Фазовое равновесие.

Линия равновесия. Рассмотрим в качестве при­мера процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой, т. е. в виду отсутствия равновесия переходит из газовой фазы Фу, где его концентрация равна У, в жидкую фазу Фх, имеющую начальную концентрацию Х = 0.

С началом растворения аммиака в воде начнется переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, пропорциональной концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз. С течением времени скорость перехода аммиака в воду будет снижаться, а скорость обратного перехода возрастать, причем такой двусторонний переход будет продолжаться до тех пор, пока скорости переноса в обоих направлениях не станут равны друг другу. При равенстве скоростей уста­новится динамическое равновесие, при котором не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу.

При равновесии достигается определенная зависимость между пре­дельными, или равновесными, концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осу­ществляется процесс массопередачи.

В условиях равновесия некоторому значению Хотвечает строго опре­деленная равновесная концентрация в другой фазе, которую обозначим через У*. Соответственно концентрации Уотвечает равновесная концен­трация Х *. В самом общем виде связь между концентрациями распреде­ляемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью:

У* = f(X) (3.1)

или

X* = j (У) (3.2)

Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рисунке 3.1, либо в частном случае - прямой линией. На рисунке 3.1а пока­зана равновесная кривая для системы с компонентами-носителями, вы­ражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = const и t = const. На рисунке 3.1 б приведен пример равновесной кривой для процесса ректифи­кации, построенной при Р = const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке соответствует разным температурам (t1, t2 и т. д.).

Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения:

(3.3)

Коэффициент распределения выражает тангенс угла наклона линии равновесия и для кривой линии равновесия является величиной пере­менной.

Конкретный вид законов равновесного распределения, выражающих зависимости (3.1) и (3.2), различен для разных процессов массопере­дачи. Так, например, в процессе абсорбции при низких концентрациях распределяемого вещества в исходном растворе равновесие описывается законом Генри, для идеальных растворов в процессах ректи­фикации - законом Рауля и т. д.

Зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные концентрации фаз в соответст­вующих точках, можно определить направление и движущую силу мас­сопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рассчитана средняя движущая сила, а по ней - скорость процесса массопередачи.

Рисунок 3.1. Примеры диаграмм равновесия: а – при Р= const и t=const; б- при Р= const.

Дата добавления: 2015-07-08