Диаграммы «давление–состав» и «температура–состав» для равновесия «жидкость–пар» в бинарных системах

1.

Диаграммы «давление–состав» и
«температура–состав» для
равновесия «жидкость–пар» в
бинарных системах

2.

Можно построить 2 диаграммы, обычно
применяют 2 типа диаграмм:
Изобарическая диаграмма, p= const
T f N
ж
2
; T f N
nap
2
Изотермическая диаграмма, Т=const
p f(N )
T const
p f(N )
ж
2
nap
2
2

3.

Согласно закону Дальтона общее давление пара над
идеальным раствором
p pk
pk f p, N
nap
k
Во всем интервале концентраций будет действовать
закон Рауля
3

4.

Для бинарного раствора можно записать
p2 p N
p2 p N
o
2
nap
2
pN
N
nap
2
ж
2
p N
о
2
ж
2
ж
2
p
nap
о N2
p2
4

5.

p p1 p2 p 1 N
o
1
ж
2
p
о
2
N
ж
2
p p1о p2о p1о N 2ж
p
nap
о
о
p p o N 2 p2 p1
p2
o
1
5

6.

p p p p pN
o
2
o
1
p p p N
o
2
o
2
nap
2
p
о
2
nap
2
p
p
о
1
о
2
p
о
1
p
о
1
p
о
2
p p
p o
p2 N p p1о
o
1
nap
2
o
2
о
2
6

7.

Диаграммы «давление-состав» (а) и «температура-состав» (б)
для равновесия жидкость-пар в двухкомпонентной системе

8.

Области Iа и Iб отвечают множеству точек,
представляющих газовую (паровую) фазу, тогда
как области IIa и IIб соответствуют множеству
точек, относящихся к жидкости
8

9.

Границы областей IIa и IIб представляют собой
линии р = р(N2ж)) (Т = const) и Т = Т(N2ж) (р =
const) для равновесия «жидкость-пар». Это
зависимость давления насыщенного пара (при Т
=const) и температуры кипения (при р = const) от
состава жидкой фазы. Они называются линиями
кипения.
9

10.

Границы областей Ia и Iб р = р(N2п) (Т = const) и
Т = Т (N2п) (р = const) - зависимости давления
насыщенного пара (при Т = const) и температуры
конденсации пара (при р = const) от его состава
Это линии конденсации.
10

11.

Линии кипения и конденсации должны
сходиться при N2 = 0 и N2 = 1, т.к. состав
жидкости и газа в случае чистых веществ
совпадают.
11

12.

Т=const
p
p
Т=const
p
p
жидкость
A
жидкость
p10
b
c
a
d
p20
c
a
0
p1
пар
(2)
(1)
0
1
a)
A
(1)
0
p 20
b
d
пар
(2)
1
b)
Вид изотермических диаграмм с азеотропными точками:
а) − верхний азеотроп; б) − нижний азеотроп

13.

1 закон: В равновесной системе пар по сравнению
с жидкостью относительно богаче тем
компонентом, давление которого к раствору
повышает общее давление пара, т.е. понижает
температуру кипения при данном давлении (т.е.
пар над двухкомпонентной жидкостью обогащен
более легколетучим компонентом).

14.

2 закон Гиббса – Коновалова (касается более
частного случая). Экстремумы на кривых общего
давления пара и температуры кипения отвечают
такому равновесию раствора и его насыщенного
пара, при котором составы обеих фаз одинаковы.
Такие составы называются азеотропными и они
не разделяются на компоненты методом обычной
перегонки (дистилляции)
14

15.

Диаграмма «Т-состав», поясняющая принцип
материальных расчетов

16.

Количество фаз, находящихся в равновесии
(масса или число молей) обратно
пропорционально отрезкам, на которые точка,
отвечающая составу системы делит ноду,
соединяющую данные фазы
16

17.

Запишем уравнение баланса числа молей 2-го
компонента
n2 = nжN2ж + nпарN2пар
n2 = n N2 = nжN2 + nпарN2пар
где n – полное число молей в системе; nж и nпар –
число молей в жидком и газообразной фазах
соответственно; N2ж, N2пар , N2 – мольная доля
второго компонента в жидкости, паре и в системе в
целом.

18.

Если на оси состава, откладывались мольные доли,
то правило рычага записывается как
n
N N2
nap
n
N 2 N 2ж
ж
nap
2
если массовые доли, то нужно использовать
формулу
m ж 2nap 2
nap
ж
m
2 2
18

19.

Значения N2, N2ж и N2пар снимаются с диаграммы, что
позволяет вычислить отношение nж/nпар
С другой стороны
n n
ж
nap
m
m
n
M M 1 N1 M 2 N 2
где m – масса системы; М – ее мольная масса. Решая
совместно уравнения, находят значения nж и nпар по
отдельности

20.

Зная составы жидкости (N2ж) и пара (N2пар), можно
найти теперь число молей и массу компонентов в
каждой из фаз
n1пар = nпар - n2пар
m1ж
=
n1ж
M1
n1ж = nж - n2ж
m1пар = n1пар M1пар
20

21.

n2пар = nпар N2пар
n2ж = nж N2ж
m2пар
m2ж = n2ж M2ж
= n2
пар
M2
пар
а так же массы фаз
mпар = m1пар + m2пар
mж = m1ж + m2ж
21