שיווי משקל נוזלי אדים

הבנת התפלגות הרכיבים הכימיים הן בשלב האדים והן בשלב הנוזל, הנקרא שיווי משקל אדים-נוזל חיונית לתכנון, תפעול וניתוח של תהליכים הנדסיים רבים. שיווי משקל אדים-נוזל או VLE הוא מצב בו קיים רכיב או תערובת טהורה הן בשלב הנוזל והן בשלב האדים. השלבים נמצאים בשיווי משקל, כלומר לא היו שינויים בתכונות המקרוסקופיות של המערכת לאורך זמן. VLE של רכיב יחיד פשוט להמחשה. קחו לדוגמה מים שנמצאים בשיווי משקל בשלב האדים והנוזל ב-100 מעלות צלזיוס ואטמוספירה אחת. מעל טמפרטורה זו מים הם אדים. מתחתיו, מים הם נוזל. עם זאת, מהנדסים בדרך כלל נתקלים בתהליכים עם תערובות בשיווי משקל מה שהופך את הניתוח של VLE למורכב יותר ולכן חיוני לתכנון תהליכים. סרטון זה ימחיש את העקרונות מאחורי שיווי משקל אדים-נוזל של תערובות וידגים כיצד לנתח את ה-VLE של תערובת במעבדה. לבסוף, יוצגו כמה יישומים של VLE בתחום ההנדסה הכימית.

כאשר תערובת מחוממת נמצאת בשיווי משקל אדים-נוזל, שלבי האדים והנוזל בדרך כלל אין את אותו הרכב. לחומר עם נקודת הרתיחה הנמוכה יותר יהיה ריכוז גבוה יותר באדים מאשר לחומר עם נקודת הרתיחה הגבוהה יותר. לפיכך, מהנדסים מתייחסים לרכיבים בכל שלב על ידי שבר השומה שלהם כאשר xi הוא חלק השומה של מין i בנוזל ו- yi הוא חלק השומה של מין i בשלב האדים. קשר זה מתואר לעתים קרובות באמצעות עקומת xy כמו זו המוצגת כאן עבור תערובת של שני רכיבים הממחישה את הקשר בין כל רכיב בכל שלב. נקודת מוצא לכל חישובי ה-VLE היא קריטריון שיווי המשקל הפשוט שבו הפוגה של המין באדים שווה לפוגהיות של המין בנוזל. פוגסיטי היא תכונה הקשורה להבדל האקספוננציאלי בין אנרגיות גיבס הגז האמיתיות והאידיאליות. פוגות פאזת האדים שווה לשבר השומה של מינים i בשלב האדים כפול פוגות האדים של הרכיב הטהור. ניתן לפשט את הביטוי מכיוון שפוגות האדים של הרכיב הטהור שווה בערך ללחץ בלחץ נמוך. פוגות פאזה נוזלית מתבטאות במונחים של מקדם פעילות, גמא. מקדם הפעילות מוגדר כיחס בין הפוגות של רכיב בתערובת ממשית לפוגות של תמיסה אידיאלית מאותו הרכב. בלחץ אדי הרוויה הפוגה הנוזלית של הרכיב הטהור תהיה שווה ללחץ אדי הרוויה מכיוון שהאדים והנוזל הטהורים נמצאים שם בשיווי משקל. לבסוף, מכיוון שפוגות הנוזל והאדים שוות, אנו יכולים לפשט עוד יותר את הקשר כפי שמוצג הידוע גם כחוק ראול. לחץ אדי הרוויה מחושב לעתים קרובות באמצעות משוואת אנטואן שבה הקבועים A, B ו-C הם ספציפיים למין וניתן למצוא אותם בספרות. לפיכך, אם נמדוד את הרכבי האדים והנוזל הנמצאים בשיווי משקל, נוכל לחשב ישירות את מקדמי הפעילות על ידי מדידת טמפרטורה ולחץ ולכן לחץ אדי הרוויה. בניסוי זה תיחקר תערובת משולשת של מתנול, אלכוהול איזופרופיל ומים. קומפוזיציות שונות של התערובת מבושלות במנגנון VLE ורכיבי נקודת הרתיחה התחתונה מתאדים ונאספים במיכל נפרד בזמן שהנוזל נאסף בחזרה לכלי הדגימה הראשוני. לאחר הגעה לשיווי משקל, שברי האדים הנוזליים והמעובים נאספים ומנותחים באמצעות כרומטוגרפיה של גז. באמצעות הטמפרטורה ושברי שומות הנוזל והאדים ניתן לחשב את מקדמי הפעילות. כעת, לאחר שהתוודעתם למושגים של VLE ומנגנון הבדיקה, בואו נראה כיצד לבצע את הניסוי במעבדה.

כדי להתחיל, מסננים כל נוזל מהמערכת לבקבוק פסולת. זכור כי ייתכן שהנוזל לא יתנקז לחלוטין. לריצה הראשונה מוסיפים תערובת של 50% מתנול, 30% IPA ו-20% מים דרך הפתח בחלק העליון. לאחר מילוי התערובת, הפעל את כוח החימום ואת מי הקבל. המנגנון ידרוש כ-20 דקות כדי להתקרב לשיווי משקל. המערכת מוכנה כעת להתחיל בניסוי.

כאשר הדגימה מתחילה לרתוח, שחרר את הפקק כדי לאוורר את השקע האינרטי של המערכת. אדים מרוכזים יתחילו להצטבר. כאשר מגיעים לשיווי משקל, יש להבחין בטפטוף קבוע של אדים מעובים ונוזל חוזר. כאשר הטמפרטורה יציבה בטווח של 0.3 מעלות למשך 10 דקות, אסוף כ-1/2 מיליליטר נוזל בבקבוקוני דגימה הן מהאדים המרוכזים והן מהנוזל הרותח. מסננים את האדים המרוכזים מהדגימה האחרונה. לאחר מכן הוסף דגימה חדשה המורכבת מ-20 מיליליטר של מתנול טהור או 50-50 מתנול-איזופרופנול דרך יציאת הדגימה. זה ייתן הרכב כללי חדש. ביסוס מחדש את שיווי המשקל כפי שבוצע קודם, אולם צפו להפרש טמפרטורה מהדגימה הקודמת. חזור על הליך שיווי המשקל והדגימה כמו קודם, ולאחר מכן אסוף את הדגימה לניתוח. המשך את הניסוי באמצעות תערובות שונות של שלושת המרכיבים. 12 נקודות מספיקות כדי לקבוע את מקדמי הפעילות ואת מקדמי האינטראקציה הבינאריים. לאחר הפעלת כל התערובות, כבה את המערכת על ידי כיבוי התנורים. כאשר המנגנון מתחיל להתקרר, כבה את מי הקבל. לבסוף, מדוד את ההרכב של כל דגימת נוזל ואדים בעזרת כרומטוגרף הגז או GC.

בעזרת טמפרטורת המערכת ושברי שומות הנוזל והאדים שנרכשו מ- GC, חשב את מקדמי הפעילות. זה דורש תחילה שלחץ הרוויה יחושב באמצעות משוואת אנטואן שבה ניתן למצוא את הקבועים A, B ו-C עבור כל רכיב בספרות. כעת אנו יכולים להשתמש במקדמי הפעילות המחושבים כדי לתאם את הנתונים למודל. נשתמש במשוואת וילסון לתערובת משולשת שמסבירה סטיות מאידיאליות בתערובת. תשעת קבועי הלמבדה הם קבועי וילסון השווים לאחד כאשר i שווה ל-j. עבור כל זוג ij, ישנם שני קבועים שונים. השתמש ברגרסיה לא ליניארית ובפונקציה שיורית של סכום סטנדרטי של ריבועים כדי לקבוע את ששת קבועי וילסון הנותרים באמצעות נתוני שבר השומה מהניסוי. לאחר מכן משתמשים בקבועי וילסון כדי לקבוע את מקדמי הפעילות הצפויים עבור כל מרכיב של כל דגימה. כאן אנו מראים את מקדם הפעילות המעוצב מול מקדמי פעילות הניסוי. באופן אידיאלי, מקדמי הפעילות המודלים והניסויים ייפלו לאורך קו y שווה x. כפי שניתן לראות באופן כללי, ערכי המודלים והניסויים מתאימים לקו זה ומראים שהמודל מתאים היטב למערכת האמיתית.

הבנה ומניפולציה של שיווי משקל אדים-נוזל של תערובות היא מרכיב חיוני במגוון תהליכים, במיוחד הפרדות. עמודות זיקוק מפרידות תערובות על סמך התנודתיות שלהן עם הרכבים שונים של כל רכיב בביטויי הנוזל והאדים בכל מגש. הרכיב הנדיף יותר מתאדה ונאסף בחלק העליון של העמודה, ואילו הרכיב הפחות נדיף נשאר נוזלי ונאסף בתחתית. נתוני VLE של מרכיבי התערובת משמשים לקביעת מספר המגשים הדרושים להשגת הפרדה בעמודת זיקוק. זה עוזר למהנדסים לייעל את תהליך ההפרדה תוך שמירה על עלויות תפעול נמוכות. טכניקת הפרדה חשובה נוספת המשתמשת ב-VLE היא הפרדת הבזק. הפרדת הבזק מבוססת על העובדה שנוזל בלחץ השווה או גדול מלחץ נקודת הבועה שלו מהבהב, כלומר הוא מתאדה חלקית כאשר הלחץ מופחת. ההזנה מחוממת מראש ובכך מורכבת מנוזל כלשהו ומעט אדים בשיווי משקל. לאחר מכן הוא זורם דרך שסתום להפחתת לחץ לתוך המפריד. מידת האידוי ולכן כמות המומס בשלבי האדים או הנוזל תלויה במצב ההתחלתי של זרם ההזנה.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לשיווי משקל אדים-נוזלים. כעת עליך להבין את המושגים מאחורי VLE, כיצד הוא נמדד במעבדה וחלק מהשימושים בו בתהליכים הנדסיים. תודה שצפית.