Фазовое равновесие

Необходимым условием фазового равновесия является постоянство температуры и давления. Равновесие нарушается при изменении температуры из-за теплообмена, а при изменении давления – из-за массообмена м жду фазами. На равновесие, кроме Р и Т влияет состав фаз.

Фазовое равновесие подчиняется правилу фаз: С = К+2-Ф, где С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз. По правилу фаз можно найти число параметров С, при изменении которых сохраняется число или вид фаз.

Например, в случае однокомпонентной трехфазной системы (лед-вода-пар): С = 1+2+3 = 0 и система не имеет степеней свободы. Она существует только при 0.5 кПа 0,0076˚С. Если убрать лед, то С = 1+2-2 = 1 – можно изменять только Т или только Р.

В расчетах по массообмену применяют диаграммы Р = F(концентрация) при T = const; T = F(концентрация) при P = const и концентрация = F(концентрация).

При равновесии достигается зависимость между равновесными концентрациями распределяемого компонента в фазах для данных Р и T (например, между концентрациями NH₃ в воде и концентрацией NH₃ в воздухе, из которого NH₃ поглощается водой):

.

- массовая доля NH₃ в воде, - массовая доля NH₃ в воздухе, * - означает равновесие.

Графически эти зависимости иллюстрируются линией равновесия. Например, для процесса ректификации бинарной смеси при P = const для компонента А:

t₁ и t₂ - температура.

При P = const и заданной температуре концентрация компонента А в жидкой фазе отвечает равновесная (предельная) концентрация этого компонента в паровой фазе.

Коэффициент распределения m – отношение равновесных концентраций распределяемого компонента в фазах:

. m равен tgα, α – угол наклона линии равновесия.

16.3. 4 Wm6AVyX/v6D6AQAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAA AAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAConmZbMBwAA0jUAAA4AAAAA AAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAEJpYVzfAAAACQEAAA8A AAAAAAAAAAAAAAAAJgoAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAAAyCwAAAAA= ">

Материальный баланс и рабочая диаграмма массообмена

Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого компонента иллюстрируется рабочей линией процесса. В промышленных аппаратах рабочие концентрации не достигают предельных (равновесных) значений.

Уравнение получается из материального баланса процесса. Рассмотрим непрерывный противоточный массообменный аппарат, работающий в режиме идеального вытеснения. Пусть процесс односторонний, например, из газовой фазы в жидкую переходит NH₃.

L – расход жидкой фазы (кг/с),

G – расход газовой фазы,

- массовая доля NH₃ в жидкой фазе,

- массовая доля NH₃ в газовой фазе,

н – начало. К – конец.

Материальный баланс аппарата:

;

Материальный баланс аммиака:

;

Материальный баланс для части аппарата ниже сечения 1-1:

;

по NH₃:

;

Выразим :

- уравнение рабочей линии . Оно связывает рабочие концентрации во взаимодействующих встречных фазах по высоте аппарата.

Практически и рабочая линия становится прямой: или .

Для анализа и расчета процесса массообмена надо совместить в одной диаграмме рабочую и равновесную линию.

A A а б

Рабочая линия может быть ниже или выше равновесной. Распределяемое вещество переходит из фазы, в которой его концентрация выше равновесной , в фазу, в которой его концентрация ниже равновесной . Т.е. в случае (а) , (б) .