научная статья по теме ВЫЯВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ОБЛАСТЕЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТРОЙНЫХ АЗЕОТРОПОВ. СИСТЕМЫ СО СМЕШАННЫМИ ОТКЛОНЕНИЯМИ ОТ ИДЕАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЫЯВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ОБЛАСТЕЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТРОЙНЫХ АЗЕОТРОПОВ. СИСТЕМЫ СО СМЕШАННЫМИ ОТКЛОНЕНИЯМИ ОТ ИДЕАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 5, с. 580-585

УДК 544.344.015.34

ВЫЯВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ОБЛАСТЕЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТРОЙНЫХ АЗЕОТРОПОВ. СИСТЕМЫ СО СМЕШАННЫМИ ОТКЛОНЕНИЯМИ ОТ ИДЕАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ

© 2009 г. В. М. Раева, А. В. Фролкова, Л. А. Серафимов

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

raeva@wwwcom.ru Поступила в редакцию 04.03.2009 г.

Рассмотрены примеры определения концентрационных областей возможного существования тройных азеотропов в трехкомпонентных системах со смешанными отклонениями бинарных жидких фаз от идеального поведения.

введение

Условие азеотропии многокомпонентной системы может быть выражено через коэффициенты активности компонентов, учитывающих отклонения паровой и жидкой фаз от закона Рауля-Дальтона:

Р1 У ¡¡У ¡пРппРп

Рп У ппУ шРгг'Рг',

= 1, I = 1, 2, 3, ..., п - 1,(1)

Г; =

У ¡¡У ¡п

Рп Р ¡п

(2)

Достаточное условие существования трехкомпо-нентного азеотропа записывается в виде

_ Р0 г _

a¡j — —— — 1, Щк —

р0 Г.

] 1

Р0 Г'

¡¡

Рк1 к

Р0 Г..

(3)

где у, в - коэффициенты активности компонентов в жидкой и паровой фазах. Разноименные индексы отражают отклонение жидкой и паровой фаз от идеального поведения, а одноименные индексы соответствуют взаимодействию молекул, принадлежащих одному и тому же веществу.

Комплексы коэффициентов активности компонентов в фазах Г учитывают отклонения обеих фаз системы от идеального поведения:

В идеальных смесях, где паровая фаза подчиняется закону Дальтона, а жидкая - закону Рауля, для всех компонентов Г = 1. Для бинарной системы 1-2 в случае положительных отклонений от закона Рауля-Дальтона Г1 > 1 и Г2 > 1, при отрицательных 0 < < 1 < 1 и 0 < Г2 < 1. Наконец, если в одной части концентрационного симплекса оба комплекса больше единицы, а в другой - оба меньше единицы, то это системы со смешанными отклонениями от закона Рауля-Дальтона (Гх > 1, 0 < Г2 < 1 или 0 < Г < 1, Г2 > > 1) [1]. Подход к определению концентрационных областей существования бинарных азеотропов, базирующийся на анализе комплексов коэффициентов активности компонентов Г [2], был применен нами к трехкомпонентным системам.

Тогда, соответственно, и а.к = 1 1 = 1. При Р.- >

1 Р0Гк

> Р. > Р0 тройной азеотроп может присутствовать в системе только при наличии концентрационной области, для которой Г^х) < Г.х) < Гк(х), т.е. когда

Г/Г. < 1 (Р0/Р0 > 1) и Г/Гк < 1 (Р0 / Р0 > 1). Наличие такой области является необходимым условием для появления в системе тройного азеотропа [3]. Поэтому были подробно исследованы структуры диаграмм Г-линий трехкомпонентных систем.

Функция Г(х) трехкомпонентной системы может быть записана в виде

Г — ЯТ( х11п Г1 + х21п Г2 + х31п Г3) + ЯТ Г0, (4а) Г — ЯТ( х11п Г1 + х21п Г2 + х31п Г3) +

+ ЯТ( х11п Г. + х21п Г2 + х31п Г3),

(46)

где Г0 - стандартное значение функции Г (состояние чистых компонентов). В общем случае система Г-линий трехкомпонентной системы имеет вид

дГ — 1п Г1 - 1п Г3 — 0,

д х1

^ — 1п Г2-1п Г3 — 0.

д х2 2 3

ВЫЯВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ОБЛАСТЕЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ 581

Область возможного существования тройного азеотропа появляется в трехкомпонентной системе только при наличии точки пересечения всех Г-ли-ний: Г = Г2, Г = Г3 и Г2 = Г3.

Теоретически возможные структуры диаграмм Г-линий трехкомпонентных систем рассмотрены нами для трехкомпонентных систем с различными отклонениями бинарных составляющих от закона Рауля-Дальтона [3, 4]: одноименными (только положительными или только отрицательными) и разноименными, когда одна составляющая проявляет положительные (отрицательные) отклонения, а две другие - отрицательные (положительные) отклонения. Результаты были получены для одного из возможных соотношений давлений насыщенных паров компонентов.

В случае смешанных отклонений число теоретически возможных вариантов значительно больше: одна составляющая проявляет смешанные отклонения, две другие - положительные (отрицательные); две составляющие - смешанные отклонения, одна -положительные (отрицательные); одна - смешанные, одна - положительные, одна - отрицательные; все составляющие - смешанные отклонения.

Синтез всех возможных структур диаграмм Г-ли-ний для трехкомпонентных систем не представляется нам целесообразным. Данное исследование иллюстрирует возможность применения методики выявления областей возможного существования тройных азеотропов, базирующейся на анализе Г-линий, к системам со смешанными отклонениями бинарных составляющих от закона Рауля-Дальтона, а так же изучения эволюций тройных азеотропов при изменении давления с использованием диаграмм Г-линий.

теоретический анализ

Рассмотрим случай идеального поведения паровой фазы в условиях, удаленных от критических. Тогда условие азеотропии (3) запишем в виде

а. =

Ръ

г.0

Р 7.

гР

= 1 а.. = =1 1' и . „0 1'

Р0 7 к

(6)

а Г-линии для упомянутых выше допущений преобразуются в псевдоидеальные линии:

Э/

д х1

Э/

д х2

= 1п у 1 - 1п у 3 = 0,

= 1п у 2 - 1п у 3 = 0.

(7)

Псевдоидеальные линии трехкомпонентной системы с идеальной паровой фазой являются условными экстремумами на поверхности избыточного термодинамического потенциала Гиббса, а их пересечению соответствуют условие равенства коэф-

фициентов активности компонентов в жидкой фазе

71 = 72 = 73 и равенства нулю всех частных производных (дgE/д XI) х. = 0 в точке экстремума [5].

Мы рассматриваем диаграммы у-линий у1 = у2,

72 = 73, 71 = 73 (проекции псевдоидеальных линий на концентрационный симплекс трехкомпонентных смесей). Любой вершине концентрационного симплекса (вещество г) соответствуют два предельные значения комплексов коэффициентов активности

для компонентов у0 и у0 при бесконечном разбав-

0

лении их веществом г, а зависимость уг (х) характеризует предельные значения комплексов коэффициентов активности компонента г в тройной смеси при бесконечном разбавлении ее компонентамик. Реперными точками обсуждаемых диаграмм являются точки пересечения концентрационных зависимостей коэффициентов активности компонентов.

На рис. 1 показаны теоретически возможные преобразования структур диаграмм у-линий, приводящие к появлению области возможного существования тройного азеотропа. Одна из последовательностей (рис. 1а-1в) - преобразования, вызванные

изменением формы кривых у0 (х). Область составов, в которой может располагаться тройной азео-троп, появляется после пересечения у-линий (рис. 16): у1 = у2, у2 = у3, у1 = у3. В ней выполняются определенные соотношения между давлениями насыщенных паров компонентов в бинарных составляющих и коэффициентами активности компонентов в жидкой фазе. В общем случае при Р0 > Р. > > Р° условие азеотропии (6) реализуется, когда

у/у. < 1 (Р0/р0 > 1) и у/Ук < 1 (р0/Р° > 1). Следовательно, наличие тройного азеотропа в системе будет принципиально возможно только при существовании в концентрационном симплексе области составов, для которых справедливо соотношение у(х) < у.(х) < ук(х). Для рассматриваемого случая, на-000

пример при Р2 > Р3 > Р1, тройной азеотроп может располагаться только в области у2(х) < у3(х) < у1(х) (светлое тонирование на рис. 1в). Если зависимости

Р° (Т) и рЗ (Т) имеют точку Банкрофта, то при изменении температуры меняется соотношение величин на Р2 > Р° > Р°. Тогда области возможного существования тройного азеотропа (темное тонирование на рис. 1в) будет соответствовать уже другое соотношение коэффициентов активности компонентов в жидкой фазе: у2(х) < у1(х) < у3(х). Тройной азеотроп, если он существует в системе (количественное выполнение условия (6)), может "перемещаться" только в пределах этих областей.

(•) о У°

(а) о У°

Рис. 1. Пример эволюции структур диаграмм у-линий. Пунктирная линия из квадратиков - У1 = у2, штриховая линия -71 = 7з, сплошная линия - у2 = у3, штрихпунктирная линия - уI (х).

При изменении условий, помимо вида зависимости у0 (х), могут меняться и другие факторы, формирующие геометрические особенности диаграмм у-линий, а, следовательно, и структуру самих диаграмм: соотношение величин коэффициентов ак-

Таблица. Характеристики модельных систем

Отклонения от

Класс идеального поведения в бинарных Р, Соотношения

системы составляющихх кПа величин у

1 -2 1-3 2-3

3.4.1-3а +/- 101.3 01 У 2 01 > У з 03 У1 02 02 У1 > У3 , 03 < У 2

3.1.1-2 +/- 101.3 01 У 2 01 < У 3 03 У1 0202 У1 < У 3 , 03 < У 2

3.2.1-2Ь + +/- + <27.3 >27.3 01 У 2 01 > У 3 03 У1 0202 У1 > У 3 , 03 < У 2

3.2.0-2Ь >70.4 01 У 2 01 > У 3 03 У1 02 02 У1 < У 3 , 03 < У 2

Обозначения класса систем приведены в [6, 7].

00

тивности компонентов у. и ук при бесконечном разбавлении их веществом г (инверсия величин); характер отклонения бинарных составляющих от идеального поведения (например, переход от одноименных отклонений к смешанным).

Рисунки 1а, 1г и 1д иллюстрируют первый из упомянутых случаев. Соотношение величин коэффициентов активности компонентов 1 и 3 при бесконечном разбавлении их веществом 2 меняется

02 02 02 02 02 02 следующим образом: у1 < у3 , у1 = у3 , у1 > у3 .

Таким образом, для конкретной структуры диаграмм у-линий возможно несколько различных преобразований. Отметим, что в случае систем со смешанными отклонениями фаз от идеального поведения влияние геометрических особенностей обсуждаемых диаграмм на области расположения и эволюцию тройного азеотропа проявляется сильнее, чем при одноименных или разноименных отклонениях.

расчетный эксперимент

В таблице и на рис. 2 приведены характеристики исследованных в расчетном эксперименте модельных систем (мы использовали уравнение КИТЬ), на примере которых можно проиллюстрировать влияние различных факторов на формирование и эволюцию областей расположения тройных азеотро-пов. Нумерация компонентов сохраняется на всех последующих рисунках.

Рис. 2. Структуры диаграмм парожидкостного равновесия модельных систем различных классов: (а) - 3.1.1-2; (б) - 3.4.1-3а; (в) - 3.2.1-2Ь --► 3.2 .0-2Ь .

На рис. 3 приведены структуры диаграмм у-ли-ний, сохраняющиеся при всех значениях давления. Это обусловлено тем, что не меняется ни одна из характеристик, влияю

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