気液平衡

気液平衡と呼ばれる気相と液相の両方の化学成分の分布を理解することは、多くのエンジニアリングプロセスの設計、運用、および解析に不可欠です。気液平衡(VLE)は、液相と気相の両方に純粋な成分または混合物が存在する状態です。相は平衡状態にあり、時間の経過とともにシステムの巨視的な特性に変化がなかったことを意味します。単一コンポーネントの VLE は簡単に視覚化できます。例えば、100°Cと1気圧で気相と液相が平衡状態にある水を考えてみましょう。この温度を超えると、水は蒸気です。その下では、水は液体です。しかし、エンジニアは一般的に、平衡状態にある混合プロセスに遭遇するため、VLEの解析はより複雑になり、したがってプロセス設計に不可欠です。このビデオでは、混合物の気液平衡の背後にある原理を説明し、実験室で混合物のVLEを分析する方法を示します。最後に、化学工学分野におけるVLEの応用について紹介します。

加熱された混合物が気液平衡状態にあるとき、気相と液相は一般に同じ組成を持ちません。沸点が低い物質は、沸点が高い物質よりも蒸気中の濃度が高くなります。したがって、エンジニアは各相の成分をモル分率で参照し、xiは液体中の種iのモル分率、yiは気相中の種iのモル分率です。この関係は、多くの場合、ここに示すような xy 曲線を使用して、各フェーズの各コンポーネント間の関係を示す 2 つのコンポーネントの組み合わせに対して示されます。すべての VLE 計算の出発点は、蒸気中の種のフューガシティが液体中の種のフューガシティと等しくなる単純な平衡基準です。Fugacityは、実気体と理想気体のギブスエネルギーの指数関数的な差に関連する特性です。気相のフューガシティは、気相中の種iのモル分率に純粋な成分の蒸気フューガシティを掛けたものに等しくなります。純粋な成分の蒸気のフューガシティは低圧での圧力とほぼ等しいため、この表現は簡略化できます。液相のフューガシティは、放射能係数ガンマで表されます。活性係数は、実際の混合物中の成分のフューガシティと、同じ組成の理想的な溶液のフューガシティの比として定義されます。飽和蒸気圧では、純粋な蒸気と液体が平衡状態にあるため、純粋な成分の液体の曖昧さは飽和蒸気圧と等しくなります。最後に、液体と蒸気のフューガシティが等しいため、示されているように関係をさらに単純化できます。これはラウルトの法則としても知られています。飽和蒸気圧は、多くの場合、定数A、B、およびCが種固有であり、文献に記載されているアントワーヌ方程式を使用して計算されます。したがって、平衡状態にある蒸気と液体の組成を測定すると、温度と圧力、したがって飽和蒸気圧を測定することにより、活動係数を直接計算できます。この実験では、メタノール、イソプロピルアルコール、水の三元混合物を調査します。混合物のさまざまな組成物をVLE装置で煮沸し、低沸点成分を気化させて別の容器に集め、液体は最初のサンプル容器に集まります。平衡に達すると、液体と凝縮した蒸気画分が収集され、ガスクロマトグラフィーで分析されます。温度と液体および蒸気のモル分率を使用して、放射能係数を計算できます。VLEの概念とテスト装置について紹介したところで、次は実験室で実験を行う方法を見てみましょう。

まず、システムから液体を排出して廃フラスコに入れます。液体が完全に排出されない場合があることに注意してください。最初の分析では、上部の開口部から50%メタノール、30%IPA、20%の水の混合物を追加します。混合物を充填した後、ヒーターの電源と凝縮器の水をオンにします。装置が平衡に近づくのに約20分かかります。これで、システムは実験を開始する準備が整いました。

サンプルが沸騰し始めたら、ストッパーを放してシステムの不活性出口を排出します。凝縮した蒸気が集まり始めます。平衡に達すると、凝縮した蒸気と戻り液体の安定した滴下が観察されます。温度が0.3°C以内に10分間安定している状態で、凝縮蒸気と沸騰した液体の両方からサンプルバイアルに約1/2ミリリットルの液体を収集します。最後のサンプルから凝縮した蒸気を排出します。次に、20ミリリットルの純粋なメタノールまたは50〜50のメタノール-イソプロパノールからなる新しいサンプルをサンプルポートを通して加えます。これにより、新しい全体的な構成が得られます。以前に実行したように平衡を再確立しますが、前のサンプルとの温度差が予想されます。前と同じように平衡化とサンプリングの手順を繰り返してから、分析するサンプルを収集します。3つの成分の異なる混合物を使用して実験を続けます。活動係数とバイナリ交互作用係数を決定するには、12ポイントで十分です。すべての混合物を実行したら、ヒーターをオフにしてシステムをシャットダウンします。装置が冷え始めたら、コンデンサーの水を止めます。最後に、ガスクロマトグラフまたはGCを使用して、各液体および蒸気サンプルの組成を測定します。

システム温度とGCから取得した液体および蒸気モル分率を使用して、放射能係数を計算します。これには、まず、飽和圧力がアントワーヌの方程式を使用して計算される必要があり、各コンポーネントの定数A、B、およびCは文献に記載されています。これで、計算された活動係数を使用して、データをモデルに関連付けることができます。ウィルソン方程式を三項混合に使用し、混合の理想性からの逸脱を説明します。9 つのラムダ定数はウィルソン定数で、i が j と等しいときに 1 に等しくなります。各 ij ペアには、2 つの異なる定数があります。非線形回帰と標準平方和残差関数を使用して、実験のモル分率データを使用して残りの 6 つのウィルソン定数を決定します。次に、ウィルソン定数を使用して、各サンプルの各成分の期待される活動係数を決定します。ここでは、実験活動係数に対してプロットされたモデル化された活動係数を示します。理想的には、モデル化された活性係数と実験活性係数は、yがx線に等しいに沿ってなります。一般的に見てわかるように、モデル化された値と実験的な値はこの線に沿って適合し、モデルが実際のシステムに適していることを示しています。

混合物の気液平衡を理解し、操作することは、さまざまなプロセス、特に分離に不可欠な要素です。蒸留塔は、各トレイ上の液体および蒸気フレーズの各成分の組成が異なる揮発性に基づいて混合物を分離します。揮発性の高い成分は気化してカラムの上部に収集されますが、揮発性の低いコンポーネントは液体のままで下部に収集されます。混合物の成分のVLEデータを使用して、蒸留塔での分離に必要なトレイの数を決定します。これにより、エンジニアは運用コストを低く抑えながら、分離プロセスを最適化することができます。VLEを使用した別の貴重な分離手法は、フラッシュ分離です。フラッシュ分離は、バブルポイント圧力以上の圧力の液体が点滅するという事実に基づいており、圧力が低下すると部分的に蒸発します。フィードは予熱されるため、平衡状態の液体と蒸気の一部で構成されています。その後、減圧弁を通ってセパレーターに流れ込みます。気化の程度、したがって気相または液相中の溶質の量は、供給流の初期状態に依存します。

あなたはちょうどジョーブの気液平衡の紹介を見ました。これで、VLEの背後にある概念、実験室での測定方法、およびエンジニアリングプロセスでのその使用のいくつかを理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます。