научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ОДНОКРАТНОГО АКТА РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИДЕАЛЬНОГО РАСТВОРА ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ОДНОКРАТНОГО АКТА РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИДЕАЛЬНОГО РАСТВОРА ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 81, № 3, с. 540-544

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ. ХРОМАТОГРАФИЯ

УДК 543.544

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ОДНОКРАТНОГО АКТА РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИДЕАЛЬНОГО РАСТВОРА

ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ

© 2007 г. В. П. Чижков, В. Н. Бойцов

Российская академия наук. Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского, Москва Поступила в редакцию 16.05.2006 г.

Результаты термодинамического анализа элементарного процесса дистилляции, в котором разделение компонентов раствора происходит вследствие термодинамической неравновесности фаз, обобщены и сопоставлены с данными, полученными при изучении акта разделения смеси, осуществляемого за счет подвода энергии от внешнего источника. Дана термодинамическая интерпретация оптимальных условий тонкого разделения эквимолярной бинарной смеси однократной дистилляцией.

К фундаментальным понятиям общей теории разделения [1, 2] относятся понятия "работа разделения" и "ценность смеси". Результаты термодинамического анализа акта разделения эквимолярной бинарной смеси, осуществляемого за счет подвода энергии от внешнего источника, обобщены в [3], где рассматривается модель ступени квазистатического (равновесного) разделения и дана термодинамическая интерпретация работы разделения и ценности смеси. Соотношение между изменением энтропии и ценности смеси имеет вид:

А ^см,а = К

Ао + в 0а 1 /2 - 1

4 а1/2+1

1п а

1/2

(1)

акт [1] на примере разделения эквимолярной смеси компонентов А и В (см. рисунок). В рассматриваемых системах, содержащих А0 молей одного из разделяемых компонентов и В0 молей другого (А0 = В0), получают две фракции, различающиеся содержанием разделяемых компонентов (А1, В1 молей - в одной фракции и А2, В2 молей - в другой). Акт разделения дистилляцией будем характеризовать параметрами

а =

В/ВЛ/Г1-В1ВЛ _ В1/А1 _ хв/у

А/А,

1- А1/ Ао,

В1/ Во

В2/А2

ХА/УА

в =

а наибольшая работа, которую можно совершить в обратимом процессе разделения, следует из уравнения:

ЖГ = ГА^а = -Аи,

где К - газовая постоянная, Г - абсолютная температура, А0 и В0 - количества молей разделяемых компонентов А и В в смеси, а - коэффициент разделения [1] и Аи - изменение внутренней энергии источника (электрического аккумулятора в [3]). Настоящая работа представляет собой попытку термодинамической интерпретации элементарного акта и оптимальных условий разделения эквимолярной бинарной смеси дистилляцией с учетом и привлечением данных [3].

Дистилляцией называется процесс разделения, основанный, как известно [1], на использовании различия в составе равновесных жидкой и паровой фаз и включающий в себя частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно [1, 4]. Изучим однократный

А1/Ао

и уравнениями

В1/В0 = (а - р)/(а - 1), В2/В0 = (в - 1)/(а - 1), А1/А0 = (а - в)/в(а - 1), А2/А0 = а(в - 1)/в(а - 1),

(а)

¿2, В2 D а

С С Ао, Во

А1, В1

(б)

¿2, В2 D а D А02, В02

С С

А01, В01 ¿1, В1

Ступени дистилляции (ректификации) [1], Ао = Во, А01 + А02 = ^ В01 + В02 = В0.

где х, и у, - концентрации компонента i (A или B) в жидкой и паровой фазах.

Для идеальных систем (жидкая фаза - идеальный раствор, а паровая фаза - идеальный газ) принимают [1]

Ув = Рв/Р, У a = РА/Р,

xB = PB/Pb , XA = PA/Pa ,

0 , 0 a = ao = Pa /Pb ,

где pA и pB - парциальные давления компонентов,

о о

pA и pB - давления насыщенных паров,р - давление газовой смеси.

В уравнении для a не учитывается влияние давления р на коэффициент разделения. Более общим, чем закон Рауля, является обоснованное в [5-7] соотношение

Pi = XjP0 exp[ v, ж(р - р0 )/RT],

где v ж - мольный объем чистого жидкого компонента i. В приведенном уравнении р = 1,р, Ф const, так как значение р изменяется с изменением состава идеального раствора. С учетом этого уравнения для рассматриваемых систем имеем

a = ( Pa / pb )exp[vB, ж( pb - P)/RT +

+ vA, ж(Р - pA )/RT]. В частности, если менее летучий компонент присутствует в малых количествах, то р = рА, наоборот, при высоких концентрациях менее летучего

о

компонента р = рБ , соответственно имеем a = ХБ/УБ = kb = (ра / Pb )exp[vB, ж( рБ - pa )/rt

a = УА/ХА = 1/KA = (PA/PB )exP[vA, ж(РБ - PA )/RT].

Отметим, что несколько более сложный случай дистилляции и хроматографии с инертным не конденсирующимся газом, не растворимым в жидкой фазе, рассмотрен в [5, 7-10].

При выводе уравнения pj = р0 xi подразумевается постоянство давления р во всем диапазоне изменения концентраций х,, т.е. 'Lp, = р = const [5, 7]. Это соотношение может быть выполнено, если все компоненты раствора в чистом виде при температуре T имеют одинаковое давление пара.

При р = рА = рБ = const, по данным [5, 7], имеем

о 1

Pi = хр, и X, = у,, т.е. a = a0 = 1, что справедливо,

например, для смеси оптических изомеров. В тех

о о

случаях, когда значения рА и рБ значительно от-

0 , 0

личаются друг от друга, отличие а от рА /рВ может стать заметным. Однако в случае тонкого разделения [1] экспоненциальным множителем

можно пренебречь, тогда а = рА / рВ [9, 10].

Принимая в дальнейшем а = рА /рВ , изучим изменение энергии Гиббса в системах, представленных на рисунке а и б. Жидкую фазу обозначим буквой С, а паровую - буквой Б. Определим изменение энергии Гиббса, сопровождающее две параллельно протекающие реакции [4].

В (ж) ^ В (пар)

А(ж) А(пар).

Энергия Гиббса следует из уравнения

О = Вс + Вб + Ас Да + Ав Да ,

где количества молей разделяемых компонентов при любой глубине протекания реакций связаны соотношениями

Вс + Вв = Во = Ас + Ав = Ао,

а химические потенциалы для идеальных растворов даются уравнениями Гиббса

дс = дБс + RT ln-

дА = дАс +rt in-

Bc

Be

Br

D 0D . r,^,

= Дв + RT in-

D 0D . r,^,

Дв = Да + RT in

B

D

*D + Bd'

Ad

D

B

D

В начальном положении (Вс = В0, Вв = 0, Ас = А0, Ав = 0, О = Оь, рисунок а)

Оь = В0 Дс + А0 дА ,

а в состоянии равновесия жидкость-пар (Вс = В1, Вв = В2, Ас = А1, Ав = А2, О = Ок, рисунок а и б)

Ок = В1 дс + В2 дв + А1 дА + А 2 дА.

Изменение энергии Гиббса при переходе системы из начального состояния в состояние равновесия следует из уравнения

-(Ок - °ь> = В0 дВс + А0 дАс - В1 дВс -

п 0D i ос , 0D т. с

- B2Дв - Ai Да - A2Да - TAS,

где

с

с

и

542

A S = R

A1ln —^ + B1 ln

1 A1 + B1 1 Aj +

+ B2ln —bb2--A0ln

2 Ao + B An + Bn

ЧИЖКОВ, A

B1

2 A2 + B2 B

+

- B0ln-

0 An + Bn

2 2 0 0 0 0

Представим уравнение для AG состоящим из двух слагаемых

-(Gk - Gh) = -AG = -(AG' + AG"),

где

A^' D 0C , 0C D 0C D 0D

-AG = B0 Дв + A0 Дд - B01 Дв - B02 Дв -

-A01 ДД - A02 ДД - TAS

и (см. рисунок б)

0C 0D 0C 0D

-AG = B01 Дв + B02 Дв +A01 Дд + A02 Дд -

0C 0D 0C 0D

- Bi Дв - B2 Дв - Ai Дд - A2 Дд - TAS'.

БОЙЦОВ

В начале рассмотрим уравнение для АО'. Это уравнение можно представить в следующем виде:

ко ос Дв -

-A G = B0 дВС + AoдДC- Bc

1 + k0

B0 ■ i ■ ДВ A0 1 . ■ Дд A

1 + k

0

1 + k

1 0D Дв

0

1 + k

1 0C 0D

= B00Y+J-(Дв - Дв ) + A0

1 0C 0D

(Дд - Дд ) =

1 + k

+ B0 1 г/ 0С 0D4 . , 0С 0D41

■ [(Дв - Дв ) + (Дд - Дд )],

2 1 + k0 где [7, 10]

0D 0D 0C 0D 0

Д° = Д° (T) + RTlnр, д° = д° (T) + RTln р° ,

0D 0C Дв - Дв = RT ln

B1

B2

A1 + B1 A 2 + B2

Здесь

A01 = B01, A02 = B02, A 01 + A 02 = A 0, B01 + B02 = B0,

Aoi/(Aoi + B01) = Ao2/(AO2 + B02) = Ao/(Ao + Во), Boi/(Aoi + B01) = Bo2/(Ao2 + B02) = Bo/(Ao + Bo),

B

A 01 + B01

B02 II 02A A02 + B02 k0,

B01 = A 01 = A01 + В01 k0

B0 = A0 = A 0 + B0 = 1 + k 0

B02 = A 02 = A 02 + В02 1

B0 = A0 = A 0 + B0 = 1 + k 0

A S = R

A 01lnj

01 + B01

+ B01lnj

B

01

01 + B01

+

+ A02ln

02

A 02 + B02

+ B02lnj

B

02 + B02

- A0ln

A 0 + B0

■- В ln- B0

AS" = R

A1 ln

A1

A 1 + B1

A0 + B0

+ B1 ln

= 0, B1

A1+ B1

+

A 2 B2 + A2ln ■ .„ + B2ln ■ . 2 „ -A01ln

01

A 2 + B2

- B01 ln a

B0

01 + B 01

A2 + B2

- A02ln A

A 01 + B01

02

02 + B02

- B02lnj

B0

02 + B 02

= AS.

= RT ln— = RT ln-P,

JB рв

0D 0C

Дд - Дд = RT ln

X

A1 + B1 A 2 + B2 p

= ЯТ 1п — = ЯТ

.Уа РА

По данным [1, 11] для ряда гомологов или изотопоза-мещенных соединений, можно написать уравнения

о , о 0Ч1/2 РР = ( Ра Рв) ,

1/2 0 , 0 0 , 0 , 0 , 0 ,1/2 аРА = авр = а = раРр = РРРв = (Ра/Рв ) ,

0

где рр - давление насыщенного пара чистого вещества Б. С учетом приведенных уравнений получим

A G = (A0 + В0)

1

1 + k

RTln

, 0 0.1/2 (РдРв)

= (A0 + В0) ^ RT lnp,

где [i2] exp

0C 0D

Д00 - Др ( T)-RT

1 + kn

pF = exp

Pf

rASF í 1 - Tкип.

R l T

Здесь и Ткип.р - соответственно энтропия испарения и температура кипения вещества Б. При

0 ^ ч0 ,00 ч1/2 0 Р = Рв + (1 - *в) Ра = ( Ра Рв) = Рр

имеем

0D 0С Г.ГГ1Л i/2 0С

0D 0С Г.ГГ71 i/2 0С 0D к г\

Дв - Дв = RTln ai/2 = Дд - Дд и AG = 0.

Здесь

хВ = В1/(А1 + В1) = а1/2/(а1/2 + 1) при в = а1/2.

Во( 1п в -¡Нш а

АоI ¡^=10111па -1пв

Перейдем теперь к интерпретации АО". Термодинамический эффект разделения (при а ^ 1) заключается в изменении (уменьшении) энтропии смешения разделяемых компонентов. Разность эн-тропий смешения исходной смеси и выделенных после осуществления элементарного акта разделения фракций (см. рисунок) для идеальных растворов следует из уравнений

АЗ" = Я

А 11п

А1

А1+ В1

+ В11п

В1

+ А21п-

+ В21п-

А1 В2

В1

+

В2 2 А2

В

- Ао1пА

Во

- Во1п-

В

= Я1 Во

гВ, В1/Во

Во

В2 В2/Во ю-1п

Во 1- 0

+ А о

Ал А1/Ао Ао А2/А

—-1п

0

+ -01п'

1-0

= А 5,

где 0 - степень деления фракций, определяемая из соотношений

0 = (А1 + В1)/(Ао + Во), 1 - 0 = (А2 + Вз)/(Ао + Во). При Ао = Во имеем

0=

1

А1 В1

В

Ао

1-0 = 22

Ао

0В00002 0В0000о

= ос - вв + 1 а-1 2в '

= а + в а - 1 2 в '

а для тонкого разделения смеси (а - 1 <§ 1 [1]) получим (1 < в < а)

А5 = Я-

= Я-

Во а - вв - 1 (ва - в^ -

в а-1(в +1 а + в Во а - вв-1, Ао

--в-00^1п а = А5смв

= Я -

Во а - вв - 1

1п а.

в а-1

Производная ё(АБсм^ р)/^в при приравнивании ее к нулю приводит к оптимальному значению в = а1/2. Этому значению в соответствует максимальное значение А5см, р = А5см, а. Отметим, что равенство в = а1/2 является основным условием построения идеального каскада [1, 2, 4], в котором однократный эффект

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком