научная статья по теме О ПРОЯВЛЕНИИ ИДЕАЛЬНОСТИ В НЕИДЕАЛЬНЫХ ТРОЙНЫХ СМЕСЯХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «О ПРОЯВЛЕНИИ ИДЕАЛЬНОСТИ В НЕИДЕАЛЬНЫХ ТРОЙНЫХ СМЕСЯХ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 4, с. 429-435

УДК 541.3.123.3

О ПРОЯВЛЕНИИ ИДЕАЛЬНОСТИ В НЕИДЕАЛЬНЫХ

ТРОЙНЫХ СМЕСЯХ

© 2009 г. Л. А. Серафимов, Ю. А. Писаренко, О. О. Усольцева

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

oksochka06@mail.ru Поступила в редакцию 29.01.2009 г.

Рассмотрены многообразия, имеющие размерность, равную единице, в диаграммах трехкомпонентных двухфазных неидеальных системах с идеальной паровой фазой, вдоль которых соответствующая этим многообразиям смесь ведет себя как идеальная в жидкой фазе.

За последнее время, начиная с 1968 г., термоди-намико-топологический анализ получил существенное развитие [1-6]. Вместе с тем, наряду с топологическими особенностями диаграмм фазового равновесия, которые позволяют определить области развития процесса ректификации и достижимость в случае неидеальных, особенно азеотропных, смесей конечных составов ректификационного процесса, немаловажную роль играют геометрические особенности фазовых диаграмм. К таким особенностям относятся различные многообразия, имеющие размерность на единицу меньшую, чем размерность концентрационного симплекса. В случае трехкомпонентных смесей это, прежде всего, изотермо-изо-бары [7, 8], единичные К-линии [8, 9], единичные а-линии [10, 11], складки на температурных поверхностях сосуществующих фаз [12, 13] и многие другие многообразия, которые играют часто определяющую роль в организации ректификации, особенно в ее специальных методах, основанных на принципе перераспределения полей концентраций между областями разделения [14, 15]. К таким многообразиям относятся, в частности, такие многообразия, вдоль которых смесь, в общем неидеальная, ведет себя как псевдоидеальная [16, 17].

Настоящая статья посвящена именно таким многообразиям. Вопрос исследований таких многообразий в общем виде для п-компонентных смесей довольно сложный. Поэтому в данной работе мы ограничились рассмотрением трехкомпонентных смесей.

При умеренных давлениях, если отсутствует ассоциация отдельных компонентов в любой неидеальной трехкомпонентной смеси, паровая фаза может быть принята идеальной, подчиняющейся закону Дальтона. В этом случае неидеальность смеси определяется жидкой фазой и выражается коэффициентами активности компонентов: ух, у2 и у3.

Все многообразия трехкомпонентной диаграммы фазового равновесия размерности, равной единице, подразделяются на граничные и внутренние.

Граничные многообразия соответствуют трем бинарным составляющим и являются линейными отрезками (ребрами концентрационного треугольника), каждый из которых соответствует определенной бинарной смеси: 12, 13 или 23. Внутренние многообразия, как правило, криволинейны и соответствуют постоянным величинам какого-либо свойства трехкомпонентной смеси.

Обычно к идеальным системам относятся двухфазные системы жидкость-пар, в которых жидкая фаза подчиняется закону Рауля, а паровая фаза закону Дальтона. Таким образом, для жидкой фазы справедливо уравнение для компонента I:

Р; = Р■ ^, (1)

а для паровой:

Р; = Ру, (2)

Здесь Р; - парциальное давление компонента i, Па;

Р; - давление паров чистого компонента i при температуре кипения раствора, Па; Р - общее давление, Па; у;, х; - концентрация компонента i в парах и в жидкости, мол. д.

Температура кипения Тк определяется для таких смесей уравнением

п

£ Р0 (Тк) х, = Р. (3)

В связи с этим поверхность температур кипения при постоянном давлении трехкомпонентных смесей такого типа является линейчатой, а изотермо-изобары отличаются от диаграмм изотермо-изобар неидеальных смесей.

На рис. 1а представлены траектории открытого равновесного испарения смеси бензол-толуол-о-ксилол, которая при 101.33 кПа является практически идеальной. На рис. 16 представлены изотер-мо-изобары той же смеси.

(а)

110.6 °Сд Толуол

80.13 °С

Бензол

Давление 101.32 кПа

(б)

Толуол

144.5 °С

о-Ксилол Бензол

о-Ксилол

Рис. 1. Система траекторий открытого равновесного испарения (а) и изотермо-изобары (б) системы бен-зол-толуол-о -ксилол.

Как видно из рис. 1, все изотермо-изобары, т.е. линии, вдоль которых давление и температуры постоянны, являются прямыми отрезками, а вся поверхность температур кипения является линейчатой. В самом деле, при постоянной температуре величины упругости паров чистых бензола, толуола и о-ксилола постоянны и, следовательно, уравнение (3) запишется в форме

п0 п0 п0 п

Рб хб + Рт хт + Ркхк = Р.

(За)

Так как хб + хт + хк = 1, то очевидно, что хк = 1 - хб -- хт. Сочетая это уравнение с уравнением (За), получим

( Рб Рк) хб + ( Р0 Рк) хт = Р Р к.

(4)

Р Р

г б — Г к

Р- Р"

Р0 _ Р0

- хл +

хт =1.

Р - Р

(5)

Здесь могут быть следующие случаи: одна составляющая идеальна, а две неидеальны; две составляющие идеальны и одна неидеальна; все три составляющие неидеальны. Последний случай рассмотрим отдельно, несколько позже.

В дальнейшем ограничимся двухфазными системами, состоящими из паровой и жидкой фаз. Системы такого типа достаточно хорошо моделируются уравнением Вильсона как бинарных, так и многокомпонентных смесей. Для неидеальных бинарных смесей в общем случае справедливо уравнение

Это уравнение прямой. Из этого уравнения можно получить уравнение в отрезках, разделив правую и

левую часть на Рт - Рк:

Р?у 1 х1 + р2у 2 х2 = Р,

для трехкомпонентных:

Р?У 1 х1 + Р2у 2 х2 + Р3у 3 хз = Л

(9)

(10)

Термодинамические свойства идеальных смесей отличаются также от свойств неидеальных. Так, например, уравнение нулевого потенциала вдоль изо-термо-изобары для идеальных смесей имеет вид

х1 Шп х1 + х2Шпх2 + х3Шпх3 = 0. (6)

Так как шп х1 = —, то нетрудно видеть, что это

х1

уравнение сводится к уравнению

d хх + d х2 + d х3 = 0. (7)

Для смесей с неидеальной жидкой фазой это же уравнение записывается в виде

х^1п| + х^1п|2 + х3 d1n|3 = 0, (8)

где || = х^.

Рассмотрим вначале проявление идеальности в бинарных составляющих трехкомпонентной смеси.

Избыточная энергия Гиббса соответственно равна для бинарных смесей:

Е

Лг = х11п У1+ х21п У 2, (11)

для трехкомпонентных смесей:

Е

Лт = х11п у 1 + х21п у 2 + хз1п у 3. (12)

Вдоль изотермо-изобары уравнение нулевого избыточного потенциала [18] для бинарной смеси имеет вид

х1 d1ny1 + х2 d1ny2 = 0, (13)

а для трехкомпонентной смеси:

х1 d1ny1 + х2 d1ny2 + х3 d1ny3 = 0. (14)

Если смесь моделируется уравнением Вильсона, то избыточный потенциал определяется уравнением

Е

ят

= - Xх; 1п

I = 1

-1 = 1

, где

(15)

п

п

Л у = "4, ехР

1 V1

^ у — К RT

(16)

Коэффициент активности компонента г равен

1п у г = 1 - 1п

X ХА - X

Ч = 1

л = 1

Хк Лкг

X Х1 Лк'

1 =1

(17)

Параметры Лгг, Лу, Лкк и т.д. равны единице.

В идеальном растворе Лкг = Лгк = ... = Лу = Лу = 1.

Для п-компонентной смеси матрица коэффициентов уравнения Вильсона имеет вид

Л(п ) =

1 Л12 Л13 • • Л1п

Л21 1 Л23 • • Л2п

Л31 Л32 1 • • Л3и

Лп1 Лп2 Лп3 • 1

(18)

Л(2) =

12

Л21 1

(19)

21

Для трехкомпонентной смеси она имеет вид

/ \

1 1 Л13

( = 1 1 Л23

ч Л31 Л32 1

В случае, когда идеальной является смесь 13 матрица Л(3) имеет вид

Л( 3) =

1 Л12 1

Л21 1 Л23

1 Л32 1

(216)

В этом случае становятся единичными элементы

Л13 и Л31.

Если же идеальной является смесь 23, то матрица Л(3) имеет вид

Л(3) =

1 Л12 Л13

21

31

(21в)

т.е. единичным блоком являются блок, содержащий Л23 и Л32.

В качестве примера ниже приведены уравнения для коэффициентов активности компонентов в случае, когда идеальной является смесь 12:

Для бинарной смеси эта матрица может быть записана как

1п у 1 = 1 — 1п (х1 + Х2 + Х3 Л13) -

%1 + Х2 + Х3 Л13

х3Л

(22)

31

Х1 + Х2 + Х3 Л23 Х1 Л31 + Х2 Л32 + Х3

1п У 2 = 1 — 1п ( Х1 + Х2 + Хз Л23 ) —

Х1 + Х2 + Х3 Л13

Х2

Х3Л

(23)

32

1 Л12 Л13 Х1

( = Л21 1 Л23 ' (20) 1п у з = 1

ч Л31 Л32 1 V

Х1 + Х2 + Х3 Л23 Х1 Л31 + Х2 Л32 + Х3

Таким образом, определив Лу для всех бинарных составляющих, появляется возможность рассчитать избыточную энергию Гиббса, а, следовательно, и коэффициенты активности в многокомпонентной и, в частности, в трехкомпонентной смеси. В общем случае матрицы коэффициентов уравнения Вильсона ассиметричны. Матрица становится симметричной в случае полностью идеальных смесей, так как в этом случае все Лу = 1.

Допустим, две составляющие 13 и 23 неидеальны и одна, 12, идеальна. Тогда для смеси 12 справедливо Л12 = Л21 = 1 и матрица Л(3) имеет вид

(21а)

т.е. один блок в матрице Л(3) становится единичным, а его определитель равным нулю. Этот блок соответствует бинарной смеси 12.

Х3 Л33

Х1 + Х2 + Х3 Л13

(24)

Х1 + Х2 + Х3 Л23 Х1Л31 + Х2Л32 + Хз'

Диаграммы смесей, имеющие матрицы коэффициентов Вильсона (21а)-(21в), принадлежат к классам 3.0.0, 3.1.0, 3.1.1, 3.2.0, 3.2.1 по модифицированной классификации [19].

В первом случае становится единичным блок, соответствующий идеальной смеси 12.

В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены диаграммы класса 3.2.1 типов 3а и 26 в случае, когда смесь 12 идеальна, что соответствует матрице (21а) и уравнениям (22)-(24).

Теперь рассмотрим случай, когда идеальны смеси 13 и 23, а смесь 12 является неидеальной. Тогда матрица (20) приобретает вид

/ л

Л( 3) =

1 Л12 1

Л21 1

1 1 1 1

(25а)

п

п

(а)

(2)

(1)

(2)

Л/

(3) (1)

Л/

(3)

Рис. 2. Диаграммы смеси класса 3.2.1 типа За в случае, когда бинарная смесь 12 идеальна и имеет тройной азеотроп седловидного типа: (а) - система траекторий открытого равновесного испарения; (б) - ход изотермо-изобар.

(а)

(2)

(1)

(2)

Л/

(3) (1)

Л/

(3)

Рис. 3. Диаграмма смеси класса 3.2.1 типа 26 в случае, когда бинарная смесь 12 идеальна и имеет тройной азеотроп с минимумом или максимумом температуры кипения: (а) - система траекторий открытого равновесного испарения; б) - ход изотермо-изобар.

В соответствии с матрицей (25 а) коэффициенты активности трехкомпонентной смеси для этого случая определяются уравнениями

1пУ1 = 1 1п(х1 + х2Л12 + х3) -

х2

х1 + х2 Л12 + х3 х3

(26)

х1 Л21 + х2 + х3 х1 + х2 + х3

х1 Л12

1пУ1 = 1 1п (х1 Л21 + х2 + х3 ) -

х2

х1 + х2 Л12 + х3 х3

(27)

х1 Л21 + х2 + х3 х1 + х2 + х3

1п у 1 = 1 — 1п

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