Парожидкостное равновесие

Понимание распределения химических компонентов как в паровой, так и в жидкой фазе, называемое равновесием между паром и жидкостью, имеет важное значение для проектирования, эксплуатации и анализа многих инженерных процессов. Парожидкостное равновесие или VLE — это состояние, при котором чистый компонент или смесь существует как в жидкой, так и в паровой фазах. Фазы находятся в равновесии, что означает, что не было никаких изменений в макроскопических свойствах системы с течением времени. Однокомпонентная VLE проста в визуализации. Возьмем, к примеру, воду, которая находится в равновесии в паровой и жидкой фазе при температуре 100 градусов Цельсия и одном атм. Выше этой температуры вода представляет собой пар. Под ним вода представляет собой жидкость. Тем не менее, инженеры обычно сталкиваются с процессами со смесями, находящимися в равновесии, что делает анализ VLE более сложным и, следовательно, важным для проектирования процессов. В этом видео будут проиллюстрированы принципы, лежащие в основе парожидкостного равновесия смесей, и будет продемонстрировано, как анализировать VLE смеси в лаборатории. Наконец, будут представлены некоторые приложения VLE в области химической инженерии.

Когда нагретая смесь находится в равновесии пар-жидкость, паровая и жидкая фазы обычно не имеют одинакового состава. Вещество с более низкой температурой кипения будет иметь более высокую концентрацию в паре, чем вещество с более высокой температурой кипения. Таким образом, инженеры называют компоненты в каждой фазе их молярной фракцией, где xi — молярная доля вещества i в жидкости, а yi — молярная доля вещества i в паровой фазе. Эта зависимость часто изображается с помощью кривой xy, подобной показанной здесь для смеси двух компонентов, которая иллюстрирует связь между каждым компонентом в каждой фазе. Отправной точкой для всех расчетов VLE является простой критерий равновесия, где летучесть вещества в паре равна летучести вещества в жидкости. Летучесть — это свойство, связанное с экспоненциальной разницей между действительной и идеальной энергией газа Гиббса. Летучесть паровой фазы равна молярной доле вещества i в паровой фазе, умноженной на плавучесть пара чистого компонента. Выражение можно упростить, так как летучесть паров чистого компонента примерно равна давлению при низком давлении. Летучести жидкой фазы выражаются в терминах коэффициента активности, гамма. Коэффициент активности определяется как отношение летучести компонента в реальной смеси к летучести идеального раствора того же состава. При давлении насыщенного пара летучесть чистой составляющей жидкости будет равна давлению насыщенного пара, потому что чистый пар и жидкость находятся там в равновесии. Наконец, поскольку летучести жидкости и пара равны, мы можем еще больше упростить соотношение, как показано на рисунке, которое также известно как закон Рауля. Давление насыщенного пара часто рассчитывается с использованием уравнения Антуана, где константы A, B и C являются видоспецифичными и могут быть найдены в литературе. Таким образом, если мы измеряем составы пара и жидкости, которые находятся в равновесии, мы можем непосредственно рассчитать коэффициенты активности, измеряя температуру и давление и, следовательно, давление насыщенного пара. В этом эксперименте будет исследована тройная смесь метанола, изопропилового спирта и воды. Различные составы смеси кипятят в аппарате VLE, а компоненты с более низкой температурой кипения испаряются и собираются в отдельную емкость, в то время как жидкость собирается обратно в исходный сосуд для образца. После достижения равновесия фракции жидкости и конденсированного пара собираются и анализируются с помощью газовой хроматографии. Используя температуру и жидкостную и парообразную молярные фракции, можно рассчитать коэффициенты активности. Теперь, когда вы познакомились с концепциями VLE и испытательным оборудованием, давайте посмотрим, как провести эксперимент в лаборатории.

Для начала слейте всю жидкость из системы в отработанную колбу. Имейте в виду, что жидкость может стекать не полностью. Для первого прогона добавьте смесь из 50% метанола, 30% IPA и 20% воды через отверстие в верхней части. После засыпки смеси включите питание нагревателя и конденсаторную воду. Аппарату потребуется примерно 20 минут, чтобы приблизиться к равновесию. Теперь система готова к началу эксперимента.

Когда образец начнет кипеть, отпустите пробку, чтобы выпустить инертное выходное отверстие системы. Начнет собираться конденсированный пар. При достижении равновесия следует наблюдать устойчивые капли конденсированного пара и возвратную жидкость. При стабильной температуре в пределах 0,3 градуса в течение 10 минут соберите около 1/2 миллилитра жидкости в пробирки для образцов как из конденсированного пара, так и из кипящей жидкости. Слейте конденсат из последнего образца. Затем добавьте через порт для образца новый образец, состоящий либо из 20 миллилитров чистого метанола, либо из 50-50 метанол-изопропанола. Это придаст новую общую композицию. Восстановите равновесие, как это было сделано ранее, однако ожидайте разницы температур по сравнению с предыдущим образцом. Повторите процедуру балансировки и отбора проб, как и раньше, а затем соберите пробу для анализа. Продолжайте эксперимент, используя различные смеси трех компонентов. 12 точек достаточно для определения коэффициентов активности и коэффициентов бинарного взаимодействия. Когда все смеси будут запущены, выключите систему, выключив обогреватели. Когда аппарат начнет остывать, отключите воду из конденсатора. Наконец, измерьте состав каждого образца жидкости и пара с помощью газового хроматографа или газовой хроматографии.

Используя температуру системы и жидкие и парообразные мольные фракции, полученные из ГХ, рассчитать коэффициенты активности. Во-первых, для этого необходимо, чтобы давление насыщения было рассчитано с использованием уравнения Антуана, где константы A, B и C для каждого компонента можно найти в литературе. Теперь мы можем использовать рассчитанные коэффициенты активности для соотнесения данных с моделью. Мы будем использовать уравнение Вильсона для тройной смеси, которая учитывает отклонения от идеальности в смеси. Девять лямбда-констант — это константы Вильсона, которые равны единице, когда i равно j. Для каждой пары ij существуют две разные константы. Используйте нелинейную регрессию и функцию невязки стандартной суммы квадратов для определения шести оставшихся констант Вильсона, используя данные о мольной дроби из эксперимента. Затем константы Вильсона используются для определения ожидаемых коэффициентов активности для каждого компонента каждой выборки. Здесь мы показываем смоделированный коэффициент активности, построенный в зависимости от коэффициентов экспериментальной активности. В идеале смоделированные и экспериментальные коэффициенты активности должны располагаться вдоль линии y равно x. Как вы можете видеть, в целом смоделированные и экспериментальные значения соответствуют этой линии, показывая, что модель хорошо подходит для реальной системы.

Понимание и манипулирование парожидкостным равновесием смесей является жизненно важным компонентом целого ряда процессов, особенно разделения. Ректификационные колонны разделяют смеси исходя из их летучести с различным составом каждого компонента в жидкости и паровых фразах на каждом поддоне. Более летучий компонент испаряется и собирается в верхней части колонны, в то время как менее летучий компонент остается жидким и собирается внизу. Данные VLE компонентов смеси используются для определения количества тарелок, необходимых для достижения сепарации в ректификационной колонне. Это помогает инженерам оптимизировать процесс сепарации, сохраняя при этом низкие эксплуатационные расходы. Еще одним ценным методом сепарации с использованием VLE является флэш-сепарация. Мгновенное разделение основано на том факте, что жидкость под давлением, равным или превышающим давление в точке образования пузырьков, вспыхивает, что означает, что она частично испаряется при снижении давления. Сырье предварительно нагревается, таким образом, состоит из некоторого количества жидкости и некоторого количества пара в равновесии. Затем он проходит через редукционный клапан в сепаратор. Степень испарения и, следовательно, количество растворенного вещества в паровой или жидкой фазах зависит от исходного состояния исходного потока.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в уравнение между паром и жидкостью. Теперь вы должны понять концепции, лежащие в основе VLE, как они измеряются в лаборатории, и некоторые из его применений в инженерных процессах. Спасибо за просмотр.