Головна

елементи теорії

  1. I. Елементи лінійної алгебри та аналітичної геометрії.
  2. Аналітичним, т. Е виходячи з теорії досліджуваної взаємозв'язку;
  3. Атом водню з теорії Шредінгера
  4. Б. Елементи теорії множин, операції над множинами, квантори
  5. Базові поняття теорії безпеки життєдіяльності.

Розглянемо рідку двохкомпонентну суміш. Нехай обидва компонента летючі. У загальному випадку відносний вміст компонентів в паровій фазі буде відрізнятися від їх змісту в рідкій фазі. Склад пара залежить від загального тиску, температури і складу суміші. Ця залежність визначається законами Коновалова.

Перший закон Коновалова:

а) підвищення відносного вмісту даного компонента в рідкій фазі завжди викликає збільшення відносного змісту його в парах;

б) в подвійній системі пар, в порівнянні з розташованої з ним в рівновазі рідиною, щодо багатшими тим з компонентів, додаток якого до системи підвищує загальний тиск пари, тобто знижує температуру кипіння суміші при даному тиску.

Рідкі суміші можна розділити на компоненти за допомогою дистиляції.

Теоретичною основою процесу поділу рідких сумішей шляхом дистиляції можуть служити фазові діаграми склад - температура кипіння при постійному тиску.

На рис.3.3. представлені дві криві, що відображають одну і ту ж функцію (температуру фазового переходу жідкость-пар, тобто кипіння рідини і конденсації пари), але різні аргументи. Ці аргументи - молярна частка другого компонента в рідкої суміші (Х) і в парової суміші (Y), вони відкладені на одній і тій же осі абсцис.

Верхня крива (крива пара) Висловлює залежність температури фазового переходу від складу парової фази (Y), вище цієї кривої існує тільки пар; нижня крива (крива рідини) Висловлює залежність температури фазового переходу від складу рідкої фази (Х); нижче цієї кривої існує тільки рідина. В області діаграми, укладеної між кривими рідини і пара, система гетерогенна і являє собою суміш рідкої і парової фаз різного складу.

При X, Y = 0 Т1 - Температура кипіння чистого 1-го компонента, а при X, Y = 1 T2 - Температура кипіння чистого 2-го компонента.

рис.3.3

Позначимо через Х1 початковий склад рідкої суміші. Якщо нагрівати цю суміш (що відіб'ється проведенням вертикальної лінії з точки Х1 на осі абсцис), то при перетині цієї лінії з нижньої кривої починається кипіння. Горизонтальна пряма, проведена з цієї точки перетину, дозволить визначити температуру початку кипіння (Тн). Що випаровується рідина містить відносно більше молекул того компонента рідкої суміші, який кипить при більш низькій температурі (на рис.3.3 це 2-й компонент), тому склад перших порцій пара (Y2) Відрізняється від складу рідкої суміші на початку кипіння (Х1).

Склад перших порцій пара визначається по абсциссе точки перетину горизонтальної прямої, що відповідає температурі початку кипіння заданої суміші Тн, з кривою пара. Якщо відокремити перші порції пара і охолодити їх, так що пара конденсується в рідину, її склад X2 дорівнює складу пара Y2. Якщо нову рідину нагріти, то вона почне кипіти при більш низькій температурі, а склад перших порцій пара (Y3) При охолодженні дає рідина, близьку до чистого другого компонента. Повторне проведення такого процесу дозволяє повністю розділити подвійну рідку суміш на компоненти. На цьому заснований принцип дробової, або фракційної перегонки рідких сумішей. Поділ сумішей здійснюється тим легше, чим більше розрізняються за складом рівноважні рідина і пар.

Якщо не відокремлювати пар і нагрівати суміш далі, то суміш буде продовжувати кипіти до тих пір, поки рідина не перейде повністю на пару. Температура кінця кипіння Тк визначається за графіком (рис. 3.3).

У проміжній області температур (Тнк) Співіснують рідка і парова фази. Співвідношення кількостей рідкої і парової фаз в цій області визначається за допомогою правила важеля: для заданої температури Т0 проводиться горизонтальна пряма до перетину з кривими рідини і пара; з точки Х1 проводиться перпендикуляр до осі Х. Розглядаючи утворилися відрізки CD і DE, отримуємо «правило важеля»: довжини відрізків пропорційні кількостей парової і рідкої фаз, вираженим в мольних частках (n):

nпар/ nж = CD / CE. (3.6)

Перпендикуляри, опущені з точок D і Е на вісь абсцис, дозволяють визначити склади рідкої і парової сумішей при температурі Т0.

Розглянуті результати аналізу діаграми справедливі лише для подвійних систем, фазову діаграму яких має просту двоопуклу форму, аналогічну тій, яка показана на рис.3.3. Складніша ситуація виникає, якщо фазову діаграму має екстремум - максимум або мінімум (рис. 3.4).

T

рис 3.4

згідно другим законом Коновалова, На кривих температур кипіння з екстремумів обидві криві - пара і рідини - стосуються в точці екстремуму. Суміш складу Х, відповідна максимуму або мінімуму температури кипіння, називається азеотропной. Жідкая азеотропная суміш знаходиться в рівновазі з парою такого ж складу, Тому склад таких розчинів при перегонці не змінюється, і вони киплять при постійній температурі.

Якщо склад рідкої суміші не збігається з азеотропного, перегонка може привести до поділу, але неможливо розділити суміш на два чистих компонента. Така суміш розділяється на один чистий компонент і суміш азеотропного складу, яка поводиться як індивідуальна речовина.

При аналізі таких сумішей можна подумки розділити діаграму вертикальною лінією, що проходить через екстремум. Виходять дві незалежні двоопуклі криві, і їх можна аналізувати описаним вище методом (рис.3.3).

Питання про те, який з компонентів суміші може бути виділений в чистому вигляді, визначається тим, в яку з двох половинок діаграми потрапляє рідка вихідна суміш заданого складу. У разі розчину з мінімумом температури кипіння перегонка призводить до концентрування в залишку (Рідкої фазі) одного з компонентів, В конденсаті, Отриманому з парової фази, буде азеотропного розчин. Для розчину з максимумом температури кипіння перегонка призводить до зворотних результатів: азеотропного розчин буде в залишку, а конденсатом буде один з компонентів.

Оформлення розрахунку (частина 2)

Використовуючи табл.2 (див. Зошит для домашніх завдань), побудувати діаграму складу - температура кипіння рідкої суміші. Врахувати, що склад двокомпонентної суміші в збірнику домашніх завдань виражений в мольних відсотках першого компонента.

При побудові графіка масштаб по осі Х (склад) - 2см = 10% мольной частки першого компонента .. Масштаб по осі У (температура) вибрати таким, щоб максимально розширити область жідкопарового стану суміші, температуру доцільно висловити в градусах Цельсія. Область значень температури по осі У визначається заданими умовами. Нанесені на графік точки потрібно з'єднати один з одним для отримання кривих рідини і пара.

Вказати на графіку температури кипіння чистого першого і чистого другого компонентів.

На графіку показати температуру початку кипіння і кінця кипіння для суміші заданого складу X1.

Далі, використовуючи правило важеля, потрібно знайти відношення кількостей парової і рідкої фази при нагріванні рідкої суміші складу X1 до температури Т0 (Показати на графіку). Знайти також склади рідкої і парової фаз при температурі Т0.

Відповісти на питання: чи можна для суміші заданого складу отримати, шляхом дистиляції, чистий другий компонент і якщо немає, то чому?

Визначити за допомогою діаграми склад конденсату перших порцій пара.

Питання для самоконтролю

1. Рівняння Клапейрона і Клаузиуса-Клапейрона, застосування.

2. Фазова діаграма стану чистого речовини.

3. Правило фаз Гіббса.

4. Чи є процес випаровування екзо- або ендотермічну?

5. Як і чому зміна тиску впливає на температуру плавлення льоду?

6. Закон Рауля. Наслідки закону Рауля.

7. Закони Коновалова.

8. Що таке азеотропного розчин? Можливість виділення з нього одного з компонентів.

9. Що таке дрібна (фракційна) перегонка? Застосування.

Таблиця вихідних даних

 Частина 1  Частина 2  
 речовина    двокомпонентна суміш    
 Заданий склад Х1    
 Тиск (для визначення Тк)    
Т0    

Таблиця кінцевих даних

 ? Нісп    Температури початку (Тн) І кінця кипіння (Тк)    
Тк    
 Склад перших порцій пара    
   
 Ставлення кількостей рідкої і парової фаз при Т0    
 Склади рідкої і парової фаз при Т0    
 Висновок про можливість отримання чистого другого компонента в результаті перегонки суміші з заданим Х1    

елементи теорії | МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ


Мішустін А. І., Білоусова К. Ф. | елементи теорії | елементи теорії |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати