Damp-vloeistof evenwicht

Het begrijpen van de verdeling van chemische componenten in zowel de damp- als vloeistoffasen, genoemd damp-vloeistofevenwicht, is essentieel voor het ontwerp, de werking en analyse van veel technische processen. Damp-vloeistofevenwicht of VVE is een toestand waarin een zuivere component of mengsel in zowel de vloeistof- als dampfasen bestaat. De fasen zijn in evenwicht, wat betekent dat er geen veranderingen in de macroscopische eigenschappen van het systeem zijn in de loop van de tijd. VVE van een enkele component is eenvoudig te visualiseren. Neem bijvoorbeeld water dat in evenwicht is in de damp- en vloeistoffasen bij 100 graden Celsius en een atmosfeer. Boven deze temperatuur is water een damp. Onder deze temperatuur is water een vloeistof. Technisch ingenieurs hebben echter over het algemeen te maken met processen met mengsels in evenwicht, waardoor de analyse van VVE complexer en daarom essentieel is voor procesontwikkeling. Deze video zal de principes achter damp-vloeistofevenwicht van mengsels illustreren en demonstreren hoe VVE van een mengsel in het laboratorium kan worden geanalyseerd. Ten slotte zullen enkele toepassingen van VVE in de chemie ingenieurswetenschap worden geïntroduceerd.

Wanneer een verhit mengsel in een damp-vloeistofevenwicht is, hebben de damp- en vloeistoffasen over het algemeen niet dezelfde samenstelling. De stof met het lagere kookpunt zal een hogere concentratie hebben in de damp dan de stof met het hogere kookpunt. Daarom verwijzen ingenieurs naar componenten in elke fase door hun molfractie, waarbij xi de molfractie van soort i in de vloeistof is en yi de molfractie van soort i in de dampfase is. Deze relatie wordt vaak weergegeven met een xy-curve zoals hier getoond voor een mengsel van twee componenten, die de relatie tussen elke component in elke fase illustreert. Een startpunt voor alle VVE-berekeningen is het eenvoudige evenwichtscriterium waarbij de fugaciteit van de soort in de damp gelijk is aan de fugaciteit van de soort in de vloeistof. Fugaciteit is een eigenschap die verband houdt met het exponentiële verschil tussen de reële en ideale gas Gibbs-energieën. De dampfase fugaciteit is gelijk aan de molfractie van soort i in de dampfase maal de zuivere component damp fugaciteit. De uitdrukking kan worden vereenvoudigd omdat de zuivere component damp fugaciteit ongeveer gelijk is aan de druk bij lage druk. Vloeistoffasefugaciteiten worden uitgedrukt in termen van een activiteitscoëfficiënt, gamma. De activiteitscoëfficiënt is gedefinieerd als de verhouding van de fugaciteit van een component in een daadwerkelijk mengsel tot de fugaciteit van een ideale oplossing met dezelfde samenstelling. Bij de verzadigingsdampspanning zou de zuivere component vloeistof fugaciteit gelijk zijn aan de verzadigingsdampspanning omdat de zuivere damp en vloeistof daar in evenwicht zijn. Ten slotte, aangezien de vloeistof- en dampfugacitieiten gelijk zijn, kunnen we de relatie verder vereenvoudigen zoals getoond, wat ook bekend staat als de wet van Raoult. De verzadigingsdampspanning wordt vaak berekend met behulp van de Antoine-vergelijking waarbij de constanten A, B en C soortspecifiek zijn en in de literatuur te vinden zijn. Dus als we de samenstellingen van de damp en vloeistof meten die in evenwicht zijn, kunnen we direct de activiteitscoëfficiënten berekenen door temperatuur en druk te meten en dus de verzadigingsdampspanning. In dit experiment zal een ternaire mengsel van methanol, isopropylalcohol en water worden onderzocht. Verschillende samenstellingen van het mengsel worden gekookt in een VVE-apparaat en de componenten met een lager kookpunt verdampen en worden in een aparte container verzameld terwijl de vloeistof terugkeert in het oorspronkelijke steekproefvat. Zodra het evenwicht is bereikt, worden de vloeistof- en gecondenseerde dampfracties verzameld en geanalyseerd met behulp van gaschromatografie. Met behulp van temperatuur en de vloeistof- en dampmolfracties kunnen de activiteitscoëfficiënten worden berekend. Nu je kennis hebt gemaakt met de concepten van VVE en het testapparaat, laten we eens kijken hoe je het experiment in het laboratorium uitvoert.

Om te beginnen, laat je eventueel vocht uit het systeem in een afvalfles weglopen. Houd er rekening mee dat het vocht mogelijk niet volledig weglekt. Voeg voor de eerste run een mengsel van 50% methanol, 30% IPA en 20% water toe via de opening aan de bovenkant. Nadat het mengsel is gevuld, zet je de verwarmingsvoeding en het condensorwater aan. Het apparaat heeft ongeveer 20 minuten nodig om het evenwicht te benaderen. Het systeem is nu klaar om het experiment te beginnen.

Wanneer het monster begint te koken, laat je de stop los om het inerte uitlaatgedeelte van het systeem te ontluchten. Gecondenseerde damp begint zich te verzamelen. Wanneer het evenwicht is bereikt, moeten gelijkmatige druppels van gecondenseerde damp en terugkerende vloeistof worden waargenomen. Met een temperatuur die binnen 0,3 graden stabiel is gedurende 10 minuten, verzamel je ongeveer 1/2 milliliter vloeistof in steekproefbuisjes uit zowel de gecondenseerde damp als de kokende vloeistof. Laat de gecondenseerde damp uit de laatste steekproef weglopen. Voeg dan een nieuwe steekproef toe bestaande uit 20 milliliter zuivere methanol of 50-50 methanol-isopropanol via de steekproefpoort. Dit geeft een nieuwe algemene samenstelling. Breng het evenwicht opnieuw tot stand zoals eerder uitgevoerd, maar verwacht een temperatuurverschil met de vorige steekproef. Herhaal de evenwichtsstelling en steekproefprocedure zoals eerder, en verzamel dan de steekproef om te worden geanalyseerd. Zet het experiment voort met verschillende mengsels van de drie componenten. 12 punten zijn voldoende om de activiteitscoëfficiënten en de binaire interactiecoëfficiënten te bepalen. Wanneer alle mengsels zijn uitgevoerd, zet je het systeem uit door de verwarmingen uit te schakelen. Wanneer het apparaat begint af te koelen, zet je het condensorwater uit. Meet ten slotte de samenstelling van elk vloeistof- en dampmonster met de gaschromatograaf of GC.

Gebruik de systeemtemperatuur en de vloeistof- en dampmolfracties