научная статья по теме РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРВОГО ЗАКОНА КОНОВАЛОВА В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ АЗЕОТРОПНЫХ СИСТЕМАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРВОГО ЗАКОНА КОНОВАЛОВА В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ АЗЕОТРОПНЫХ СИСТЕМАХ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, № 2, с. 181-188

УДК 66.048:548

РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРВОГО ЗАКОНА КОНОВАЛОВА В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ АЗЕОТРОПНЫХ СИСТЕМАХ

© 2008 г. Л. А. Серафимов, А. В. Фролкова, Т. В. Челюскина

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

kwm@bk.ru Поступила в редакцию 17.05.2007 г.

Выявлены полные условия выполнимости первого закона Коновалова в многокомпонентных азео-тропных системах.

Доказательство соблюдения первого закона Коновалова для многокомпонентных идеальных и неидеальных зеотропных систем было подробно рассмотрено в работах [1, 2]. Напомним, что математической экспликацией первого закона является уравнение связи векторного поля нод и скалярного поля температур, приведенное в [3] и проанализированное в [4]. Используя понятие фазового эффекта [5, 6], данное уравнение может быть записано следующим образом [2]:

ЭТ

Эх1

ЭТ

дХ2 дТ Эх3

-AS

LV

ЭТ

дХп

L L - 0 j

LL LL

GJ - a j

LL an - aj_

(1)

§11 §12 §13 •• §1n -1 У1 - X1

g21 §22 §23 - §2(n -1) У 2 - x2

g31 g32 §33 - §3(n -1) У3 - x3

g(n -1) 1 §(n -1)2 §(n -1) 3 - §(n -1)(n -1) P, T yn - xn

n-1

Э SL

^ д-—у - вектор-градиент температуры;

(а*1- о- вектор разности фазовых эффектов, где I = (1 - п) при I Ф ];

(yt - xt) - вектор ноды жидкость-пар при постоянном давлении;

§11 §12 §13 - §1 n-1

§21 §22 §23 - §2(n -1)

§31 §32 §33 - §3(n -1)

-1)1 §(n -1)2 §(n -1)3

(n -1)(n -1)J p j

= G.

где ASLV = ¿V - ¿¡^ - "V (уI - х,) -тт— - скалярный

■¿-1 ОХ ;

1 '

множитель при постоянном давлении, причем ASLV > 0;

Из уравнения (1) видно, что вектор-градиент температуры коллинеарен вектору разности фазовых эффектов, но имеет противоположное направление. Учитывая, что паровая фаза всегда обогащена легколетучими компонентами, очевидно, что между векторами у 1 - х 1 и о; - а^ угол острый [2]. Поэтому скалярное произведение этих векторов является положительным числом, т.е. для любого компонента, выбранного в качестве независимого, у; - х1 и о - оо имеют всегда один и тот же знак.

В случае идеальных и неидеальных зеотропных систем было показано, что вопрос выбора независимых концентраций является принципиальным и зависит от области, в которой расположена точка исследуемого состава. Границами данных областей являются единичные ^-многообразия, которые делят концентрационный симплекс системы на области с различным сочетанием коэффициентов распределения.

Рассмотрим бинарные азеотропные системы. При моноазеотропии концентрационный симплекс системы распадается на две области, которые ограничены точкой азеотропа и точками чистых компонентов. Для азеотропа с минимум температуры кипения (рис. 1а) в области, заключенной между компонентом 2 и азеотропом, имеем: К1 >1 и К2 < 1, в области азеотроп - компонент 1: К1 < 1 и К2 > 1.

p

(а) (б) (в)

(г) (д) (е)

Рис. 1. Кривые фазового равновесия для бинарных моно- (а, б), би- (в, г) и триазеотропных (д, е) систем.

Запишем уравнение (1) для бинарной системы:

. „ dT d g. ,

-Л = (У' - } = C - C i

dxi dx¡

(2)

Если i = 1, i = 2, тогда в первой области y1 - x1 > 0, a1 - а2 > 0, а, следовательно, < 0; во второй

dx1

dT

области имеем: у1 - х1 < 0, С - а2 < 0 и -— > 0.

Если I = 2,} = 1, тогда в первой области у2 - х2 < 0, а2 - а1 < 0, а, следовательно, ^ > 0; во второй

dx2

dT

области имеем: у2 - х2 > 0, а2 - а1 > 0 и -— < 0.

Таким образом, в области, заключенной между компонентом 2 и азеотропом, увеличение концентрации первого компонента приведет к уменьшению температуры, а второго - к увеличению. Во второй области, наоборот, увеличение концентрации первого компонента приведет к росту температуры, а второго - к ее уменьшению. В обоих случаях наблюдается полное подчинение первому закону Коновалова.

Для азеотропа с максимумом температуры кипения (рис. 16) также будет наблюдаться подчинение первому закону, однако в этом случае области поменяются местами по соотношению коэффициентов распределения, т.е. компоненты изменят свою летучесть. И уже увеличение концентрации первого компонента в области компонент 2 - азеотроп приведет к увеличению температуры, а второго компонента - к уменьшению.

Уже на примере бинарной системы видно, что понятия "легколетучий" и "тяжелолетучий" носят локальный характер для всех компонентов, в то время как для зеотропных и идеальных систем два компонента сохраняют свою летучесть во всем концентрационном симплексе, это первый и последний компоненты [1, 2].

Рассмотрим би- и триазеотропные бинарные системы. Для анализа используем уравнение (2) в двух формах, в одной из форм зависимой является концентрация второго компонента, в другой -первого. Все данные качественного анализа занесем в таблицу 1.

Из таблицы видно, что для всех систем наблюдается полное подчинение первому закону Коновалова, а именно: если у - х > 0, С - С; > 0, то < 0; и

dxi

если yi - xi < 0, a i - Ci < 0, то d— > 0

dxi

Проведем анализ трехкомпонентных моно-азеотропных систем. В настоящей работе ограничимся трехкомпонентными системами, поскольку число фазовых портретов уже в этом случае достигает 26 [7-9]. Примем следующий ряд соотношения давлений насыщенных паров компонентно „0 „0

тов: Р1 > Р2 > Р3.

Для трехкомпонентных смесей справедливо (У1 - Х1) + (У2 - х2) + (Уз - Хз) = 0 (3)

или

xi(*i -1) + x2(K2 -1) + x3(K3 -1) = 0.

Таблица 1. Результаты исследования соблюдения первого закона Коновалова в бинарных би- и триазеотроп-ных системах

Область Коэффициенты распределения Разность фазовых эффектов Производная дТ/дх1

Биазеотропная система, полученная через стадию образования внутреннего тангенциального азеотропа (рис. 1в)

2 - Az1 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, ЭТ/Эх2 > 0

Az1 - Az2 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 ЭТ/Эх1 > 0, дТ/дх2 < 0

Az2 - 1 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, дТ/дх2 > 0

Биазеотропная система, полученная через стадию образования граничного тангенциального азеотропа (рис. 1г)

2 - Az1 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 дТ/дх1 > 0, дТ/дх2 < 0

Az1 - Az2 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, дТ/дх2 > 0

Az2 - 1 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 дТ/дх1 > 0, ЭТ/Эх2 < 0

Триазеотропная система (два положительных и один отрицательный азеотроп), (рис. 1д)

2 - Az1 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, дТ/дх2 > 0

Az1 - Az2 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 дТ/дх1 > 0, дТ/дх2 < 0

Az2 - Az3 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, дТ/дх2 > 0

Azз - 1 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 дТ/дх1 > 0, дТ/дх2 < 0

Триазеотропная система (два отрицательных и один положительный азеотроп), (рис. 1е)

2 - Az1 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 дТ/дх1 > 0, дТ/дх2 < 0

Az1 - Az2 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, ЭТ/Эх2 > 0

Az2 - Az3 К1 < 1, К2 > 1 о1 - о2 < 0 дТ/дх1 > 0, ЭТ/Эх2 < 0

Azз - 1 К1 > 1, К2 < 1 о1 - о2 > 0 дТ/дх1 < 0, ЭТ/Эх2 > 0

вершина концентрационного треугольника может быть точечным многообразием Кг = 1, или через нее может проходить многообразие Кг = 1 конечной протяженности;

в любой бинарный азеотроп, состоящий из компонентов г ивходят (выходят) две линии единичных коэффициентов распределения Кг = 1 и Щ = 1;

в любой трехкомпонентный азеотроп входят (выходят) три линии единичных коэффициентов распределения компонентов, каждая из которых принадлежит одному из компонентов;

вся площадь концентрационного треугольника покрывается областями определенного сочетания коэффициентов распределения компонентов;

при переходе из области одного сочетания коэффициентов распределения компонентов к области с другим сочетанием один из этих коэффи-

Рассмотрим все возможные сочетания коэффициентов распределения компонентов. Всего таких сочетаний возможно восемь:

1. К1 > 1, К2 >1, К3 < 1 5. К1 < 1, К2 > 1, К3 > 1

2. К1 > 1, К2 < 1, К3 < 1 6. К1 < 1, К2 > 1, К3 < 1

1 2 3 1 2 3 (5)

3. К1 > 1, К2 < 1, К3 > 1 7. К1 < 1, К2 < 1, К3 < 1

4. К1 < 1, К2 < 1, К3 > 1 8. К1 > 1, К2 > 1, К3 > 1.

Однако случаи 7 и 8 невозможны, поскольку все коэффициенты распределения компонентов не могут быть больше (меньше) единицы [см. (4)]. Следовательно, возможны только шесть случаев сочетания величин коэффициентов распределения.

Рассмотрим некоторые закономерности поведения единичных К-линий трехкомпонентных двухфазных систем [7-9]:

3.0.0-1 1

3 2

3.1.0-1а 1

3 2

3.1.0-1Ь 1

32

3.1.0-2 1

32

3.2.0-1 1

32

3.2.1-1р 1

32

3.2.0-2а 1

3,

32

3.2.1-1у 1

3/\2

32

3.2.1-2а 1

32

3.2.1-3ЬР 1

3.3.0-1а 1

32

3.3.0-1Ьа 1

32

3.1.0-2 1

32

3.1.1-1а 1

32

3.2.0-2Ь 1

32

3.2.0-2с 1

3.2.1-2Ь 1

32

3.2.1-3а 1

3.3.0-1Ьр 1

32

3.3.0-2 1

3.3.1-1Ь

3.3.1-1са 1

3.3.1-1ср 1

3 ,2

3.3.1-3Ь

3 2

3.3.1-1су 1

3 Л2

3 2

3.3.1-4а

3 2

3.3.1-2 1

3 ,2

3.1.0-1Ь 1

32

3.2.1-1а 1

32

3.2.1-3Ьа 1

32

3.3.1-1а

3 2

3.3.1-3а

3.3.1-4Р

3 2

3.3.1-4у

Рис. 2. Перечень диаграмм единичных Х-линий для трехкомпонентных систем.

1

1

1

1

1

1

3

2

3

2

3

3

1

циентов изменяет неравенство относительно единицы на обратное;

максимальное число областей сочетания коэффициентов распределения компонентов, прилегающих к тройному азеотропу, равно 6, к бинарному - 3;

максимальное число областей различного сочетания коэффициентов распределения равно 6.

Действительно, каждый коэффициент распределения может быть в определенной области или больше 1, или меньше 1, а всего компонентов 3, и, следовательно, 23 = 8. Исключаем случаи 7 и 8 из (5) и получаем всего 6 вариантов.

На рис. 2 приведен полный перечень диаграмм единичных К-линий для трехкомпонентных моно-азеотропных систем [7-9].

Запишем уравнение (1) в трех формах, поочередно принимая зависимой концентрацию каждого компонента:

-ДЯ

ЬУ

дТ

д х1 дТ

-ДЯ

ЬУ

д х2

дТ

Ь - 1 а3 §11 Я12 у1 - х 1

Ь 01 - 1 а3 §21 §22 РТ у2 - х 2

, (6)

д Х2

дТ

-ДЯ

ЬУ

д х3

дТ

Ь 03 - 3 01 §22 §23 у2 - х 2

Ь 03 - 3 01_ §32 §33 рТ у3 - х 3

, (7)

д х1 дТ

д х3

Ь 01 - Ь 03 §11 §13 у1 - х 1

Ь 03 - Ь 03 §31 §33 рТ у3 - х 3

. (8)

1

/ I \ йТ1йх2 = 0

1 Кз = А

/

/ К2 = 1^71 \ \ III \

/ ^ (Г V \ \ 1/К1 = 1 \ \

¿Т/йх1 = 0

¿Т/йх1 = 0

Проведем подробный анализ на примере системы класса 3.3.1-2. Пусть в данной системе все азео

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