Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 162

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

женной

на

рис.

V I I I . 1, показаны изоэнтальпы и

изоэнтропы

в точке

п.

В

технических

приложениях

часто

применяют

t—р—і-

и t—р—5-диаграммы.

Указанные

диаграммы исполь­

зуют при термодинамическом анализе работы и оптимальном проектировании паросиловых установок, установок для сжи­ жения газов методом глубокого охлаждения, расчета холо­ дильных установок и т. д.

 

 

 

§ VI1I.6. Фазовые диаграммы

 

 

 

двухкомпонентных

систем

Полная диаграмма состояния двухкомпонентной системы

является

четырехмерной

фигурой.

Диаграмма

состояния

двухкомпонентной

системы

содержит ось

бинарных

соста­

вов — отрезок Ai—Лг, или ось N. Поэтому

полными

диаграм­

мами

состояния

таких

бинарных

систем

являются

Л'—р—Т—V-, N—р—Т—Н-

или

N—р—Т—S-диаграммы.

Пренебрегая экстенсивной координатой, получаем трех­ мерную N—р—-Г-диаграмму. Для бинарных систем характер­ но несовпадение критических пара­ метров бинарных растворов с мак­ симальными температурами и дав­ лениями раствора (рис. ѴІП.2). На дуге MKN при увеличении темпера­ туры давление в системе падает и происходит частичная конденсация жидкости (обратная конденсация),

апри уменьшении температуры

 

давление возрастает

и

часть

жид-

-у*

кости

испаряется

(обратное

испа-

Рис. ѴІІІ.2. р—Г-диэграмма

Р е н и е )

•

VIII.3

изображены

двухкомлонентного раствора

На

рис.

 

изобарические

диаграммы кипения

неограниченно смешивающихся , жидкостей в докритической области.

К равновесию жидкость

пар в

докритической

области

(в отличие от случая, представленного

на рис. VIII.2)

приме­

нимы законы Гиббса — Коновалова. Так, из первого закона

Гиббса

—. Коновалова

следует, что азеотроп

(нераздельно-

кипящая

жидкость),

изображенный на

рис. VIII . 3, а и

VIII.3, б точкой С, может быть либо в точке максимума, либо

в точке минимума на кривых кипения жидкости или конден­

сации

пара. Поэтому касательные

в точках А Х или В {

к ли­

ниям

кипения или конденсации должны иметь одинаковый

знак

коэффициента наклона, а в

точке С касательные

долж­

ны быть горизонтальными.

172

Линии ab\C%e и a'b\c'2ë

характеризуют процесс нагрева­

ния жидкости а

или а' с последующим ее испарением. Точки

Ьи Ь'\ отвечают

началу кипения,

точки с2, с'-2 —

концу кипе­

ния, точкам е,

е' соответствует

перегретый пар,

полученный

А

а

а,

В

 

 

 

 

Рис. ѴІІІ.З. Изобары кипения — конденсации

в двухкомлонентных

систе­

мах, образованных

неограниченно

смешивающимися

жидкостями:

а —• система с верхней азеотропной точкой С; б —

система с

нижней

азеотропной

 

точкой С; в — система без

азеотропа

 

 

 

из жидкостей а и а'. Точки вдоль линий Ь\С2 и Ь'\с'2

изобра­

жают

двухфазные

комплексы в

ходе

кипения

жидкостей а

и а'.

Концы Ь\ и Ь2

коннод Ъ\С\ и Ь2с2

и точки

дуги

Ьф2

изо­

бражают состав жидкой фазы в ходе кипения, а точки с, и с2 точки дуги С\С2 — состав равновесного пара при условии, что ни пар, ни жидкость в ходе кипения не отводятся из сис­ темы. Аналогично точки дуги b\b'2 — точки кипящей жидко­ сти, а с'\ и с'2 — точки насыщенного пара при кипении комп­ лекса а'.

Линии ес2Ь\а и е'с'2Ь\а' характеризуют охлаждение пере­ гретых паров е и е' до жидкостей а и а'. Очевидно, составу

пара отвечают точки дуги с2С\ или с'2с'и

а точкам дуг

Ьф\

или b'2b'x

— состав конденсата, полученного

в равновесии

с паром.

Диаграммы, изображенные на

рис.

ѴІІІ.З,

могут

173

быть использованы при рассмотрении процессов разделения веществ методом дистилляции и ректификации (рис. V I I I . 4 ) .

При осуществлении простой, дистилляции (рис. VIII.4,а) пары кипящей жидкости непрерывно отводят из аппарата, в котором производят нагрев жидкости (перегонный куб).

Рис.

V I I 1.4.

Схема

процессов

разделения

веществ

с использованием испа­

 

 

 

 

 

рения и

конденсации:

 

 

 

 

а —

простая

дистилляция;

б —

дистилляция

с д е ф л е г м а ц и е й ;

в

—

ректификация;

/

—

куб; 2

— ректификационная колонна; 3

— д е ф л е г м а т о р ;

4

—

конденсатор;

 

5

— приемник;

Q '—

затраченная

теплота: Qi, Q2

— отводимая теплота

Для рассмотрения дистилляции разрезаем диаграммы, изо­

браженные на рис. VIII.3, а и VIII . 3, б

через вершину С вер­

тикальной линией и получаем рис. VIII.3, в, причем

одна

из

сторон диаграммы может

изображать

азеотроп.

В

отличие

от предыдущего случая

состав

испаряемого

комплекса

а

теперь изобразится не вертикальным отрезком

b \ C 2 ,

а наклон­

ной линией Ъ\с%, отклоняющейся

от вертикали

Ь\С2

в

сторону,

противоположную направлению конноды Ь\С\. Очевидно, точ­ ка Сз расположена выше с2, фигуративная же точка соответ­ ствующей ей жидкой фазы &3 выше и правее точки Ь2, Это" означает, что при дистилляции раствора можно получить жидкость, более богатую высококипящим компонентом В или верхним азеотропом С, чем при кипячении раствора в изоба­ рических условиях или отсутствии отбора пара. Если конден­ сат собирают в один сосуд или производят его нефракцион­ ный отбор, то каждая последующая порция разбавляется

174

обогащенным по компоненту А или нижнему азеотропу С ранее полученным конденсатом, и состав нефракционированного конденсата в ходе дистилляции изобразится кривой C\f. Очевидно, количества нефракционированного конденсата / и кубового остатка Ь3 связаны соотношением

 

 

 

 

 

 

 

/ + h

= а = е,

 

 

 

т. е. могут быть рассчитаны

по правилу

рычага с плечами

Ьге и fe соответственно для / и Ь%.

 

дефлегмацией

При

расчетах

процессов

дистилляции с

(рис. VIIL4,

 

б)

и ректификации

(рис. VIII.4, в)

получили рас­

пространение

энтальпийные

диаграммы,

или

N—//-диаграм­

мы,

которые

строятся

при

 

 

 

 

 

условии

р = const.

 

Общий

 

 

 

 

 

вид

такой

диаграммы

для

 

 

 

 

 

случая

двухкомпонентной

 

 

 

 

 

системы

показан

на рис.

 

 

 

 

 

VIII.5.

Кроме

того,

приме­

 

 

 

 

 

няются

также

и

N—5-диа-

 

 

 

 

 

граммы,

или

энтропийные

 

 

 

 

 

диаграммы. Детальные

гра­

 

 

 

 

 

фоаналитические расчеты

с

 

 

 

 

 

применением

 

энтальпийных

 

 

 

 

 

и

энтропийных

диаграмм

 

 

 

 

 

рассматриваются

в

руко­

 

 

 

 

 

водствах

по

технической

 

 

 

 

 

термодинамике

и

теплотех­

Рис. VIII . 5 . N—Я-диаграмма

двух­

нике, в

литературе

по

про­

 

компонентной

системы

 

цессам

дистилляции,

ректи­

 

 

 

 

 

фикации, глубокого охлаждения и т. д.

 

 

 

Нередки

случаи,

когда

компоненты А и В в жидкой

фазе

обладают ограниченной растворимостью друг в друге, т. е. образуют на фазовой диаграмме область расслоения жидких фаз. Соответствующие фазовые диаграммы изображены на

рис. V I I 1.6. Случай

(а) характеризуется наличием

азеотропа

С, расслаивающегося

при конденсации, а в случае

(б) такой

азеотроп невозможен. Нетрудно убедиться, что вдоль линий eCf (рис. VIII.6, а) и eFg (рис. VIII.6, б) реализуются моно­ вариантные равновесия, которые при условии р = const оказы­ ваются квазинонвариантными.,Как известно, нонвариантные равновесия в бинарных системах подразделяют на равнове­ сия 1) эвтектического типа, если при изотермическом подводе теплоты в указанном равновесии число фаз уменьшается, и 2) равновесия перитектического типа, если число фаз возра­ стает при подводе теплоты. Распространяя эту классифика­ цию на квазинонвариантные равновесия и добавляя к харак-

175

тьристике равновесия приставку квази-, отмечаем, что в сис­

теме

с расслаивающимся

азеотропом при

охлаждении

пара

С до

состояния С получаем две

жидкие

фазы х и у,

т. е.

в точке С имеет место следующее

превращение:

 

 

- Q

 

 

 

 

Сг Z

а,Ж ) +

&(ж).

 

(VIII. 13)

+Q

Вслучае, изображенном на рис. ѴІІІ.б, б, нагрев гомоген­

ной жидкости F до состояния F' приводит к образованию

a

S

Рис. VIII . 6 . Изобары кипения — конденсации бинарной систе­ мы, образованной несмешивающимися жидкостями:

а — д и а г р а м м а квазиэвтектического тгпа; б — д и а г р а м м а квазиперитектического типа

жидкости X и

пара

у , т. е. в

точке

F

осуществляется равно­

весие

 

 

 

 

 

 

 

 

+Q

 

 

 

 

 

 

Р(ж) Z

<Ч*) +

8(г)-

(VIII. 14)

 

 

-Q

 

 

 

 

Согласно

приведенному

выше

определению,

равновесие

( V I I I . 13) относится

к равновесиям

квазиэвтектического типа,

а равновесие

(VIII.14) — к равновесиям квазиперитектиче-

ского типа.

 

 

 

 

 

 

Далее рассмотрим процессы равновесного плавления и за­ твердевания в бинарных системах. Вначале ограничимся слу­ чаем, когда жидкая фаза не способна к расслоению, а твер­ дая фаза непрерывным образом в изотермических условиях может быть превращена из А в В, т. е. молекулы А могут

176

Смотрите также файлы