IV. Fázové rovnováhy dokončení

Transkript

1 IV. Fázové rovnováhy dokončení 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 1

2 4.3.2 Soustava tuhá složka kaalná složka Dvousložková soustava s 2 Křivka rozustnosti T nenasycený roztok nasycený roztok + tuhá fáze nasycený roztok c oisuje rozustnost tuhé látky v kaalině závislost koncentrace nasyceného roztoku na telotě ři daném tlaku Příklad 1. Přidávání tuhé látky do kaaliny vše se rozustí nenasycený roztok 2. Další řidávání tuhé látky vše se rozustí až do určitého okamžiku nasycený roztok 3. Další řidávání tuhé látky tuhá látka se nerozouští, ale zůstává v tuhém stavu Většina látek T rozustnost nař. KClO 3, NaCl Některé látky T rozustnost nař. CaSO 4.1/2 H 2 O rozustnost tuhých látek je omezena koncentrací nasyceného roztoku, tj. ři konst. a T konst. je koncentrace nasyceného roztoku je jednoznačně určena 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 2

3 Izobarický fázový diagram kaalina tuhá fáze H 2 O - NaCl T C H 2 O nenasycený roztok NaCl l křivka tuhnutí led + nenasycený roztok s + l E led a tuhý NaCl c m NaCl křivka rozustnosti nasycený roztok + tuhý NaCl s + l s NaCl Y X Z Roztok o složení X X nenasycený roztok žádné fázové změny do Y Y začnou se vylučovat krystaly ledu s T vylučování vody zvyšování koncentrace NaCl v roztoku až do dosažení eutektického složení Z led a kaalný roztok o eutektickém složení další ochlazení ztuhnutí kaalného roztoku střídavé vylučování krystalů NaCl a H 2 O od eutektickou telotou tuhý led a tuhý NaCl 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 3

4 4.3.3 Soustava kaalná složka lynná složka Soustava kaalina lynná složka soustava se skládá z kaaliny a lynu, který s kaalinou chemicky nereaguje, ale rozouští se v kaalině tak dlouho, až se mezi lynnou a kaalnou fází ustaví rovnováha Příklad: Vzdušnění rybníků v zimě Příklad: Příklad: Příklad: Příklad: Čistírny odadních vod ioreaktory bsorční kolona (čistění nebo searace lynů) bsorční chlazení Ústřední čistírna odadních vod Praha 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 4

5 Rozustnost lynu v kaalině i [1] H 2 udává rovnovážnou koncentraci lynné složky v kaalné fázi o daném složení za dané teloty a tlaku O N 2 2 He závislost rozustnosti lynu na tlaku lynu studoval W. Henry, který zjistil, že ři T konst. je rozustnost lynu římo úměrná arciálnímu tlaku tohoto lynu nad kaalinou i [MPa] Henryho zákon i H i i H i Henryho konstanta ; H f (T) ; T H i molová koncentrace složky i v kaalné fázi i arciální tlak složky i v lynné fázi, která je v rovnováze s kaalnou fází!!! rozuštěný lyn řechází mezi fázemi tak, aby byla ustanovena rovnováha!!! 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 5

6 Příklad: Výroba sycených náojů Henryho zákon koncentrace rozuštěného lynu tím vyšší, čím vyšší arciální tlak koncentrace CO 2 tím vyšší, čím vyšší arciální tlak CO 2 a nižší telota (T H ) Příklad: Otevření šamusu, minerálky otevření okles tlaku na atmosférický tlak nižší rovnovážná koncentrace lynu bublinky CO 2 Příklad: Úhyn ryb v létě kyslíkový deficit vyšší telota okles rozustnosti kyslíku okud sotřeba O 2 > řenos O 2 do vody deficit O 2 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 6

7 Příklad: Čistírny odadních vod aktivační nádrže aerační elemety Forte GS Šumerk 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 7

8 Výroba H 2 SO 4 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 8

9 absorce desorce 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 9

10 Ekologie ochrana rostředí Čištění salin Chemická absorce 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 1

11 Ekologie ochrana rostředí Salovny fyzikální chemická 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 11

12 Tyy kolon atrové kolony nálňové kolony 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 12

13 Patrová kolona Nálňová kolona Venturiho račka kloboučkové atro 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 13

14 bsorční chlazení 1. Páry chladiva o nízkém tlaku se absorbují do absorbentu (eotermní reakce ; nutno chladit) 2. Roztok chladivo + absorbent je čerán na čeradlem na vyšší tlak 3. Desorbce chladiva (vyuzení chladiva z roztoku telem) áry chladiva o vysokém tlaku. 4. Kondenzace chladiva (nutno chladit) kaalné chladivo o vysokém tlaku. 5. Eanze kaalného chladiva na nižší telotu vyaření (otřebné telo odběrem z okolí chlazení) áry chladiva o nízkém tlaku. 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky bsorbent: bromid lithný 14

15 4.3.4 Soustava kaalná složka kaalná složka Smísením dvou kaalin mohou nastat tři říady: kaaliny neomezeně mísitelné (nař. etanol voda) říklad využití destilace kaaliny omezeně mísitelné (nař. voda olej) etrakce kaaliny nemísitelné (nař. voda rtuť) Pojem neomezená mísitelnost kaaliny jsou mísitelné v libovolném oměru mísitelné v libovolném oměru homogenní kaalná fáze a homogenní lynná fáze f 2 2 složková soustava s 2 f 2 v 2 Nemísitelné/omezeně mísitelné kaaliny kaalná soustava dvě (a více) kaalných fází f 2 fázové rozhraní mezi kaalnými fázemi 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 15

16 Neomezeně mísitelné kaaliny s 2 Ideální soustava neomezeně mísitelných kaalin g, T g y y L, T L T g T L T g L y ; y + 1 y + y 1 +. y.. y.. Ideální chování kaalné fáze v celém rozsahu koncentrací latí lineární vztah i k i. i lze odvodit: k i tlak nasycených ar složky v čistém stavu. Ideální chování lynné fáze i Raoltův zákon i v celém rozsahu koncentrací latí Daltonův zákon i yi a i i y i molový odíl složky i v lynné fázi C. Sojená formulace: Raoltův Daltonův zákon i ois ideální soustavy i i yi neomezeně mísitelných kaalin 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 16

17 Odvození: Raoltův zákon Dvousložková soustava kaalin a 1 k Určení konstant úměrnosti k, k k + Limitní říad arciální tlak v lynné fázi se dle k. zvětšuje se vzrůstající koncentrací této složky v kaalné fázi, až v určitém limitním říadě je kaalná fáze tvořena ouze složkou, tj. 1 čemu je roven arciální tlak? tlaku sytých ar roč? viz koeistenční křivka k ro 1 k k ro 1 k Konstanty k a k v kritériu ideálnosti ro kaalnou fázi mají význam tlaku nasycených ar složky v čistém stavu k } k obecně: i i Raoltův zákon i 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 17

18 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 18 Vzájemný vztah mezi složením kaalné a lynné fáze. Kaalná fáze ) ( s 2 celkový tlak v ideální soustavě dvou neomezeně mísitelných kaalin je lineární funkcí složení kaalné fáze (ři T konst.). Plynná fáze y složení lynné fáze v ideální soustavě dvou neomezeně mísitelných kaalin závisí na složení kaalné fáze C. nalýza ři orovnání hodnot a y v závislosti na tlaku sytých ar čistých složek a lze odvodit: v ideální soustavě je lynná fáze vždy bohatší na těkavější složku Využití: destilace

19 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 19 Odvození: Vzájemný vztah mezi složením kaalné a lynné fáze. Kaalná fáze Dvousložková soustava složek a + + y + y + ) 1 ( + 1 } ) ( + celkový tlak v ideální soustavě dvou neomezeně mísitelných kaalin je lineární funkcí složení kaalné fáze. Plynná fáze Dvousložková soustava složek a + y y + 1 y + + y + ) (1 y složení lynné fáze v ideální soustavě dvou neomezeně mísitelných kaalin závisí na složením kaalné fáze

20 . Izotermický fázový diagram T konst. Oblast kaalné [Pa] fáze l křivka l závislost I volený celkového tlaku ar na II složení kaalné fáze g Oblast kaalné a lynné fáze Čistá složka Oblast lynné fáze I I, y [1], y [1] y II y II křivka g závislost celkového tlaku ar na složení lynné fáze Čistá složka, - tlaky nasycených ar čistých složek 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 2

21 . Izobarický fázový diagram konst. t [ o C] t V Oblast lynné fáze křivka g závislost teloty ar na složení lynné fáze Oblast kaalné a lynné fáze Čistá složka I t volená křivka l závislost g teloty kaaliny na složení kaalné fáze I I Oblast kaalné fáze, y [1], y [1] y II y II II l t V Čistá složka t V, t V - teloty varu čistých složek, 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 21

22 Reálné soustavy neomezeně mísitelných kaalin odchylky od ideálního chování lynné i kaalné fáze Tyy odchylek kladná odchylka od Raoultova zákona ( > RD ) záorná odchylka od Raoultova zákona ( < RD ) azeotroické chování ( y ; y ) Vztah i ν i y i i i γ i Fugacitní součinitel ν i : nař. GFD (generalizovaný fugacitní diagram) ; ν f (T R, R ) ktivitní součinitel γ i nař. van Laarova, Margulesova, Wilsonova rovnice, NRTL 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 22

23 . Kladná odchylka od R.z. Záorná odchylka od R.z. celkový tlak nad dvousložkovým roztokem je vyšší (m) než odovídá Raoultovu zákonu (č) celkový tlak nad dvousložkovým roztokem je nižší (m) než odovídá Raoultovu zákonu (č) 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 23

24 C. zeotroické chování oznávací znak: azeotroické body na křivkách závislosti C1. zeotroický bod složení kaalné i lynné fáze stejné y res. y Příklad: voda etanol C2. zeotroické směsi s minimem bodu varu s maimem bodu varu t [ o C] Izobarický fázový diagram Oblast lynné fáze t V [Pa] Izotermický fázový diagram Oblast kaalné fáze t [ o C] Izobarický fázový diagram Oblast lynné fáze [Pa] Izotermický fázový diagram Oblast kaalné fáze t V zeotroický bod Oblast kaalné fáze l + g zeotroický bod Oblast lynné fáze l + g t V zeotroický bod Oblast kaalné fáze l + g t V zeotroický bod Oblast lynné fáze l + g 1 % % 8 % 6 % 2 % 4 % 4 % 6 % 2 % % 8 % 1 % 1 % % 8 % 6 % 2 % 4 % 4 % 6 % 2 % % 8 % 1 % 1 % % 8 % 6 % 2 % 4 % 4 % 6 % 2 % % 8 % 1 % 1 % % 8 % 6 % 2 % 4 % 4 % 6 % 2 % % 8 % 1 % c n [1] c n [1] c n [1] c n [1] c n [1] c n [1] c n [1] c n [1] 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 24

25 Technická alikace destilace Destilace Destilací lze rozdělit látky, které tvoří kaalné roztoky, které mají: ři stejné telotě různé tenze ar, neboli ři stejném tlaku různé body varu Výjimka: azeotroické směsi ři daném tlaku sice různé body varu, ale složení ar složení kaalné fáze Tyy destilace jednoduchá destilace rektifikační destilace 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 25

26 Jednoduchá destilace Chladivo Kondenzátor Páry Destilační nádoba Vyařování Destilát (bohatší na těkavější složku) Nástřik Přívod tela Vařák Destilační zbytek (bohatší na méně těkavou složku) áry vznikající ve vařáku odváděny do kondenzátoru a tam zkondenzovány áry neřicházejí do styku s vroucí kaalinou Tyy neřetržitá neřetržitá s eanzí řetržitá (složení destilátu a destilačního zbytku se s časem mění) 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 26

27 Chladivo Rektifikační destilace Páry Kondenzátor Reflu áry z vařáku se uvádějí do rotiroudého styku s částí svého kondenzátu, čímž dochází jejich dalšímu obohacení těkavější složkou 5. atro 4. atro 2. atro 1. atro 3. atro (nástřikové) Destilát Toné medium Vařák Nástřik Čeradlo Destilační zbytek 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky Tyy kolon: atrové nálňové 27

28 Patrové kolony vrstvu kaaliny robublávají áry. je li na atře dosažena rovnováha, ak kaalina a áry odcházející z atra mají rovnovážné složení vzájemné složení kaaliny řicházející na atra a složení ar z atra odcházející je vázáno racovní římkou. Tyy ater: kloboučková sítová ventilová tunelová odstředivá Nálňové kolony 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 28

29 Vařáky kolony Tyy vařáků: s toným láštěm (dulikátor) s řirozenou cirkulací (stojatý výměník) s vestavěným výměníkem kotlový výměník kotlový výměník 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 29

30 Příklady využití destilace Výroba aliv a maziv 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 3

31 vakuová destilační kolona atmosférická destilační kolona Rafinerie Hylube Egyt Proko Engineering 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky 31

32 Příklady využití destilace Výroba lihu, destilátů Mortlach Liho lanice 4. Fázové rovnováhy Ústav rocesní a zracovatelské techniky Cukrovar TTD Dobrovice (výroba biolihu) Radek 28 32