Równowaga para-ciecz

Zrozumienie rozkładu składników chemicznych zarówno w fazie parowej, jak i ciekłej, zwanego równowagą para-ciecz, jest niezbędne do projektowania, eksploatacji i analizy wielu procesów inżynieryjnych. Równowaga para-ciecz lub VLE to stan, w którym czysty składnik lub mieszanina występuje zarówno w fazie ciekłej, jak i parowej. Fazy są w równowadze, co oznacza, że nie nastąpiły żadne zmiany w makroskopowych właściwościach układu w czasie. Jednoskładnikowy VLE jest łatwy do wizualizacji. Weźmy na przykład wodę, która jest w stanie równowagi w fazie gazowej i ciekłej w temperaturze 100 stopni Celsjusza i jednym atm. Powyżej tej temperatury woda jest parą. Pod nim woda jest cieczą. Jednak inżynierowie na ogół napotykają procesy, w których mieszaniny są w równowadze, co sprawia, że analiza VLE jest bardziej złożona, a zatem niezbędna do projektowania procesu. Ten film zilustruje zasady rządzące równowagą para-ciecz mieszanin i pokaże, jak analizować VLE mieszaniny w laboratorium. Na koniec zostaną przedstawione niektóre zastosowania VLE w dziedzinie inżynierii chemicznej.

Gdy podgrzana mieszanina znajduje się w równowadze para-ciecz, faza parowa i ciekła na ogół nie mają tego samego składu. Substancja o niższej temperaturze wrzenia będzie miała wyższe stężenie w parze niż substancja o wyższej temperaturze wrzenia. Tak więc inżynierowie odnoszą się do składników w każdej fazie za pomocą ich frakcji molowej, gdzie xi jest ułamkiem molowym gatunku i w cieczy, a yi jest ułamkiem molowym gatunku i w fazie gazowej. Zależność ta jest często przedstawiana za pomocą krzywej xy, takiej jak ta pokazana tutaj dla mieszaniny dwóch składników, która ilustruje zależność między każdym składnikiem w każdej fazie. Punktem wyjścia dla wszystkich obliczeń VLE jest proste kryterium równowagi, w którym ulotność substancji w parze jest równa ulotności substancji w cieczy. Ulotność jest właściwością związaną z wykładniczą różnicą między energią Gibbsa gazu rzeczywistego a doskonałego. Ulotność fazy gazowej jest równa ułamkowi molowemu gatunku i w fazie gazowej pomnożonemu przez ulotność pary w czystej składowej. Wyrażenie to można uprościć, ponieważ ulotność pary w czystym składniku jest w przybliżeniu równa ciśnieniu przy niskim ciśnieniu. Ulotność fazy ciekłej jest wyrażona za pomocą współczynnika aktywności, gamma. Współczynnik aktywności definiuje się jako stosunek ulotności składnika w rzeczywistej mieszaninie do ulotności idealnego roztworu o tym samym składzie. Przy ciśnieniu pary nasyconej cieczy czystej składowej ulotność cieczy byłaby równa prężności pary nasyconej, ponieważ czysta para i ciecz są tam w równowadze. Wreszcie, ponieważ ulotność cieczy i pary jest równa, możemy jeszcze bardziej uprościć zależność, jak pokazano, co jest również znane jako prawo Raoulta. Prężność pary nasyconej jest często obliczana przy użyciu równania Antoine'a, w którym stałe A, B i C są specyficzne dla gatunku i można je znaleźć w literaturze. Tak więc, jeśli zmierzymy skład pary i cieczy, które są w równowadze, możemy bezpośrednio obliczyć współczynniki aktywności, mierząc temperaturę i ciśnienie, a tym samym ciśnienie pary nasyconej. W tym eksperymencie zostanie zbadana trójskładnikowa mieszanina metanolu, alkoholu izopropylowego i wody. Różne kompozycje mieszaniny gotuje się w aparacie VLE, a składniki o niższej temperaturze wrzenia odparowują i są zbierane w oddzielnym pojemniku, podczas gdy ciecz gromadzi się z powrotem w naczyniu na próbkę początkową. Po osiągnięciu równowagi ciekłe i skondensowane frakcje par są zbierane i analizowane za pomocą chromatografii gazowej. Na podstawie temperatury oraz ułamków molowych cieczy i pary można obliczyć współczynniki aktywności. Teraz, gdy zostałeś już wprowadzony w koncepcje VLE i aparatury testowej, zobaczmy, jak przeprowadzić eksperyment w laboratorium.

Aby rozpocząć, spuść płyn z systemu do pojemnika na odpady. Należy pamiętać, że płyn może nie spłynąć całkowicie. Za pierwszym razem dodaj mieszaninę 50% metanolu, 30% IPA i 20% wody przez otwór u góry. Po napełnieniu mieszanki włącz moc grzałki i wodę skraplacza. Aparat będzie potrzebował około 20 minut, aby zbliżyć się do równowagi. System jest teraz gotowy do rozpoczęcia eksperymentu.

Gdy próbka zacznie wrzeć, zwolnij korek, aby odpowietrzyć obojętny wylot systemu. Skondensowana para zacznie się zbierać. Po osiągnięciu równowagi należy obserwować stałe kapanie skondensowanej pary i ciecz powrotnej. Przy stabilnej temperaturze z dokładnością do 0,3 stopnia przez 10 minut, zbierz około 1/2 mililitra płynu w fiolkach z próbkami zarówno ze skondensowanej pary, jak i wrzącej cieczy. Odcedzić skondensowaną parę z ostatniej próbki. Następnie dodać nową próbkę składającą się z 20 mililitrów czystego metanolu lub 50-50 metanolu-izopropanolu przez port próbki. To da nową ogólną kompozycję. Przywróć równowagę, jak wykonano poprzednio, jednak spodziewaj się różnicy temperatur w stosunku do poprzedniej próbki. Powtórzyć procedurę równoważenia i pobierania próbek jak poprzednio, a następnie pobrać próbkę do analizy. Kontynuuj eksperyment, używając różnych mieszanin trzech składników. 12 punktów wystarczy do wyznaczenia współczynników aktywności i współczynników oddziaływania binarnego. Po uruchomieniu wszystkich mieszanek wyłącz system, wyłączając grzejniki. Gdy urządzenie zacznie się ochładzać, odciąć wodę skraplacza. Na koniec zmierzyć skład każdej próbki cieczy i pary za pomocą chromatografu gazowego lub GC.

Korzystając z temperatury systemu oraz frakcji molowych cieczy i pary uzyskanych z GC, oblicz współczynniki aktywności. Wymaga to przede wszystkim, aby ciśnienie nasycenia zostało obliczone za pomocą równania Antoine'a, w którym stałe A, B i C dla każdego składnika można znaleźć w literaturze. Teraz możemy użyć obliczonych współczynników aktywności, aby skorelować dane z modelem. Użyjemy równania Wilsona dla mieszaniny trójskładnikowej, która odpowiada za odchylenia od idealności w mieszaninie. Dziewięć stałych lambda to stałe Wilsona, które są równe jeden, gdy i jest równe j. Dla każdej pary ij istnieją dwie różne stałe. Użyj regresji nieliniowej i standardowej funkcji reszty sumy kwadratów, aby wyznaczyć sześć pozostałych stałych Wilsona przy użyciu danych o ułamku molowym z eksperymentu. Stałe Wilsona są następnie wykorzystywane do określenia oczekiwanych współczynników aktywności dla każdego składnika każdej próbki. W tym miejscu pokazujemy modelowany współczynnik aktywności wykreślony w stosunku do eksperymentalnych współczynników aktywności. Idealnie byłoby, gdyby modelowane i eksperymentalne współczynniki aktywności leżały wzdłuż linii y równa się x. Jak widać ogólnie, wartości modelowane i eksperymentalne mieszczą się wzdłuż tej linii, co pokazuje, że model jest dobrze dopasowany do rzeczywistego systemu.

Zrozumienie i manipulowanie równowagą para-ciecz mieszanin jest istotnym elementem szeregu procesów, zwłaszcza separacji. Kolumny destylacyjne rozdzielają mieszaniny na podstawie ich lotności z różnymi składami każdego składnika w frazach cieczy i pary na każdej tacy. Bardziej lotny składnik jest odparowywany i zbierany na górze kolumny, podczas gdy mniej lotny składnik pozostaje płynny i jest zbierany na dole. Dane VLE składników mieszaniny służą do określenia liczby tac potrzebnych do uzyskania separacji w kolumnie destylacyjnej. Pomaga to inżynierom zoptymalizować proces separacji przy jednoczesnym utrzymaniu niskich kosztów operacyjnych. Inną cenną techniką separacji wykorzystującą VLE jest separacja błyskawiczna. Separacja błyskawiczna opiera się na fakcie, że ciecz pod ciśnieniem równym lub większym niż ciśnienie w punkcie pęcherzykowym miga, co oznacza, że częściowo odparowuje, gdy ciśnienie jest zmniejszane. Pasza jest wstępnie podgrzewana, składając się w ten sposób z pewnej ilości cieczy i pewnej ilości pary w równowadze. Następnie przepływa przez zawór redukcyjny do separatora. Stopień parowania, a tym samym ilość substancji rozpuszczonej w fazie gazowej lub ciekłej, zależy od stanu początkowego strumienia zasilającego.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do równowagi para-ciecz. Powinieneś teraz zrozumieć koncepcje stojące za VLE, sposób jego pomiaru w laboratorium i niektóre z jego zastosowań w procesach inżynieryjnych. Dzięki za oglądanie.