Buhar-sıvı Dengesi

Buhar-sıvı dengesi olarak adlandırılan kimyasal bileşenlerin hem buhar hem de sıvı fazdaki dağılımını anlamak, birçok mühendislik sürecinin tasarımı, işletimi ve analizi için çok önemlidir. Buhar-sıvı dengesi veya VLE, saf bir bileşenin veya karışımın hem sıvı hem de buhar fazlarında bulunduğu bir durumdur. Fazlar dengededir, yani zaman içinde sistemin makroskopik özelliklerinde herhangi bir değişiklik olmamıştır. Tek bileşenli VLE'nin görselleştirilmesi kolaydır. Örneğin, 100 santigrat derecede ve bir atm'de buhar ve sıvı fazda dengede olan suyu ele alalım. Bu sıcaklığın üzerinde su bir buhardır. Altında su bir sıvıdır. Bununla birlikte, mühendisler genellikle dengedeki karışımlara sahip süreçlerle karşılaşırlar, bu da VLE'nin analizini daha karmaşık hale getirir ve bu nedenle süreç tasarımı için gereklidir. Bu video, karışımların buhar-sıvı dengesinin arkasındaki ilkeleri gösterecek ve laboratuvarda bir karışımın VLE'sinin nasıl analiz edileceğini gösterecektir. Son olarak, VLE'nin kimya mühendisliği alanındaki bazı uygulamaları tanıtılacaktır.

Isıtılmış bir karışım buhar-sıvı dengesinde olduğunda, buhar ve sıvı fazlar genellikle aynı bileşime sahip değildir. Daha düşük kaynama noktasına sahip madde, buharda daha yüksek kaynama noktasına sahip maddeden daha yüksek bir konsantrasyona sahip olacaktır. Bu nedenle, mühendisler her fazdaki bileşenlere mol fraksiyonları ile atıfta bulunurlar, burada xi, sıvıdaki i türünün mol fraksiyonu ve yi, buhar fazındaki i türünün mol fraksiyonudur. Bu ilişki genellikle, her fazdaki her bir bileşen arasındaki ilişkiyi gösteren iki bileşenin bir karışımı için burada gösterilene benzer bir xy eğrisi kullanılarak gösterilir. Tüm VLE hesaplamaları için bir başlangıç noktası, buhardaki türlerin bulanıklığının sıvıdaki türlerin bulanıklığına eşit olduğu basit denge kriteridir. Fugacity, gerçek ve ideal gaz Gibbs enerjileri arasındaki üstel farkla ilgili bir özelliktir. Buhar fazı fugasitesi, buhar fazındaki i türünün mol fraksiyonu ile saf bileşen buhar fugasitesine eşittir. Saf bileşen buhar fugasitesi yaklaşık olarak düşük basınçtaki basınca eşit olduğu için ifade basitleştirilebilir. Sıvı faz kaçakları, bir aktivite katsayısı, gama cinsinden ifade edilir. Aktivite katsayısı, gerçek bir karışımdaki bir bileşenin fugasitesinin, aynı bileşimin ideal bir çözeltisinin fugasitesine oranı olarak tanımlanır. Doyma buhar basıncında, saf bileşen sıvı fugasitesi, doyma buhar basıncına eşit olacaktır, çünkü saf buhar ve sıvı orada dengededir. Son olarak, sıvı ve buhar kaçakları eşit olduğundan, Raoult yasası olarak da bilinen ilişkiyi gösterildiği gibi daha da basitleştirebiliriz. Doygunluk buhar basıncı genellikle A, B ve C sabitlerinin türe özgü olduğu ve literatürde bulunabildiği Antoine denklemi kullanılarak hesaplanır. Böylece, dengede olan buhar ve sıvının bileşimlerini ölçersek, sıcaklık ve basıncı ve dolayısıyla doyma buhar basıncını ölçerek aktivite katsayılarını doğrudan hesaplayabiliriz. Bu deneyde üçlü bir metanol, izopropil alkol ve su karışımı araştırılacaktır. Karışımın çeşitli bileşimleri bir VLE aparatında kaynatılır ve daha düşük kaynama noktası bileşenleri buharlaşır ve sıvı ilk numune kabına geri toplanırken ayrı bir kapta toplanır. Dengeye ulaşıldığında, sıvı ve yoğunlaştırılmış buhar fraksiyonları toplanır ve gaz kromatografisi ile analiz edilir. Sıcaklık ve sıvı ve buhar mol fraksiyonları kullanılarak aktivite katsayıları hesaplanabilir. Artık VLE ve test cihazı kavramlarıyla tanıştığınıza göre, deneyin laboratuvarda nasıl gerçekleştirileceğini görelim.

Başlamak için, sistemdeki herhangi bir sıvıyı bir atık şişeye boşaltın. Sıvının tamamen boşalmayabileceğini unutmayın. İlk çalıştırma için üstteki açıklıktan %50 metanol, %30 IPA ve %20 su karışımı ekleyin. Karışımı doldurduktan sonra, ısıtıcı gücünü ve kondenser suyunu açın. Cihazın dengeye yaklaşması yaklaşık 20 dakika sürecektir. Sistem artık deneye başlamak için hazırdır.

Numune kaynamaya başladığında, sistemin inert çıkışını boşaltmak için durdurucuyu serbest bırakın. Yoğuşan buhar toplanmaya başlayacaktır. Dengeye ulaşıldığında, sürekli yoğunlaşmış buhar damlaları ve geri dönüş sıvısı gözlenmelidir. Sıcaklık 10 dakika boyunca 0,3 dereceye kadar stabil durumdayken, hem yoğunlaştırılmış buhardan hem de kaynayan sıvıdan numune şişelerinde yaklaşık 1/2 mililitre sıvı toplayın. Yoğuşan buharı son numuneden boşaltın. Ardından, numune portundan 20 mililitre saf metanol veya 50-50 metanol-izopropanolden oluşan yeni bir numune ekleyin. Bu yeni bir genel kompozisyon verecektir. Dengeyi daha önce yapıldığı gibi yeniden kurun, ancak önceki numuneden bir sıcaklık farkı bekleyin. Dengeleme ve numune alma prosedürünü daha önce olduğu gibi tekrarlayın ve ardından analiz edilecek numuneyi toplayın. Üç bileşenin farklı karışımlarını kullanarak deneye devam edin. Aktivite katsayılarını ve ikili etkileşim katsayılarını belirlemek için 12 puan yeterlidir. Tüm karışımlar çalıştırıldıktan sonra ısıtıcıları kapatarak sistemi kapatınız. Cihaz soğumaya başladığında, kondenser suyunu kapatın. Son olarak, her bir sıvı ve buhar numunesinin bileşimini gaz kromatografı veya GC ile ölçün.

Sistem sıcaklığını ve GC'den elde edilen sıvı ve buhar mol fraksiyonlarını kullanarak aktivite katsayılarını hesaplayın. Bu ilk olarak, doygunluk basıncının, her bir bileşen için A, B ve C sabitlerinin literatürde bulunabileceği Antoine denklemi kullanılarak hesaplanmasını gerektirir. Artık verileri bir modelle ilişkilendirmek için hesaplanan aktivite katsayılarını kullanabiliriz. Wilson denklemini, bir karışımdaki ideallikten sapmaları açıklayan üçlü bir karışım için kullanacağız. Dokuz lambda sabiti, i j 'ye eşit olduğunda bire eşit olan Wilson sabitleridir. Her ij çifti için iki farklı sabit vardır. Deneyden elde edilen mol kesri verilerini kullanarak kalan altı Wilson sabitini belirlemek için doğrusal olmayan bir regresyon ve standart bir kareler toplamı artık fonksiyonu kullanın. Wilson sabitleri daha sonra her bir numunenin her bir bileşeni için beklenen aktivite katsayılarını belirlemek için kullanılır. Burada, deneysel aktivite katsayılarına karşı çizilen modellenmiş aktivite katsayısını gösteriyoruz. İdeal olarak, modellenmiş ve deneysel aktivite katsayıları y eşittir x çizgisi boyunca düşecektir. Genel olarak gördüğünüz gibi, modellenen ve deneysel değerler bu çizgiye uyuyor ve modelin gerçek sisteme iyi uyduğunu gösteriyor.

Karışımların buhar-sıvı dengesini anlamak ve manipüle etmek, özellikle separasyonlar olmak üzere bir dizi proses için hayati bir bileşendir. Damıtma kolonları, her tepsideki sıvı ve buhar ifadelerindeki her bir bileşenin farklı bileşimleri ile uçuculuklarına göre karışımları ayırır. Daha uçucu bileşen buharlaştırılır ve kolonun tepesinde toplanırken, daha az uçucu bileşen sıvı kalır ve altta toplanır. Karışımın bileşenlerinin VLE verileri, bir damıtma kolonunda ayırma elde etmek için gereken tepsi sayısını belirlemek için kullanılır. Bu, mühendislerin işletme maliyetlerini düşük tutarken ayırma işlemini optimize etmelerine yardımcı olur. VLE kullanan bir diğer değerli ayırma tekniği de flaş ayırmadır. Flaş ayrımı, kabarcık noktası basıncına eşit veya daha yüksek bir basınçtaki bir sıvının yanıp sönmesi gerçeğine dayanır, bu da basınç azaldığında kısmen buharlaştığı anlamına gelir. Besleme önceden ısıtılır, böylece dengede bir miktar sıvı ve bir miktar buhardan oluşur. Daha sonra bir basınç düşürme valfinden separatöre akar. Buharlaşma derecesi ve dolayısıyla buhar veya sıvı fazlardaki çözünen maddenin miktarı, besleme akışının başlangıç durumuna bağlıdır.

Az önce Jove'un buhar-sıvı dengesine girişini izlediniz. Artık VLE'nin arkasındaki kavramları, laboratuvarda nasıl ölçüldüğünü ve mühendislik süreçlerindeki bazı kullanımlarını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.