3 tečna gasna faza.pdf

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


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


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).


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


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.


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)


7/13

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).


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.


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


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.


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.


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.


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 .

3 tečna gasna faza.pdf

Documents