Upload
alen-beganovic
View
226
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
1/13
22.3.201
RAVNOTEE FAZA U TENOM I GASOVITOM STANJU USISTEMIMA SA DVIJE KOMPONENTE
Sistem sa dvije komponente - binarni sistem, prema Gibsovom pravilu
faza moe imati najvie tri stepena slobode i to u sluaju kada sadri
jednu fazu, te je F=C-P+2 = 3.
potpuni dijagram stanja ovakvog sistema bio trodimenzionalan, sa
koordinatama: temperatura, pritisak i sastav sistema
Sistemi sa dvije komponente posmatraju se najee uz uslov konstantne
temperature, kada dijagram stanja predstavlja ravan T = const iz
pomenutog prostornog dijagrama, ili uz uslov konstantnog pritiska, kada je
dijagram stanja predstavljen u ravni p = const iz istog prostornog
dijagrama
Pri posmatranju ravnotea u kojima
uestvuju tena i gasovita faza,
potrebno je poznavanje ponaanja
sistema kako pod izotermskim tako i pod
izobarskim uslovima; dijagrami stanja zaovakve sisteme pri p = const, koji
predstavljaju funkcije temperature
kljuanja od sastava tene odnosno
gasovite faze u ravnotei, zbog svog
znaaja za proces destilacije nazivaju se
i dijagramima destilacije
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
2/13
22.3.201
Ravnotea tene i gasovite faze u sistemima sa dvije komponente
uspostavlja se pod razliitim uslovima temperature, pritiska i sastava, to
zavisi od osobina prisutnih komponenata. U tom pogledu, sistemi se mogu
podijeliti u dvije glavne grupe
Jednu grupu ine sistemi gdje tenu fazu ini idealna ili neidealna tena
smjesa; isparljivost obje komponente je uporediva, te gasovita faza sadri
takoe obje komponente u smjesi
U drugu grupu spadaju idealni ili neidealni sistemi gdje u ravnoteiuestvuju
komponente veoma razliitihtemperatura topljenja i kljuanja; tenafaza ovih
sistema ima osobine rastvora; isparljivost jedne komponente rastvora veoma
je mala, tako da se moesmatrati da gasovita faza u ravnoteisadrisamo
paru one druge komponente, koja se dogovorom, estonaziva rastvaraem.
RAVNOTEA TENE SMJESE I GASOVITE FAZE
Raulov zakon. Raul (Raoult) je 1886. g. pokazao da u idealnom sistemu u
ravnotei, parcijalni pritisak svake komponente u gasovitoj fazi, p B,
predstavlja proizvod njenog molskog udjela u tenoj fazi, xB, i njenog napona
pare na posmatranoj temperaturi, p*B:
Pravolinijske zavisnosti p1= x1p*1i p2 = x2 p*2
su funkcije parcijalnih pritisaka komponenata u gasovitoj fazi, od sastava
tene faze. Ukupni pritisak pare iznad rastvora, p, jednak je zbiru parcijalnih
pritisaka komponenata i njegovu zavisnost od sastava tene faze
predstavlja prava linija izmeu p*1 ip*2.
Potoje x1+x2= 1, primjenom Raulovog zakona dolazi se do sljedeihodnosa:
pB= xBp*B
p = p1+ p2= x1p*1+ x2p*2= x1(p*1p*2) + p*2
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
3/13
22.3.201
U optemsluaju,molski udio komponente B u gasovitoj fazi, yBjeste kolinik
njenog parcijalnog pritiska u smjesi,pB, i ukupnog pritiska smjese,p. Kada se
na sistem sa komponentama 1 i 2 primijene prethodnejednainemolski udjeli
komponenata u gasovitoj fazi mogu se izraziti u obliku:
odnosno
Kako se iz prikazanih odnosa moezakljuiti,sastav gasovite faze nije isti
kao sastav tene faze sa kojom je u ravnotei, tj. y1 x1 i y2x2. Ovajsastav moese za idealan sistem lako izraunati,ako je poznat sastav tene
faze i naponi pare komponenata na posmatranoj temperaturi.
*2
*
2
*
11
*
11
*
22
*
11
*
111
1
pppx
px
pxpx
px
p
py
1*1
*
1
*
22
*
22
*
22
*
11
*
222
2 1 y
pppx
px
pxpx
px
p
py
RAVNOTEA FAZA U IDEALNOM SISTEMU NA KONSTANTNOM PRITISKU
Dijagram stanja idealnog sistema sa dvije komponente za ravnoteu tene i
gasovite faze pri konstantnom pritisku, prikazan je na slici, i on predstavlja
meusobnu zavisnost temperature i sastava sistema u ravnotei.
Sastav se moe izraziti u vidu
molskog udjela ili molskog procenta,
ili u vidu masenog udjela ili
masenog procenta. Linija 1
predstavlja zavisnost temperatura
na kojima su u ravnotei tena i
gasovita faza (a to su temperaturekljuanja tenihsmjesa) od sastava
tene faze, dok linija 2 predstavlja
zavisnost istih temperatura od
sastava odgovarajuih gasovitih
faza u sistemu. Temperature
kljuanja idealnih smjesa kreu se
izmeu temperatura kljuanja istih
komponenata, T*b(1)i T*b(2).
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
4/13
22.3.201
Linije 1 i 2 dijele povrinu dijagrama i predstavljaju granice faznih oblasti. U
stanjima koja lee ispod linije 1, sistem sadri samo jednu i to tenu fazu
U stanjima sistema koja se nalaze iznad linije 2 na dijagramu, sistemsadri jednu fazu u gasovitom stanju.
Take du linija 1 i 2 odgovaraju stanjima tene faze odnosno gasovite faze u
ravnotei
Prema Gibsovom pravilu faza, ravnotei ove dvije faze (na p=const)
odgovara jedan stepen slobode: F = C P + 1 = 2 - 2 + 1 = 1.
Ovo znai da e ravnotea biti potpuno definisana, ako je poznata samo
jedna od intenzivnih veliina stanja sistema: temperatura, sastav tene ilisastav gasovite faze, dok se ostale javljaju kao njihove funkcije. Tako je na
primjer temperaturom T1na dijagramu odreensastav tenefaze x1, i sastav
gasovite faze y1, koja je sa ovom u ravnotei.
Iz dijagrama stanja moe se zakljuiti kakve e se promjene deavati,ako se sistemu pri p = const dovodi toplota
Neka se ima tena smjesa sastava
x1, ijem stanju odgovara taka ana
dijagramu
Sistem je na temperaturi ispod
temperature kljuanja i sadri
samo tenu fazu, te e premaGibsovom pravilu faza biti
divarijantan,
F= C- P + 1 = 2 -1 +1 = 2.
Stanje sistema bie znai odreeno, ako su poznate dvije intenzivne
veliine njegovog stanja: temperatura i sastav
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
5/13
22.3.201
Ako se sistemu
posmatranog sastava x1,
ravnomjerno dovodi
toplota, njegova
temperatura e rasti; na
temperaturi T1 u sistemu
ese pojaviti prva koliina
gasovite faze, ije se
stanje, dato takom g1,
odreuje iz presjeka linije
T1 = const i linije 2 sa
dijagrama. Na temperaturi
T1, pojavom gasovite fazesastava y1, sistem postaje
monovarijantan.
Poevi od temperature T1ako
se toplota dovodi sistemu i dalje
ravnomjerno, temperatura
sistema e se i dalje mijenjati
navie, ali sporije, jer e se dio
toplote konstantno troiti na
faznu transformaciju iz tene u
gasovitu fazu
U isto vrijeme, sastav faza sistema e se mijenjati, i to sastav tene
faze du linije 1, a sastav gasovite faze du linije 2 kako je to
naglaeno strelicama na slici.
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
6/13
22.3.201
Na temperaturi T2 na primjer,
sistem se sastoji iz tene fazesastava x1 , i iz gasovite faze
sastava y1. U oblasti temperatura
gdje sistem sadri dvije faze,
poetni sastav sistema x1 ima
samo znaenje ukupnog sastava
obje faze.
U toku daljeg dovoenja toplote, na temperaturi T3 preostaeposljednji trag tenefaze (l3) u kojoj molski udio komponente l iznosi
x1Iznad temperature T3, sistem je jednofazan, u gasovitom stanju
a sastav sistema (sastav faze koju sadri), opet je jednak
prvobitnom sastavu sistema, x1.
Pravilo poluge
U dvokomponentnom sistemu na odreenoj temperaturi i pritisku, odnos
koliina dvije faze u ravnotei moe se odrediti primjenom pravila poluge,
koje se lako moe izvesti iz materijalnog bilansa za sistem
Neka se ima sistem ija se ukupna koliina n sastoji iz n1molova faze I i nII
molova faze II u ravnotei. Za ukupnu koliinu sistema moe se napisati:
Koliina svake posmatrane komponente u sistemu u cjelini, takoe mora
biti jednaka zbiru njenih koliina u jednoj i u drugoj fazi. Koliina
komponente (1) u sistemu u cjelini, n(1), prema tome je:
ako su n(1 ,I) i n(1,II) njene koliine u fazi I i u fazi II.
n = nI + nII
n(1) = n (1,I) + n (1,II)
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
7/13
22.3.201
Ako je molski udio komponente (1) u sistemu u cjelini x, a u fazama I i II
on iznosi xI, odnosno xIIprethodna jednaina glasi:
Zamjenom se dobija :
nI (x - xI) = nII (xII - x)
Na sljedeoj slici prikazan je dijagram stanja za ravnoteu tene i gasovite
faze kakav je opisan ranije, kojim e biti ilustrovana primjena izvedenih
jednaina; na isti nain, one se primjenjuju i u svakom drugom sluaju
ravnotee dvije faze sistema sa dvije komponente.
*
Neka ukupno ima n molova sistema, ije stanje odgovara taki B nadijagramu;
sistem se sastoji iz nImolova tene faze I, sastavaxIi iz nIImolova
gasovite faze II, sastavaxII(izlaganje vai za bilo kakve faze u ravnotei,
zbog ega za sastav gasovite faze nije koriten simbol y).
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
8/13
22.3.201
Jednaina * moe se primijeniti na sistem, ako su sastavi na apscisi
izraenimolskim udjelima ili molskim procentima. No lako je uoiti,da se,
usljed proporcionalnosti, razlike sastava iz jednaine * mogu zamijeniti
rastojanjima odgovarajuih taaka na dijagramu stanja, izraenim u
jedinicama za duinu,te se dobija odnos:
Koliine tene faze, nI, i gasovite faze, nII, u datoj jednaini u
meusobnoj su zavisnosti po principu zamiljene poluge sa osloncem u
taki B, kako je na slici posebno ematski predstavljeno. Odnos koliina
faza u sistemu:
u obrnutoj je proporciji sa razlikama sastava odgovarajuih faza i ukupnog
sastava sistema, odnosno sa rastojanjima odgovarajuihtaakau dijagramu
stanja, toje nazvano pravilom poluge.
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
9/13
22.3.201
Iz jednaina se mogu izvesti jo dva oblika pravila poluge:
odnosno
koji se mogu praktino lako postavljati uz pomo eme na slici ako sesamo pomjera oslonac zamiljene poluge
Ukoliko je sastav sistema u dijagramu stanja izraen masenim udjelom ili
masenim procentom, pravilo poluge vai, s tim to e u njemu mjesto
molskih udjela ili procenata zauzimati odgovarajui maseni udjeli ili procenti,
dok e umjesto koliina faza i sistema figurisati njihove mase
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
10/13
22.3.201
1
Destilacija
Ponaanje idealnih smjesa omoguava razdvajanje njihovih komponenata
metodom destilacije.
Ako se na primjer sistem u
tenom stanju koje
odgovara taki M na
dijagramu stanja na slici
zagrije do temperature T1,
on e se sastojati iz pare
sastava y1, koja je bogatija
od sastava M lake
isparljivom komponentom 1 i
iz tene faze sastava x1,
koja je siromanija ovomkomponentom nego poetna
tena smjesa M.
Ako se opisane operacije ponove dovoljan broj puta, sistem se moe
razdvojiti u komponente 1 i 2. Ovakav nainrazdvajanja komponenata
zove se frakciona destilacija.
Para sastava y1, moe se odvojiti i
ohladiti do pogodne temperature T2; naovoj temperaturi uspostavlja se
ravnotea pare sastava y1, i tenosti
sastavax1.
Para sastava y1jo je bogatija lake
isparljivom komponentom, nego to je
to sastav y1.
Prvobitno izdvojena tena faza sastava x1, moe se zagrijavanjem do
temperature T3prevesti u stanje u kome su u ravnotei para sastava
y1i tena faza sastava x1.
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
11/13
22.3.201
Kolona za destilacijuje vertikalni toranj sa dobrom toplotnom izolacijom;
Prostor u kome se vri razdvajanje komponenata moe biti homogeno
ispunjen materijalom koji omoguava kontakt tenosti i pare po velikim
povrinama, sa dovoljnim meuprostorima za paru, ili moe biti podijeljen
na podove odgovarajue konstrukcije.
Na sljedeoj slici ematski je prikazana jedna
kolona za destilaciju koja pripada drugom
pomenutom tipu.
Kontinuirano napajanje kolone smjesom za
destilisanje vrise obinona sredini kolone.
Pri radu kolone, uspostavlja se temperaturni
gradijent po visini, tako da je njen vrh hladniji od
dna.
Pretpostavimo da je binarna smjesa
koju destiliemo idealna, iji dijagram
stanja je priloen na slici (b).
Kada kolona radi, u njoj se uspostavlja
stacionarno stanje po visini kolone u
pogledu temperature, sastava tene i
sastava gasovite faze na njenimpodovima.
Ova stanja ne odgovaraju potpuno teorijskim stanjima sa
dijagrama, jer u koloni mijeanjepare i tenostinije nikad idealno,
a postoji i gradijent pritiska du kolone, dok se dijagram stanja
odnosi na konstantan pritisak. No, uz pomodijagrama mogueje
priblinosagledati stanja sistema na pojedinim podovima kolone.
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
12/13
22.3.201
1
1uvod; 2- grija; 3-zvono;4- prelivna cijev; 5- izvod;
6- hladnjak
Odgovarajui dijagram destilacije
Ako na podu V na vrhu kolone temperatura
iznosi T5na njemu e se uspostaviti
ravnotea pare sastava y5, koja se odvodi
sa vrha kolone u hladnjak, i tenosti
sastava x5, koja prelijevanjem prelazi na
pod IV na kome je temperatura T4.
Sastav gasovite faze na ovom podu je y4i
ona pod pritiskom ide navie; zahvaljujui
sistemu zvonastih podova, para ulazi
direktno u vidu mjehurova u tenost na
podu V; kondenzacijom ove pare na poduV, oslobaa se potrebna koliina toplote,
koja tenost na ovom podu dovodi do
kljuanja.
Tena faza, koja je na podu IV sastava x4, sa ovog prelivom prelazi na
pod III, na kome se vri novo uravnoteavanje. Na podu III temperatura
je T3, sastav tene fazex3, a gasovite faze y3i sa njega para odlazi na
pod IV, a tenost na pod II, i tako redom.
7/23/2019 3 tena gasna faza.pdf
13/13
22.3.201
Kako se para kreeu koloni naviea tenostnanie,na podovima
kolone se komponente kontinualno raspodjeljuju izmeu tene i
gasovite faze, te se kao produkt destilacije na vrhu kolone dobija
para sastava y5u kojoj dominira lakeisparljiva komponenta, dok
se pri dnu kolone nagomilava komponenta sa viom
temperaturom kljuanja,odakle se i odvodi.
Broj potrebnih podova za datu konstrukciju kolone za destilaciju
odreuje se eksperimentalnim putem; uz dovoljan broj podova,
idealna smjesa se na opisani nain moe razdvojiti na iste
komponente.
Ako je razlika temperatura kljuanja komponenata vea, potreban
je manji broj podova da bi se one potpuno razdvojile, dok je u
sluaju bliskih temperatura kljuanja, za ovo potrebna kolona sa
velikim brojem podova .