält man mit einem Dampfflüssigkeit Gleichgewicht Gerät und Gaschromatographen. Zusätzlich werden die binäre Interaktion Parameter des Systems mit Wilsons Gleichung und die Tätigkeit Koeffizienten bestimmt werden.

Principles

Dampfflüssigkeit Gleichgewicht ist ein Zustand, in dem eine reine Komponente oder Mischung in Flüssigkeit und Dampf Phasen mit mechanischen und thermischen Gleichgewicht und kein net Stoffaustausch zwischen den beiden Phasen vorhanden ist. Dampf und Flüssigkeit werden durch Schwerkraft und Hitze (Abbildung 1) getrennt. Die flüssige Mischung wird in das System eingefügt, die in einem Vakuum Zustand mit einer Vakuumpumpe genommen wird. Der Dampf wird kondensiert und zum Mischen mit der Flüssigkeit, die dann zurück in die kochende Kammer übergeben wird zurückgegeben. Unterschiede in der Siedepunkt resultiert eine Trennung des Gemisches. Der Siedepunkt des Wassers ist höher als die der zusätzlichen Komponenten, so dass die flüchtigen Bestandteile beginnen zu verdampfen.

Abbildung 1: Darstellung des Apparates

Eine Tätigkeit Koeffizient ist definiert als das Verhältnis der Vergänglichkeit einer Komponente in einer tatsächlichen Mischung, die Vergänglichkeit eine ideale Lösung für die gleiche Zusammensetzung. Vergänglichkeit ist eine Eigenschaft verwendet, um Unterschiede zwischen chemischen Potentialen bei standard Staaten zeigen. Vapor Phase Fugacities in Bezug auf die Vergänglichkeit Koeffizienten ausgedrückt werden können [φ: f_ich^V = φ_ich y_ich f_ich^0V ], mit y_ich = ich Mol Bruchteil in der Dampfphase und f_ich^0V = Dampf-Standard Vergänglichkeit der Staat (die Vergänglichkeit der reinen Komponente Dampf bei T und P). Für niedrige Drücke, wie dieses Experiment, φ_ich = 1 und f_ich^0V = P. Liquid Phase Fugacities eine Tätigkeit Koeffizient γ_ichausgedrückt werden können: f_ich^L = γ_i x_ich f_ich ^{0 L} , mit x_ich = Mol Teil i in der flüssigen Phase, und f_ich^{0 L} = standard flüssig Vergänglichkeit.

Bei der Sättigungsdruck (P_ich^s) von diesem T wäre der reinen Komponente flüssig Vergänglichkeit P_i^s, da die reine Dampf und Flüssigkeit im Gleichgewicht sind. Da flüssige Fugacities nur schwache Funktionen des Drucks sind, können wir die reinen Komponente flüssig Vergänglichkeit T und P (f_ich^{0 L}) als P_ich^s, annähern, solange der Unterschied zwischen P_ich^s und P nicht groß ist. Diese Annäherung ist in der Regel “vernachlässigen die Poynting-Korrektur” genannt. Wenn Experimentatoren ein VLE-Gerät verwenden, um die Kompositionen von Dampf und Flüssigkeit zu messen, die im Gleichgewicht sind, Experimentatoren können direkt berechnen die Tätigkeit Koeffizienten zur Maßnahme auch P und T. T muss gemessen werden, um festzustellen, P_ich^Sfür alle ich.

Das Herz des Geräts VLE, in dieses Experiment verwendet, um Kompositionen von Mischungen, zu bestimmen ist eine Cottrell-Pumpe, die “kochende Flüssigkeit in eine gut isolierte Gleichgewicht Kammer spuckt”. Zwei magnetisch betätigten Probenahme-Ventile ermöglichen nach Abzug der flüssigen und kondensierten Dampf Proben. Ein großes Reservoir hilft, um Druckstöße im System als die on / off Ventil Steuerschalter und von Schwankungen durch die Cottrell-Pumpe zu dämpfen. Ein langsames Leck kann verwendet werden, um ein Gleichgewicht zwischen dem Kurs des Entzugs der Luft und die Rate für die Eingabe der Luft, um einen konstanten Druck, erhalten nach Bedarf erstellen.

Eine vergleichbare Möglichkeit für Dampfflüssigkeit Gleichgewicht zu lösen ist, eine Vielzahl von Modellen verwenden. Raoult Gesetz, Dalton Gesetz und das Gesetz von Henry sind alle theoretischen Modellen, die die Dampfflüssigkeit Gleichgewicht Konzentrationsdaten finden können. Alle drei Modelle beziehen sich auf die Verhältnismäßigkeit der Partialdrücke, Gesamtdruck und Maulwurf Brüche von Stoffen. Wilsons Gleichung ist nachgewiesen worden, genaue mischbaren Flüssigkeiten, werden zwar nicht übermäßig komplex. Darüber hinaus enthält Wilsons Modell Tätigkeit Koeffizienten um Abweichung vom idealen Werte zu berücksichtigen.

Procedure

1. Grundieren das system

Entlüften mit dem Vent/3-Wege Regelventil montiert auf dem Rahmen des Apparates, VLE und (falls erforderlich) durch Ablassen von Flüssigkeit aus dem System heraus in einem Abfall Kolben.
Entfernen Sie die Probenröhrchen und ersetzen durch saubere Rohre (bei Bedarf). Die Flüssigkeit wird nicht vollständig aus dem System ablassen.
Für den ersten Lauf der Experimente, etwa durch das Eingangsventil mit einer Mischung aus nachfüllen (Vol-%) 50 % Methanol, Isopropanol 30 % und 20 % Wasser. Für die zweite Woche mit etwa 25 % Methanol, Isopropanol 45 % und 30 % Wasser nachfüllen. Für die dritte Woche füllen Sie mit welcher Flüssigkeit müssen Sie wiederholen. Die flüssigen Gesamtkapazität beträgt ca. 130 cm³.
Füllen Sie mit Flüssigkeit bis knapp unter die Stelle wo die Cottrell-Pumpe mit Vakuum Jacke schneidet. Zu wenig Flüssigkeit bewirkt, dass das System erfordern sehr hohe kochende Raten zu bekommen genug Flüssigkeit zu “spucken” (wenn Flüssigkeit erscheint während des Kochens intensiv).
Verwenden Sie einen Becher und gießen Sie die Flüssigkeit in den Zusatz-Anschluss an der Spitze der Kammer Gleichgewicht. In der Nähe des Hafens.
Überprüfen Sie den Luftdruck mit Quecksilber Manometer an der Wand. Passen Sie die “Null” auf dem digitalen Manometer entsprechen (falls erforderlich).
Wechseln Sie das Dreiwege Entlüftungsventil zur “Kontrolle” und starten Sie die Vakuumpumpe und Druckregler.
Öffnen Sie Drosselklappe auf dem Druck-Controller mehrere Umdrehungen und beobachten Sie den Druck schnell fallen. Beobachten Sie den Druck auf das digitale Manometer.
Setzen den Druck Satz-Kontrollpunkt auf der Druckregler erhalten ~ 700 mm Hg. hören für das Anklicken des Steuerventils. Wenn der Kontrollpunkt erreicht ist, wird der Lärm von der Vakuumpumpe hörbar anders sein.
Zu diesem Zeitpunkt eröffnete mit der Drosselklappe mehrere Umdrehungen, jedes Mal, wenn das Regelventil öffnet, zuviel Luft wird weggeworfen, die Vakuumpumpe und der Druck taucht unter 700 mm vor langsam erholt. Schließen Sie die Drosselklappe vollständig, dann öffnen Sie ihn über ½ Umdrehung.
Warten auf das Steuerventil zu beginnen, wenn Sie erneut klicken, dann schließen Sie die Drosselklappe in kleinen Schritten, bis der Druck nur ~0.5 MmHg schwankt oder weniger, wenn das Ventil geöffnet ist. Anpassungen Sie geringfügige an den Kontrollpunkt oder das Leck-Ventil um zu sehr in der Nähe von 700 MmHg halten.
Sobald die Mischung innerhalb von ± 10 MmHg von 700 MmHg ist, schalten Sie die Heizung, Heizwasser Mantel macht, Kondensator und Magnetrührer. Versuchen Sie 25-30 % Heizleistung und 1,5 bis 2 Umdrehungen Mantel macht zu starten. Das Gerät erfordert 20 min oder weniger zum Ansatz Gleichgewicht. Passen Sie halten Sie den Druck während dieser Zeit an.

2. Durchführung des Experiments

Beim Kochen, die Cottrell-Pumpe startet Flüssigkeit zu spucken und Flüssigkeit tropft zurück in die kochende Kammer gesehen werden kann. Kondensierten Dampf erfordert mehr angezeigt werden. Wenn Gleichgewicht erreicht wird, sollten Experimentatoren stetig tropft der kondensierte Dampf sehen (2 – 3 Tropfen/s) und kehrte Flüssigkeit (2 – 3 Tropfen/s). Die Temperatur sollte stabil ± 0,03 º c und der Druck sollte bei 700,0 ± 0,5 MmHg stabil sein. Wenn diese Bedingungen für mindestens 2 Minuten (oder so) aufgestellt wurden, wird Gleichgewicht erreicht.
Öffnen Sie die Magnetventile (markiert “1” und “2” auf dem Controller) 4 oder 5 Mal jede lange genug, um über 0,5 cm³ Flüssigkeit in jedem Beispiel Röhrchen sammeln, und schließen Sie die Rohre. Wenn ein Ventil nicht auf die Schaltfläche “reagiert, versuchen Sie, spiegeln den ein-/Ausschalter für den Controller ausschalten dann auf. In diesem ersten Beispiel wird verwendet, um die Rohre und Liefersystem waschen und werden verworfen. Waschen ersetzt keine verbleibenden chemischen auf den Seiten der Rohre mit der gleichen Chemikalie, die gemessen wird, ist, so daß es wird keinen Einfluss auf die Zusammensetzung des Tests.
Schalten Sie einen Moment das Gerät an den Heizkörper, warten 30 s für das Kochen zum Abklingen, dann entlüften Sie das System mit 3-Wege Ventil/Regelventil. Entfernen Sie die Probenröhrchen, schwenken ein paar Mal, dann steckt sie in den Abfall Pot.
Einbauen Sie die Probenröhrchen auf dem System wieder, drehen Sie das Entlüftungsventil zurück zu “kontrollieren”, schalten das Gerät wieder auf die Heizung und warten auf Gleichgewicht wiederhergestellt werden. Dies dauert nur ein paar Minuten, wenn der Apparat nicht kühlt. Ein leichter Unterschied in der Temperatur kann beobachtet werden, wenn das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Dies kann aufgrund einer leichten Störung der Gesamtkomposition durch Abtastung sein.
Sobald das Gleichgewicht wieder hergestellt ist, nehmen Sie zwei neue Proben. Haben Sie zwei beschriftete Fläschchen mit neuen Septen bereit.
Schalten Sie nach der Einnahme von ~0.5 cm³ Proben in jedem Röhrchen wieder die Heizung entlüften Sie, entfernen Sie die Probenröhrchen und gießen Sie sie in das Fläschchen. Die Küvetten mit dem Deckel und ggf. die Probenröhrchen durch saubere Rohre ersetzen.
Bereiten Sie bei der Analyse der Proben eine neue Probe vor. Entleeren Sie ~ 15 cm³ Flüssigkeit in ein Becherglas oder Fläschchen. ~ 20 cm³ reines Methanol oder 50/50 Methanol/Isopropanol durch den Probenport hinzufügen. Dies wird eine neue Gesamtkomposition geben.
Achten Sie darauf die Probenröhrchen sind völlig leer, dann schließen Sie das System aus, wechseln Sie das Entlüftungsventil zur “Kontrolle” und die Heizung wieder einzuschalten. Wenn Sie schnell arbeiten, wird Gleichgewicht schnell wiederhergestellt werden. Beachten Sie, daß es eine Temperaturdifferenz aus dem vorherigen Beispiel.
Wiederholen Sie die Gleichgewichtherstellung und Stichprobenverfahren als vor, daran zu denken, nehmen eine Probe zu waschen, und dann die endgültige Stichprobe. Die Experimente durch das Hinzufügen von Komponenten weiter. Zwölf Datenpunkte sind ausreichend, um die Tätigkeit Koeffizienten und (ungefähr) die binäre Interaktion Koeffizienten zu bestimmen.

3. Herunterfahren das system

Schalten Sie die Heizung aus. Wenn das Gerät beginnt zu kühlen, schalten Sie das Rührwerk und Kondensator Wasser.
Das System auf den atmosphärischen Druck zurückzusenden; Stellen Sie den Regler > 1020 Mbar, schließen Sie die Drosselklappe, legen Sie das Dreiwege Ventil entlüften und öffnen Sie das Ventil am Tank.
Atmosphärischer Druck erreicht hat, schalten Sie die Pumpe. Lassen Sie die Flüssigkeit aus dem Behälter ab, bis es das Niveau des Ventils erreicht, aber überlassen Sie den Rest der Flüssigkeit im Behälter. Schließen Sie das 3-Wege-Ventil.

4. Analyse

Nicht-lineare Regression und ein standard Summe der quadrierten Residuen Zielfunktion, Verwendung der Tätigkeit Koeffizienten berechnet aus den Rohdaten bilden die 6 Konstanten für die ternären Wilson-Gleichung (siehe unten), für dieses System. Beurteilung der Qualität der Passung durch grafische Methoden und Informatik die durchschnittliche prozentuale relative Abweichungen (APRD), die durchschnittliche eignen Fehler X 100.
Konvergieren Sie auf die wahren optimale Werte aus mehreren unterschiedlichen Richtungen im Parameterraum Antwort mithilfe einer faktoriellen Methode für die anfänglichen Vermutungen. Berechnen Sie die Genauigkeit der Messungen GC, indem ausreichend repliziert eine GC-Probe um relative Genauigkeiten nach t-Kenngröße zu bestimmen, und verwenden Sie die Genauigkeiten um zu bestimmen, ob Sie akzeptieren / ablehnen einer bestimmten GC-Messung durch geeignete Hypothesentest.
Die relative Genauigkeiten der GC-Messung an der APRDs zu vergleichen und diskutieren. Auch berichten die absolute Genauigkeiten von Druck und Temperatur Manometer – diese einmal pro Tag zu bestimmen.

Verstehen die Verteilung der chemischen Bestandteile in der Dampf- und Flüssigphase, unbedingt genannt Dampfflüssigkeit Gleichgewicht Design, Betrieb und Auswertung der vielen technischen Prozessen. Dampfflüssigkeit Gleichgewicht oder VLE ist ein Zustand, bei dem eine reine Komponente oder Mischung in die Flüssigkeit und Dampf Phasen vorhanden ist. Die Phasen sind im Gleichgewicht, was bedeutet, dass im Laufe der Zeit gab es keine Änderungen in den makroskopischen Eigenschaften des Systems. Einzelne Komponente VLE ist einfach zu visualisieren. Nehmen wir zum Beispiel Wasser, das im Gleichgewicht in der Dampf- und Flüssigphase bei 100 Grad Celsius und einem ATM oberhalb dieser Temperatur Wasser ist ein Dampf. Darunter ist Wasser eine Flüssigkeit. Allerdings treffen Ingenieure im allgemeinen Prozesse mit Mischungen im Gleichgewicht, die Analyse des VLE immer komplexer und somit wesentlich zum Gestaltungsprozess. Dieses Video wird veranschaulichen die Prinzipien hinter Dampfflüssigkeit Gleichgewicht von Mischungen und veranschaulichen die VLE einer Mischung im Labor analysieren. Schließlich werden einige Anwendungen der virtuellen Lernumgebungen im Bereich Chemieingenieurwesen eingeführt werden.

Wenn eine erhitzte Mischung in einem Dampfflüssigkeit Gleichgewicht ist, müssen Phasen der Dampf und Flüssigkeit in der Regel nicht die gleiche Zusammensetzung. Die Substanz mit dem niedrigeren Siedepunkt haben eine höhere Konzentration in der Dampf als der Stoff mit dem höheren Siedepunkt. So Ingenieure beziehen sich auf Komponenten in jeder Phase durch ihre Maulwurf Bruch wo Xi ist der Maulwurf Bruchteil der Arten ich in der Flüssigkeit und Yi ist der Maulwurf Bruchteil der Arten ich in der Dampfphase. Diese Beziehung wird oft dargestellt mit einem Xy-Kurve wie das hier abgebildete für eine Mischung der beiden Komponenten die veranschaulicht die Beziehung zwischen den einzelnen Komponenten in jeder Phase. Ein Ausgangspunkt für alle VLE Berechnungen ist das einfache Gleichgewicht Kriterium, wo die Vergänglichkeit der Gattung im Dampf der Vergänglichkeit der Gattung in der Flüssigkeit entspricht. Vergänglichkeit ist eine Eigenschaft im Zusammenhang mit der exponentiellen Unterschied zwischen der realen und idealen Gases Gibbs-Energie. Der Dampfphase, die Vergänglichkeit der Maulwurf Bruchteil der Arten entspricht mal ich in der Dampfphase der reinen Komponente Dampf Vergänglichkeit. Der Ausdruck kann vereinfacht werden, da der reinen Komponente Dampf Vergänglichkeit Druck bei niedrigem Druck annähernd gleich ist. Flüssigphase Fugacities sind eine Tätigkeit Koeffizienten ausgedrückt Gamma. Die Tätigkeit Koeffizienten ist definiert als das Verhältnis der Vergänglichkeit einer Komponente in einer tatsächlichen Mischung, die Vergänglichkeit eine ideale Lösung für die gleiche Zusammensetzung. Bei der Sättigung Dampfdruck würde der reinen Komponente flüssig Vergänglichkeit der Sättigung Dampfdruck gleich, weil die reine Dampf und Flüssigkeit im Gleichgewicht es sind. Schließlich, da die Flüssigkeit und Dampf Fugacities gleich sind, können wir weiter vereinfachen die Beziehung wie gezeigt, die auch bekannt als Raoult Gesetz ist. Die Sättigung Dampfdruck wird oft anhand der Antoine-Gleichung, wo die konstanten A, B und C sind artspezifisch und können in der Literatur gefunden werden. So, wenn wir die Kompositionen von Dampf und Flüssigkeit, die im Gleichgewicht sind Messen, direkt die Tätigkeit Koeffizienten berechnen wir durch die Messung von Temperatur und Druck und damit die Sättigung Dampfdruck. In diesem Experiment wird eine ternäre Mischung von Methanol, Isopropanol und Wasser untersucht werden. Verschiedene Zusammensetzungen der Mischung werden gekocht in einem VLE-Apparat und die niedrigeren Siedepunkt Komponenten verdampfen und sind in einem separaten Behälter gesammelt, während die Flüssigkeit zurück in das ursprüngliche Probengefäß sammelt. Gleichgewicht erreicht, sind die flüssigen und kondensierten Dampf-Fraktionen gesammelt und mit Gaschromatographie analysiert. Temperatur und die Flüssigkeit und Dampf Mole Brüche können die Tätigkeit Koeffizienten berechnet werden. Nun, da Sie die Konzepte der VLE und des Tests Apparates kennengelernt habe, mal sehen, wie das Experiment im Labor durchzuführen.

Um zu beginnen, entleeren Sie keine Flüssigkeit aus dem System heraus in ein Abfall Fläschchen. Denken Sie daran, das die Flüssigkeit nicht vollständig abfließen kann. Fügen Sie für den ersten Lauf eine Mischung aus 50 % Methanol, 30 % IPA und 20 % Wasser durch die Öffnung an der Spitze. Nach dem Befüllen der Mischungsverhältnis, die Heizung macht und Kondensator Wasser schalten. Das Gerät erfordert etwa 20 Minuten zum Ansatz Gleichgewicht. Das System ist nun bereit, das Experiment zu beginnen.

Wenn die Probe beginnt, Kochen, lassen Sie den Stopper um inerte Ausgang des Systems entlüften. Kondensierte Dampf wird sammeln. Wenn Gleichgewicht erreicht ist, stetig tropft der kondensierte Dampf und wieder, dass Flüssigkeit beachtet werden sollten. Mit der Temperatur stabil, um innerhalb von 0,3 Grad für 10 Minuten sammeln Sie ca. 1/2 Milliliter Flüssigkeit in Probenfläschchen aus dem kondensierten Dampf und die kochende Flüssigkeit. Entleeren des kondensierten Dampfes aus der letzten Probe. Fügen Sie eine neue Probe bestehend aus entweder 20 Milliliter reines Methanol oder 50 / 50 Methanol-Isopropanol durch den Probenport. Dies wird eine neue Gesamtkomposition geben. Herzustellen Sie das Gleichgewicht wieder, wie zuvor ausgeführt, jedoch erwarten Sie eine Temperaturdifferenz aus dem vorherigen Beispiel. Wiederholen Sie die Gleichgewichtherstellung und Stichprobenverfahren als vor, und dann sammeln Sie die zu analysierende Probe. Das Experiment mit verschiedenen Mischungen der drei Komponenten weiter. 12 Punkte sind ausreichend, um die Tätigkeit Koeffizienten und die binäre Interaktion Koeffizienten zu bestimmen. Ausführung alle Mischungen Herunterfahren des Systems durch die Heizung ausschalten. Wenn das Gerät beginnt zu kühlen, schalten Sie das Kondensator-Wasser. Schließlich messen Sie die Zusammensetzung der Flüssigkeit und Dampf Samples mit dem Gaschromatographen oder GC.

Berechnen Sie mit Hilfe der Systemtemperatur und die Flüssigkeit und Dampf Maulwurf Bruchteile von GC erworben, die Tätigkeit Koeffizienten. Dies erfordert zunächst, dass der Sättigungsdruck mithilfe der Antoine-Gleichung wo die konstanten A, B und C für jede Komponente in der Literatur findet man berechnet wird. Jetzt können wir die berechnete Tätigkeit Koeffizienten verwenden, um die Daten zu einem Modell zu korrelieren. Wir verwenden die Wilson-Gleichung nach einer ternären Mischung die Abweichungen von der Idealität in einer Mischung ausmacht. Die neun Lambda-Konstanten sind die Wilson-konstanten, die man gleich, wenn ich j entspricht. Für jedes Paar Ij gibt es zwei verschiedene Konstanten. Verwenden Sie eine nicht-lineare Regression und ein standard Summe der Quadrate verbleibende Funktion um die sechs verbleibenden Wilson konstanten mit den Maulwurf Bruchteil Daten aus dem Experiment bestimmen. Die Wilson-Konstanten werden dann verwendet, um die erwarteten Tätigkeit Koeffizienten für jede Komponente jeder Probe zu bestimmen. Hier zeigen wir den modellierten Tätigkeit Koeffizienten aufgetragen gegen die experimentelle Tätigkeit Koeffizienten. Im Idealfall würde die modellierten und experimentelle Tätigkeit Koeffizienten entlang der y gleich fallen x Linie. Wie Sie in der Regel sehen können, passen die modellierten und experimentellen Werte entlang dieser Linie zeigen, dass das Modell eine gute Anpassung an das reale System ist.

Verstehen und manipulieren die Dampfflüssigkeit Gleichgewicht von Gemischen ist ein wichtiger Bestandteil für eine Reihe von Prozessen vor allem Trennungen. Destillationskolonnen trennen Mischungen basierend auf ihre Volatilität mit unterschiedlichen Zusammensetzungen der einzelnen Komponenten in die Flüssigkeit und Dampf Phrasen auf jedes Fach. Die leichter flüchtige Komponente verdampft und gesammelt am oberen Rand der Spalte, während die weniger flüchtigen Komponente flüssig bleibt und wird an der Unterseite gesammelt. VLE Daten der Komponenten des Gemisches werden verwendet, um die Anzahl der Schalen, die Trennung in einer Destillationskolonne zu erreichen musste bestimmen. Dadurch können Ingenieure den Trennvorgang zu optimieren und Betriebs-Kosten niedrig zu halten. Eine weitere wertvolle Trenntechnik mit VLE ist Flash-Trennung. Flash-Trennung ist, zeigen Sie eine Flüssigkeit unter Druck gleich oder größer als seine Blase Druck Bedeutung blinkt, die es teilweise verdampft, wenn der Druck reduziert wird. Das Futter wird vorgewärmt somit bestehend aus etwas Flüssigkeit und etwas Dampf im Gleichgewicht. Es fließt dann durch ein Druckminderventil in den Separator. Der Grad der Verdampfung und damit die Menge des gelösten Stoffes im Dampf oder flüssigen Phasen richtet sich nach der ursprüngliche Zustand der Zuführungsstrom.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Dampfflüssigkeit Gleichgewicht beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Konzepte hinter VLE, wie es im Labor, und einige seiner Verwendungen in engineering-Prozesse gemessen wird. Danke fürs Zuschauen.

Results

Die Tätigkeit Koeffizienten der Daten zeigen keine signifikante Abweichungen vom Mittelwert für jede Komponente (Tabelle 1). Dies ist, wie erwartet, weil es Kompositionen für fortgeschrittene Komponente nicht große Unterschiede sind. Komponenten in der Nähe von 1 haben jedoch in der Nähe von γ 1. Niedrige Zusammensetzung Komponenten haben hohe γ. Komponenten höchste Konzentration in einer Mischung, die eine geringere Abweichung haben wird, also es werden näher an ideal (γ = 1). Komponenten mit niedrigeren Konzentrationen in einer Mischung haben höhere Abweichungen, so dass ihre γ größer als 1 werden.

Tabelle 1: Ergebnisse der jeder Probenahme der experimentellen Daten.

Die Daten wurden an Wilson Modellparameter anpassen und die Koeffizienten berechnet wurden (Tabelle 2). Eine einfache Reduzierung der Summe der quadrierten Residuen zwischen experimentellen und Wilson Gleichung (1) Tätigkeit Koeffizienten verwendet wurde. Dies wurde erreicht mit Excel Solver-Funktion. Die Parität Handlung gezeigt betrifft die experimentell gefundenen Tätigkeit Koeffizienten der Wilsons Gleichung Modell Tätigkeit Koeffizienten. Die experimentelle Tätigkeit Koeffizienten wurden berechnet und grafisch im Vergleich zu den berechneten Modells Koeffizienten.

Tabelle 2: Ergebnisse der Anpassung der Daten an die Wilson-Modell-Parameter.

(1)

Die Parameterwerte gefunden wurden die beste Passform (Tabelle 3). Im Idealfall die Korrelation ist entlang der y = x-Linie; Allerdings ergab eine signifikante Korrelation ähnelt das ideale Szenario (Abbildung 2). Die Tätigkeit Koeffizienten der Daten wurde nicht signifikante Abweichungen vom Mittelwert für jede Komponente angezeigt, wie erwartet. Eine Reduzierung der Summe der quadrierten Residuen zwischen experimentellen und Wilson Gleichung Tätigkeit Koeffizienten mit Excel Solver Funktion verwendet wurde. Die Parität Handlung betrifft die experimentell gefundenen Tätigkeit Koeffizienten der Wilsons Gleichung Modell Tätigkeit Koeffizienten.

Tabelle 3: Modellparameter mit Wasser (a), MeOH (b) und IPA (c). Die experimentellen Werte sind im Vergleich zum erwarteten Werten.

Abbildung 2 : Darstellung der Zusammenhänge zwischen die experimentelle Tätigkeit Koeffizienten und das Modell Tätigkeit Koeffizienten.

Applications and Summary

Dieses Experiment demonstriert die Gleichgewichtherstellung der Methanol – Isopropanol – Wasser-Dampf-Flüssig-Mischungen bei konstanter P = 700 mm Hg und wie Messen Sie Temperatur und Zusammensetzung und Aktivität Koeffizienten berechnen. Die Tätigkeit Koeffizienten der Daten einen Mittelwert für die einzelnen Komponenten nicht erheblich abweichen, wie erwartet. Eine Reduzierung der Summe der quadrierten Residuen zwischen experimentellen und Wilson Gleichung Tätigkeit Koeffizienten mit Excel Solver Funktion verwendet wurde. Die Parität Handlung betrifft die experimentell gefundenen Tätigkeit Koeffizienten der Wilsons Gleichung Modell Tätigkeit Koeffizienten.

In der Erdölindustrie ist Destillation des Hauptprozesses für Trennung von Erdölprodukten. Viele Ölraffinerien verwenden Destillation für Rohöl¹. Leichte Kohlenwasserstoffen sind von schwereren Teilchen, basierend auf Siedepunkte¹Trennung getrennt. Schwere Materialien wie Gas, die Öle in den unteren Platten, während leichte Materialien sammeln wie Propan und Butan¹aufsteigen. Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Jet und Dieselkraftstoffe, sind getrennte¹. Dieser Prozess wird oft viele Male wiederholt, vollständig getrennt und verfeinern die Produkte¹. Raffinerien laufen diese Prozesse im Steady-State, ständig Schaffung neuer Produkte bei maximaler Leistung, also Effizienz Schlüssel¹. Chemie-Ingenieure, die an diesen Prozessen arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung der Effizienz der Produktion¹.

Tablett Destillationskolonnen werden auch verwendet, um eine Vielzahl von chemischen Produkten zu trennen. Ethanol ist ein solches Produkt. Durch die eng verwandte Prozesse eine Vielzahl von Produkten wie Kraftstoffqualität Ethanol, Bier und Schnaps können alle destilliertes sein². Bestimmte Mengen von Alkohol können vom Wasser getrennt werden, um einen spezifischen Nachweis²zu schaffen. Dabei beschränkt sich auf die Verringerung des Anteils von Wasser in das Produkt, aber kann nicht vollständig beseitigen es². Um Wasser vollständig zu entfernen, azeotrope Destillation ist erforderlich, die Extraktor Chemikalien verwendet, um Wasser von Ethanol²zu trennen.

Transcript

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.

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