Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Фазова рівновага в системі етанол – вода

Співвідношення концентрації спирту в паровій фазі Y до його концен­трації в рідині X в стані рівноваги має назву коефіцієнт випарову­вання К_{е с}.:

К_{е с} = Y/X.

В основу розподілу бінарних летких сумішей покладено закони Д.П.Коновалова та М.С.Вревського.

Перший закон Коновалова встановлює за­лежність між складом парової та рідкої фаз.

Пара, що перебуває в рівновазі із розчином, збагачується тим компонентом, додавання якого до рідини підви­щує загальний тиск парів над нею (зни­жує температуру кипіння).

В системі етиловий спирт - вода додавання до рідкої фази спирту ви­кликає зниження температури кипін­ня (що прирівнюється до підвищення пружності пари).

Отже, під час кипіння парова фаза буде збагачуватись спиртом.

У верхній частині рис. 3 лінія 1 зоб­ражує залежність рівноважного скла­ду пари Y від складу рідини X за ат­мосферного тиску та при температурі кипіння для суміші етиловий спирт-вода. Лінія 1 позначає геометричне місце точок значень коефіцієнтів ви­паровування етилового спирту (К_{е с} = Y/Х) зі спирто-водної суміші. Як видно з рис. 3, значення коефіцієнта ви­паровування К_{е с} змінюється в широ­ких межах. За малих концентрацій спирту в суміші його значення макси­мальні (біля 13), за великих - мінімальні (біля 1). Лінія рівноважно­го складу в точці А перетинає діа­гональ, отже, в цій точці склад парової та рідкої фаз однаковий. Ця точка одержала назву азеотропна точка, чи точка неподільного кипіння. Для неї Y = X, або К_{е с} = 1. За атмос­ферного тиску неподільнокипляча (азе­отропна) суміш системи етиловий спирт-вода вміщує 97,2 об.%. (96,5 мас.%) етилового спирту при температурі кипіння 78,15 ºС; за того самого тиску температура кипіння етилового спирту дорівнює 78,3 ºС, а води -100 ºС.

Другий закон Д. П. Коновалова встановлює положення азеотропної точки на графіку тиск р - склад X, що показано в нижній частині рис. 3.

В екстремумах тисків пари (або точок кипіння) сумішей складові рідкої та парової фаз збігаються.

М. С. Вревський показав, що склад пари, що виділяється із суміші лет­ких компонентів, змінюється від зовнішнього тиску, і встановив, що зі збільшенням тиску в системі, в якій вміщено два рідких летких компо­нента, в парах буде зростати вміст того компонента, випаровування якого потребує більшої витрати енергії.

Енергія, потрібна для випаровування того чи іншого компонента із роз­чину, складається із енергії, що витрачається на виділення чистого компо­нента із розчину, та енергії на його перетворення в пару. Для суміші ета­нол - вода сума цих двох складових за низьких концентрацій спирту в розчині (приблизно до 30 - 40 мас.%) вища для спирту, ніж для води. За великих концентрацій спирту в розчині навпаки більше енергії витрачається на випаровування води.

Згідно з цим з підвищенням тиску розчини з низькою концентрацією спирту утворюють пару з більшим вмістом спирту, а розчини з високою концентрацією спирту будуть зпідвищенням тиску виділяти пару з мен­шим вмістом спирту, що наочно показано на рис. З пунктирною лінією. З рис. 3 також видно, що із зміною тиску зміщується і положення азеотропної точки.

Так, під тиском 9,33 кПа, або 70 мм рт.ст. (температура кипіння 27 °С) точка неподільного кипіння зміщується праворуч аж до X = 100%, тобто під таким тиском пара завжди буде мати більшу концентрацію спирту, ніж вихідна рідина.

Аналізуючи положення кривої фазової рівноваги, легко встановити, що за атмосферного тиску пара над рідиною буде збагачуватись етиловим спир­том тільки до азеотропної точки. Отже, способом ректифікації (багаторазо­вого випаровування та конденсації) за атмосферного тиску можна досягти максимальної концентрації спирту 97,2 об. %.

Якщо виникає потреба отримати спирт більш високої концентрації, тре­ба зменшити тиск, тоді азеотропна точка зміститься праворуч, що дозволить способом ректифікації досягнути більш високої концентрації спирту. Цим способом іноді користуються в практиці для одержання абсолютного спирту.

Фазова рівновага в бінарній суміші етиловий спирт - вода в останні роки ретельно вивчалась під керівництвом професора В. М. Стабнікова. За даними фазової рівноваги будуються графіки фазової рівноваги, які ши­роко застосовуються для розрахунку процесу ректифікації та аналізу ро­боти ректифікаційних колон.

Під час розрахунку ректифікаційних колон за допомогою ЕОМ потрібні аналітичні залежності між концентрацією спирту в парі й рідині в стані їх рівноваги. Такі залежність встановлена П. С. Циганковим, М.С.Бальшиним, В.М.Стабніковим, О.С. Міщенком та ін..

Фазова рівновага в системі етанол - вода під тиском, близьким до ат­мосферного, добре досліджена. Недостатньо досліджена ця залежність від тиску, нижчого за атмосферний, особливо в зоні низьких концентрацій ета­нолу.