35
Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Ravnoteža kapljevina- kapljevina

  • Upload
    others

  • View
    10

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Ravnoteža kapljevina-kapljevina

Page 2: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Ravnoteža kapljevina-kapljevinaFazna ravnotežaNema kemijskih ili elektrokemijskih procesa

Industrijska praksa

Razdvajanje smjesa na komponente

Jednokratna i višekratna ekstrakcija

Kontinuirana kolonska ekstrakcija

Heterogena azeotropna destilacija

Page 3: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fizikalnokemijske osnoveKemijski potencijal

, , j i

i ii p T n

Ggn

Metoda tangente

i

iii 1xgxgg

Jednakost kemijskih potencijalau dvokomponentnim sustavima

A

B

C

1 2x2x2

I x2II

ln(x )11

ln(x )22

0 0

gm

RT

Gibbsova energija miješanjaUvjet ravnoteže – jednakost aktivnosti

I

0

B2

B1S1

S2

II

1

III

g

x2

g2g1

g2

g1

Potpuna nemješljivost

Potpuna mješljivost

Djelimičnamješljivost

Page 4: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fizikalnokemijske osnoveNestabilno i metastabilno područje

x

g

Snižavanje Gibbsove energije

0 1

g

x2

g2

g1

g2

g1A

A

A1

A2

S1

B1S2

B2

Page 5: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fizikalnokemijske osnoveOvisnost ravnotežnih sastavao temperaturi

Kritična temperatura otopine

Binodalna i spinodalnakrivulja

B1 B2S1 S2

0 1x2

K

T

TK

binodala

spinodala

Page 6: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fazni dijagramiOvisnost ravnotežnih sastava o temperaturi

Dimetilformamid – n-heksanMatsuda i suradnici

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

290

300

310

320

330

340 1 faza

2 faze

T/K

x(n-heksan)

Page 7: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fazni dijagramiOvisnost ravnotežnih sastava o temperaturi

Polistiren - polivinilmetileterXie i suradnici

0,8 10 0,60,40,2

T/K

450

440

430

420

410

w(PVME)

0100 0,2 0,4 0,6 0,8

200

300

T/°C

w(S)

2 faze

2 faze

1 faza

Sumpor - benzen

Page 8: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fazni dijagramiOvisnost ravnotežnih sastava o temperaturi Glicerol - benziletilamin

x(glicerol)

2 faze

1 faza

0,2 0,4 0,6 0,8 1

100

140

180

60

220

260

300T/°C

Page 9: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Fazni dijagramiOvisnost o tlaku – mala

T

T

x1

x1

p

p1

p1

p2

p2

p3

p3

p4

p4

p5

p5

w(CO )2

2 faze (L + V)

2 faze (L + L)

1 faza

0,20 0,4 0,6 0,8 1

10

15

5

20

p/MPa

CO2 – n-oktanolGauter i suradnici393 K

Page 10: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Uvjeti fazne ravnoteže

Prvi zakon termodinamike – bilančne jednadžbe

F I II

1 1 1

nk nk nk

i i ii i in n n

Ukupna bilanca tvari

F F I I II IIi i in z n x n x Bilanca po komponentama

I

1

1nk

ii

x

II

11

nk

iix

Bilanca po fazama

IIIF HHH Bilanca energije za izolirani sustav

Page 11: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Uvjeti fazne ravnotežeDrugi zakon termodinamike

.maxS 0dS Izolirani sustav

Ekvivalentni uvjeti za dvofazne, višekomponentne sustave

III TT III pp I II

i i

Page 12: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Jednadžba fazne ravnotežeJednakost kemijskih potencijala

lni i iRT a Uvođenje aktivnostiI I II IIln lni i i iRT a RT a Ravnotežna jednadžba

I IIi i Simetrična definicija standardnog stanja

Čista kapljevina pri temperaturi i tlaku sustava

I IIi ia a Jednakost aktivnosti

Uvođenje koeficijentaaktivnosti

i i ia x

I I II IIi i i ix x Ravnotežna

jednadžba

I

IIi

i

xKx

Koeficijent raspodjeleK-vrijednost

I IIi i

II

Ii

i

K

Page 13: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

0

10

20

3040

5060

708090100

xB

xC

xA

Page 14: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

0

10

20

3040

5060

708090100

xB

xC

xA

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

xB

xCxA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Page 15: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

xB

xCxA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 a

b

cd

ef

Page 16: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

wB

wCwA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

III

30/90 60/90

3 g09 g06 g0

Page 17: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

wB

wCwA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

I

C

II

30/100

70/100

7 g0

10 g0

3 g0

Page 18: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

3,83,7

3,6

3,5

3,4

3,2

3,0

2,8

2,52,1

90

90

100

100

x(metanol)

x(aceton)x(vo

da)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

x(metanol)

x(aceton)x(vo

da)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

56

58

60

62

6466

7074

80

Griswold & Wong100 °CIli101325 Pa

Page 19: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami

KT

I

1

2BA

C

III

1 1

2

BA

C

II

12

2BA

C

IV

12 2

2BA

C

VI

1 1

1

32

2

2

BA

C

V

1 12

BA

C

Binodalna krivulja Vezna linija Kritična točka

Page 20: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagrami OvisnostMješljivosto temperaturi

T

A

A

B

B

C

Page 21: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokutni dijagramiOvisnost mješljivosti o temperaturi

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

100

x(trietilamin)

x(fenol)

x(vo

da)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Meerburg 10°C, 75°C

Page 22: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokomponentni dvofazni sustaviOdređivanje parametara modela iz eksperimenta

I I 23

2 I I II

I

1

I

I

II

I1

i ii ind

j i i i i i j

OFx x

xx

Sorensen-Arlt

3 2 2

3 exp mod1 1 I,II

ndpi

p

ii

jj pxxOF

Page 23: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokomponentni dvofazni sustaviOdređivanje parametara modela iz eksperimenta

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

w1

w2w3

voda(1) – 2-butanon(2) – fenol(3).NRTL

Page 24: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokomponentni dvofazni sustaviIzračunavanje veznih linija – numeričke vježbe

Ekstrakcijski flash

2

III

F

x2

z2

z3

z1

x2I

x3I

x1II

x3II

x2II

x1I

x3

x1

1

3

L+L

L= =

n1 d( , )II FnF d( , )II I

Page 25: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokomponentni dvofazni sustaviIzračunavanje veznih linija – numeričke vježbe

Ekstrakcijski flash

FormulacijaI II, ,, ,i ii xT xp z

II III

I I II

, ,

, ,i i i

i ii

x p T xK

x p T x

Ravnotežne jednadžbe

I II 1i i iz x x Bilanca za komponente

I

11

nk

iix

II

1

1nk

ii

x

I II

1 1

0nk nk

i ii i

x x

Jedan od bilančnih faznih uvjeta

11 0

1 1

nki

i i

zfK

Kombinacija

1

10

1 1

nki i

i i

z Kf

K

Rachford-Rice

Page 26: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Trokomponentni dvofazni sustavi

x(voda)

x(octena kiselina)x(klo

rofo

rm)

00

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

90

90

100

1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

EksperimentProračun

Page 27: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Razdvajanje azeotropaIstiskivanje azeotropa mijenjanjem tlaka

L+V

L+V

L+V

LV

L

V

LV

x y1 1,

T

p1

p2

p3

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

290

300

310

320

330

340

350

360

1,8105 MPa

1,1319 MPa

0,6575 MPa

0,4896 MPa

T/K

x1, y1

Valtz i suradnicitetrafluoroetan (1) – dimetileter (2)

Page 28: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Razdvajanje azeotropaUvođenje treće komponente

ETANOL351,5 K

351,2 K

341,0 K

342,8 K 353,2 K373,1 K

337,6 K

BENZENVODA

1

2

3

4

etanol+

voda

etanol

binarniazeotrop

ternarniazeotrop

benzen

voda

L1

L2

Page 29: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevinaFazni dijagrami

L+VL

L+L

V

x y1 1,

T

p1

p2

p3

p4

M

Page 30: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevinaHeterogeni azeotrop s minimumom vrelišta

x1

y1

L+ LI I I

LII

LI

L+ VIL + VII

V

x y1 1,

p T = konst

L + LI IILII

LI

L + VI

L + VII

V

x y1 1,

Tp = konst

x y1 1,

p T = konstL + LI II

L + VI

L + VII

V

L + LI II

L + VI

L + VII

V

x y1 1,

Tp = konst

x1

y1

p

T

= konstili

= konst

Heterogeni azeotrop s minimumom vrelišta – potpuna nemješljivost

Page 31: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevina

x y1 1,

p T = konstL + LI II

L + VI

L + VII

V

L + LI II

L + VI

L + VII

V

x y1 1,

Tp = konst

x1

y1

p

T

= konstili

= konst

Destilacija vodenom parom

Page 32: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevina

x y1 1,

p T = konstL + LI II

L + VI

L + VII

V

L + LI II

L + VI

L + VII

V

x y1 1,

Tp = konst

x1

y1

p

T

= konstili

= konst

Destilacija vodenom parom

Page 33: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevinaDjelimična mješljivost bez heterogenog azeotropaNemješljivost se pojavljuje između vrelišta čistih komponenata

x1

y1

x y1 1,

p T = konst

L + LI II

LII

LI

L + VI

L + VII

V

x y1 1,

Tp = konst

L + LI IILII

LI

L + VI

L + VII

V

Page 34: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevina

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

365

370

375

380

385

390

x y1 1,

T / K

Voda(1) – n-butanol(2)101325 PaK. Iwakabe i H. Kosuge

08

10

12

14

16

0,2 0,4 0,6 0,8 1

x y1 1,

p / bar

amonijak (1) – voda (2)293 KGmehling i Onken zbirka

Page 35: Ravnoteža kapljevina- kapljevina

Para-kapljevina-kapljevinaProračuni • proračun ravnoteže kapljevina-kapljevina

• proračun ravnoteže barem jedne od kapljevitih faza s parom.

I II I IIL L i L V L V