Построение и анализ диаграммы «температура – состав» для бинарных систем с азеотропом.
Диаграмма «температура – состав» — представляет собой графическую зависимость температуры кипения и конденсации бинарной смеси от её состава при постоянном давлении, как правило, 1 бар.
При изменении давления состав азеотропа меняется.
По оси абсцисс откладывают мольную долю , а по оси ординат откладывают температуру.
Мольная доля – характеризует состав раствора, выражается как количество растворенного вещества (n1), отнесенное к количеству вещества раствора (n1+n2).
На диаграмме, как правило, присутствуют две кривые:
- Кривая кипения: показывает состав жидкости, находящейся в равновесии с паром при данной температуре. Это нижняя кривая в двухфазной области.
- Кривая конденсации: показывает состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Это верхняя кривая в двухфазной области.
Бинарная система с азеотропом
Азеотроп (или азеотропная смесь) – это смесь двух или более жидкостей, которая кипит при постоянной температуре и имеет тот же состав в жидкой и паровой фазах. Это означает, что при кипении азеотроп ведет себя как чистый компонент: состав пара такой же, как и состав кипящей жидкости, и его нельзя разделить на чистые компоненты с помощью обычной фракционной перегонки.
Существует два основных типа азеотропов:
- Минимально – кипящий азеотроп – образуется при положительных отклонениях от закона Рауля, (молекулы разных компонентов притягиваются друг к другу слабее, чем однородные молекулы, как следствие выше общее давление пара, ниже температура кипения). Температура кипения азеотропа ниже, чем у любого из чистых компонентов. Пример: этанол – вода (95,6% этанола по массе)
- Максимально – кипящий азеотроп – образуется при отрицательных отклонениях от закона Рауля (молекулы разных компонентов притягиваются друг к другу сильнее, чем однородные молекулы, как следствие ниже общее давление пара, выше температура кипения). Температура кипения азеотропа выше, чем у любого из чистых компонентов. Пример: хлороводород – вода.
Построение диаграммы «температура – состав» для системы с азеотропом.
- Определение чистых компонентов: на горизонтальной оси отложите мольную долю одного из чистых компонентов (например А) при заданном давлении.
- Отметьте температуры кипения чистых компонентов: на вертикальной оси отметьте температуры кипения чистых компонентов при заданном давлении.
- Изобразите кривые кипения и конденсации:
- Для минимально – кипящего азеотропа: кривые кипения и конденсации сначала расходятся, а затем сходятся в одной точке – азеотропной точке. В этой точке обе кривые касаются друг друга, и температура в этой точке является минимальной по сравнению с температурами кипения всех других составов, включая чистые компоненты. Кривая конденсации будет выше кривой кипения, за исключением азеотропной точки.
- Для максимально – кипящего азеотропа: аналогично, кривые кипения и конденсации сходятся в азеотропной точке, но эта точка будет иметь максимальную температуру по сравнению с температурами кипения всех других составов. Кривая конденсации будет ниже кривой кипения, за исключением азеотропной точки.
В случае минимально – кипящего азеотропа, кривые «провисают» вниз к азеотропной точке.
В случае максимально – кипящего – «выпучиваются» вверх.
(рис. 2)
Анализ диаграммы
- Фазовые области:
- Выше обеих кривых: Область однофазного пара
- Ниже обеих кривых: Область однофазной жидкости.
- Между кривыми (двухфазная область): Область сосуществования жидкости и пара в равновесии.
- Линии связи: Если провести горизонтальную линию (изотерму) через двухфазную область, она пересечет кривую кипения (давая состав жидкости, Х) и кривую конденсации (давая состав пара, Y). Эти две точки (Х,Y) представляют собой составы жидкости и пара, находящихся в равновесии при данной температуре.
Применение и значение
Понимание T-x-y диаграмм с азеотропами критически важно для проектирования и оптимизации процессов разделения смесей, особенно в химической и нефтехимической промышленности. Поскольку азеотропы не поддаются разделению обычной фракционной перегонкой, для их разделения требуются специальные методы, такие как азеотропная или экстрактивная дистилляция, мембранные процессы или адсорбция.
Решение задач
Задача 1: Определение типа азеотропа
Для бинарной системы А-В известны температуры кипения чистых компонентов: Т(А) = 80°C, Т(В) = 100°C. При смешивании этих компонентов образуется азеотроп, который кипит при 70°C. Какой тип азеотропа (с минимумом или максимумом температуры кипения) образуется в данной системе? Кратко поясните, почему.
Решение:
Сравниваем температуры кипения чистых компонентов и азеотропа:
- Температура кипения чистого В = 100°C
- Температура кипения чистого А = 80°C
- Температура кипения азеотропа = 70°C
Мы видим, что температура кипения азеотропа (70°C) ниже температуры кипения обоих чистых компонентов (80°C и 100°C). Если температура кипения азеотропа ниже, чем у любого из чистых компонентов, то это азеотроп с минимумом температуры кипения (или положительным отклонением от закона Рауля). Такие азеотропы являются более летучими, чем их составляющие.
Задача 2: Определение фазового состава по диаграмме
На диаграмме «температура – состав» для системы X-Y с азеотропом показана точка F, соответствующая общей концентрации 30% X при температуре Т1. Эта точка находится между линиями кипения и конденсации. Линия коноды, проходящая через точку F при температуре Т1, пересекает линию жидкости при 20% X и линию пара при 45% X. Определите состав жидкой и паровой фаз, находящихся в равновесии при температуре Т1 для смеси с общим содержанием 30% X.
Решение:
- На диаграмме «температура – состав», когда смесь находится в двухфазной области (жидкость + пар), точка, представляющая общий состав смеси (точка F), располагается между линией жидкости (нижняя кривая) и линией пара (верхняя кривая).
- Линия коноды (изотермическая горизонтальная линия, проходящая через точку F) соединяет точку на линии жидкости, представляющую состав равновесной жидкой фазы, с точкой на линии пара, представляющей состав равновесной паровой фазы.
- Общая концентрация компонента X = 30%.
- Линия коноды пересекает линию жидкости при 20% X. Это означает, что состав жидкой фазы в равновесии при температуре Т1 составляет 20% X (и 80% Y).
- Линия коноды пересекает линию пара при 45% X. Это означает, что состав паровой фазы в равновесии при температуре Т1 составляет 45% X (и 55% Y).
Вывод: Состав жидкой фазы при температуре Т1 составляет 20% X и 80% Y.
Состав паровой фазы при температуре Т1 составляет 45% X и 55% Y.
