загрузка...
 
8.2. Діаграми станів. Перегонка рідин
Повернутись до змісту

8.2. Діаграми станів. Перегонка рідин

                Звернемося  знову до діаграм залежності загального тиску пари над розчином від складу розчину і складу пари. За наявністю відхилень від закону Рауля ці діаграми можуть мати різний вигляд. Розглянемо найпростіший випадок невеликого позитивного відхилення. На рис. 9.5а крива 1 показує залежність тиску пари від складу розчину, крива 2 – від складу пари (порівняйте з рис. 8.3).  Вище кривої 1 (крива рідини) – область рідини, нижче кривої 2 (крива пари) – область пари. Між кривими – область гетерогенного співіснування рідини і пари. Можна будувати й інші діаграми, наприклад, діаграму залежності температури кипіння розчину від складу при постійному тиску (рис.8.5б).

        Оскільки температури кипіння нижчі у більш летких компонентів, тобто у тих, для яких більше Р0, то обидві діаграми взаємно зворотні.  Розглянуті діаграми називаються діаграмами стану. Вони характеризують залежність будь-якої властивості системи від її складу. Діаграми стану дозволяють визначити склади рівноважних фаз ( у нашому випадку рідкого розчину та пари), а також кількісне співвідношення між фазами.

                Останнє здійснюється з використанням правила важеля. Пояснимо його суть, використовуючи діаграму стану, що наведена на рис. 8.5а. У точці К міститься точка опори, аК і Кв – плечі важеля. На точки а і в діють сили пропорційні масам рідини (m1) і пари (m2). Добуток сили на довжину плеча дорівнює добутку іншої сили на довжину іншого плеча і

,

тобто відношення кількості пари і розчину обернено пропорційне відстані від точки, що характеризує систему, до кривих пари та рідини.

                Відмінність складу рідини та пари дозволяє розділяти розчини рідин шляхом їх перегонки. У хімічній технології це здійснюється шляхом проведення процесу ректифікації. Розглянемо фізико-хімічні основи цього процесу. На рис. 8.6 наведена діаграма стану температура кипіння – склад.

                При нагріванні та випарюванні вихідного розчину, що позначений точкою а1, склад поступово змінюється і характеризується точками а1, а2,…,аn,…,в. Фракції рівноважної пари а?1, а?2, а?,…аn,…,в послідовно конденсу- ються і утворюються конденсати (точки а??1, а??2, в1,…, а??n,…, в). Потім кожен конденсат знову переганяється. Наприклад, фракція в1, поступово випарюється, а її залишком є суміш складу в2, в3,…, а1,…аn,…, в. А пара в?1, в?2, …, а?2, а?3, …, в послідовно конденсується і дає конден- сати в??1, в??2, с1,…, а??2, в1, …, а1, …, аn,…, В. Кожен з них знову переганяється. Близькі за складом фракції (середня частина кривої) поєднуються і фракціонування повторюється. У результаті маси середніх фракцій поступово     зменшуються,     маси       крайніх       фракцій

збільшуються і утворюються практично чисті компоненти А і В.

                При ректифікації операції конденсації та дистиляції автоматизуються. Апарати, в яких відбувається ректифікація, називаються ректифікаційними колонами. У цих колонах пара, що відходить з перегінного апарату, конденсується. Рідина, що утворюється при конденсації, стікає  по контактним пристроям зверху вниз, а пара проходить із куба знизу вгору. При достатньо великій кількості ступенів контакту можна отримати практично чисті компоненти суміші, що розділяється. 

                Якщо позитивні або негативні відхилення від закону Рауля набувають значних величин, то на діаграмах стану можуть виникнути максимуми або мінімуми. Виникнення таких екстремумів більш вірогідне для сумішей рідин, що мають близькі температури кипіння (рис. 8.7).

        В екстремальних точках (максимумах або мінімумах температури кипіння) рідина і пара мають однаковий стан. На діаграмах криві рідина і пара поєднуються, тому для екстремальних точок Х = У. Звідси випливає, що суміші, для яких можливий максимум або мінімум температури кипіння на діаграмі стану, не можна розділити перегонкою. Перегонка завжди призводить до складу, що має екстремальну температуру кипіння (Х = У) та розділення припиняється. Далі розчин переганяється як окрема рідина.

                Суміші, що відповідають мінімальній або максимальній температурі кипіння, називаються  азеотропними сумішами. Існування азеотропу у леткій суміші , як правило, небажане. Одним із засобів усунення азеотропу є змінення зовнішнього тиску і, отже, температури кипіння леткої суміші. При цьому склад азеотропу та розміщення екстремальної точки на кривій температури кипіння змінюються, і в деяких випадках азеотроп зовсім зникає. Так, наприклад, при зниженні тиску над розчином етилового спирту – вода від 101325 Па (700 мм рт. ст.) до 18300 Па (100 мм рт. ст.) склад азеотропу змінюється від 95,6 до 99,6 %.

                Утворення азеотропних сумішей може бути використано для розділення рідких розчинів речовин з близькими температурами кипіння. Річ іде про так звану азеотропну перегонку. Принцип її полягає у тому, що у розділяємий перегонкою розчин вводять речовину, що утворює з одним із компонентів азеотропну суміш з мінімальною температурою кипіння. У результаті один компонент розділяємого розчину утворюється у чистому вигляді, а інший – у виді азеотропної суміші зі спеціально введеною речовиною. Наприклад, при розділенні мета- і параксилолів (Ткип = 139,1 і 138,350С) у розділяємий розчин вводять метанол, що утворює з параксилолом азеотроп з Ткип = 640С. При перегонці такої системи з дистилятом виходить азеотропна суміш параксилолу з метанолом, а кубовий залишок є практично чистим мета-ксилолом. Для відділення параксилолу від метанолу у даному випадку використовують звичайну водну відмивку, оскільки метанол гарно розчиняється  у воді.



загрузка...