汽液平衡

了解化学成分在蒸气和液相中的分布, 称为汽液平衡是许多工程过程的设计、操作和分析的关键。汽液平衡或汽是一种在液体和蒸气相中都存在纯组分或混合物的状态。这些阶段的平衡意味着系统的宏观性质在一段时间内没有变化。单组分汽是简单的形象化。以100摄氏度和1个自动取款机为例, 在蒸汽和液相中处于平衡状态的水. 在这之上温度水是蒸汽。在它下面, 水是一种液体。然而, 工程师通常会在平衡过程中遇到混合物, 使得对汽的分析更加复杂, 因此对工艺设计至关重要。这段视频将说明混合物汽液平衡的原理, 并演示如何分析混合物在实验室中的汽。最后介绍了汽在化工领域的应用。

当加热的混合物处于汽液平衡时, 蒸气和液相通常没有相同的成分。沸点较低的物质在蒸气中的浓度会比具有较高沸点的物质更高。因此, 工程师指的是每个阶段的成分, 其摩尔分数 xi 是第一种的摩尔分数的液体和易是摩尔分数的物种 i 在气相中。这种关系通常是用 xy 曲线来描述的, 比如在这里显示的两个分量的混合, 说明每个阶段中每个组件之间的关系。所有汽计算的出发点是一个简单的平衡准则, 即在蒸气中的物种的逸等于液体中的物种的逸。逸是一个与真实和理想气体吉布斯能量之间的指数差相关的性质。蒸气相逸等于在蒸气相中 i 类的摩尔分数的纯组分蒸气逸。该表达式可以简化为纯组分蒸气逸近似等于低压压力。液相 fugacities 以活动系数伽马表示。活动系数的定义是一个组分的逸在一个实际的混合物的比例, 以逸的理想溶液的相同成分。在饱和蒸气压下, 纯组分液体逸将等于饱和蒸气压, 因为纯净的蒸气和液体在平衡中。最后, 由于液体和蒸气 fugacities 是相等的, 我们可以进一步简化关系, 如图所示, 这也称为拉乌尔定律。饱和蒸气压通常是用安东尼方程式计算的, 其中常数 A、B 和 C 是物种特异的, 可以在文献中找到。因此, 如果我们测量的蒸气和液体的成分是在平衡, 我们可以直接计算的活动系数, 通过测量温度和压力, 因此, 饱和蒸气压。本实验将对甲醇、异丙醇和水三元混合物进行研究。混合物的各种成分被煮沸在一个汽装置和较低沸点组分蒸发并且被收集在一个单独容器, 当液体收集回到最初的样品船时。一旦达到平衡, 就用气相色谱法收集和分析液体和冷凝气的组分。使用温度和液体和蒸气摩尔分数可以计算活动系数。现在, 你已经介绍了汽和测试仪器的概念, 让我们看看如何在实验室进行实验。

启动时, 将系统中的任何液体排出垃圾瓶。请记住, 液体可能不会完全流失。第一次运行增加了50% 甲醇, 30% 投资促进剂和20% 水通过在顶部的开放的混合物。在灌装后, 打开加热器电源和冷凝水。该仪器将需要大约20分钟来接近平衡。这个系统现在可以开始实验了。

当样品开始沸腾时, 释放塞子以发泄系统的惰性出口。凝结的水汽将开始收集。当达到平衡时, 应观察凝结蒸气和返液的稳态滴落。随着温度稳定到0.3 度内10分钟, 收集约1/2 毫升的液体样品瓶从冷凝蒸气和沸腾的液体。从最后一个样品中吸取冷凝蒸汽。然后添加一个新的样品, 其中包括20毫升的纯甲醇或50-50 甲醇-异丙醇通过样品港。这将给出一个新的整体组成。重新建立以前执行的平衡, 但是期望与上一个样本的温差。重复平衡和取样过程, 然后采集样品进行分析。继续使用三组分的不同混合物进行实验。12点足以确定活动系数和二元相互作用系数。当所有的混合物都已运行, 关闭系统关掉加热器。当仪器开始冷却时, 关闭冷凝器的水。最后用气相色谱或 GC 测定每种液体和蒸气样品的组成。

利用系统温度和从气相色谱中获得的液体和蒸气摩尔分数计算活动系数。这首先要求饱和压力的计算使用的安东尼方程的常数 A, B 和 C 的每个组成部分可以在文献中找到。现在, 我们可以使用计算出的活动系数将数据与模型关联起来。我们将使用威尔逊方程的三元混合物, 其中的偏差, 从理想的混合物。九λ常数是在 i 等于 j 时等于1的威尔逊常量。对于每个 ij 对, 有两个不同的常量。使用一个非线性回归和一个标准的平方和残差函数来确定六剩余的威尔逊常数使用的摩尔分数数据的实验。然后使用威尔逊常数来确定每个样本的每个分量的预期活动系数。在这里, 我们展示了模拟活动系数绘制的实验活动系数。理想情况下, 模型和实验活动系数将沿 y 等于 x 线下降。正如您所看到的一般, 模型化和实验值沿着这条线, 表明该模式是一个很好的适合实际系统。

理解和操纵混合物的汽液平衡是一系列过程特别是分离的重要组成部分。蒸馏塔分离混合物根据他们的挥发性与每个组分的不同的组分在每个盘子的液体和蒸气词组。挥发性更强的组分被汽化并收集在柱顶, 而挥发性较小的成分保持液态, 并在底部收集。该混合物的组分的汽数据用于确定在蒸馏塔中实现分离所需的托盘数量。这有助于工程师优化分离过程, 同时保持运营成本低。另一种有价值的分离技术使用汽是闪光分离。闪光分离是基于这样一个事实, 即液体的压力等于或大于其气泡点压力闪烁的意思是, 它部分蒸发时, 压力降低。饲料被预热因而包括一些液体和一些蒸气在平衡。然后通过减压阀流入分离器。蒸发的程度, 因此, 在蒸气或液相中的溶质量取决于饲料流的初始状态。

你刚刚看了朱庇特介绍汽液平衡。你现在应该了解汽背后的概念, 它是如何在实验室测量的, 以及它在工程过程中的一些用途。谢谢收看