Основы теории и моделирования процессов разделения

6 заданий
Для допуска к экзамену необходимо набрать не менее 40 баллов

парожидкостных равновесий бинарных систем
Расчет ПЖР неидеальных систем
Частные формы уравнения Ван дер Ваальса – Сторонкина
Влияние условий на парожидкостное равновесие.
Законы Вревского
Эволюция бинарных азеотропов
Методы ректификационного разделения бинарных азеотропных смесей

М.: РТУ МИРЭА, 2018.
Раева В.М., Жучков В.И. Зависимости состав – свойство бинарных и трехкомпонентных систем неэлектролитов: Учебно-методическое пособие. [Электронный ресурс]: М. – Московский технологический университет (МИРЭА), 2016. 
Фролкова А.К., Раева В.М., Серафимов Л.А. Классификация бинарных жидких растворов в терминах избыточных термодинамических функций: Учебно-методическое пособие. – М.: МИТХТ, 2010. 36 с.
Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. Пер. с англ. под ред. В.Б. Бескова. – Москва: Мир, 1989. 688 с.
Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: Учебное пособие
для вузов. - Москва: Высшая школа, 2010. - 408 с.
Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. Справочник: – Ленинград: Химия, 1971. - 847 с.

между собой и с окружающей средой энергией и веществом

Термодинамическая фаза (ТФ) – однородная по физическим, химическим
и термодинамическим свойствам часть гетерогенной системы, отделенная
от других фаз поверхностями (границами) раздела. Фаза является гомогенной частью гетерогенной системы

Лекция 1. Основные определения термодинамики гетерогенных
равновесий

Компоненты – химически индивидуальные вещества, из которых состоит
термодинамическая система

не суммируются

Зависят от количества вещества, массы, объема, размера
суммируются,
определяются по аддитивности

Имеют «меру в не себя»

Имеют «меру в себе»

изменение интенсивной величины определяется изменением экстенсивной

Температура, давление, химический потенциал компонента

Масса, количество вещества, объем, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия

– метилдиэтаноламин
101.32 кПа

Brazilian J. Chem. Eng. 2019.
dx.doi.org/10.1590/0104-6632.20190363s20180588
Russian J. Phys. Chim. A.2018.
doi: 10.31857/S0044453720040287

Циклогексен (х) –
циклогексанон (1-х) 101.32 кПа

свойство»

Циклогексен (х) – циклогексанон (1-х)
101.32 кПа

ρ = m / V

гетерогенной системы, которое определяется равенством температуры всех частей системы (термическое равновесие), давления во
всем объеме системы (механическое равновесие) и химических потенциалов компонентов (химическое равновесие) во всех фазах системы.

Фазовая диаграмма (ФД) графически отображает состояния равновесной ТС в пространстве термодинамических переменных.

Фазовая диаграмма серы

тройная точка; К – критическая точка

термодинамическая система

Стабильное состояние - устойчивое
термодинамическое равнвоесие

Нестабильное
состояние

Метастабильное состояние - неравновесное состояние, устойчивое относительно малых возмущений

Правило фаз Гиббса применимо к стабильным состояниям

Характеристика состояний термодинамического равновесия

Переохлажденная жидкость: температура ниже
температуры кристаллизации при нормальном
давлении

Перегретый пар: температура выше
температуры кипения

с помощью которых можно описать состояние системы, находящейся в термодинамическом равновесии (вариантность равновесия, число степеней свободы системы)

φmax = n − f + 2

φmax – максимальное число сосуществующих фаз
(находящихся в термодинамическом равновесии)

f = 0

f = n − φ + 2

n = 1; φmax = 3

n = 2; φmax = 4

Лед – жидкость – пар

Тв. фаза – жидкость – жидкость – пар

х1+ х2 =1, х2 =1 – х1

независимая переменная

зависимая переменная

жидкость –
тв. тело

Х ′ , Х″ - равновесные составы сосуществующих фаз
Р ′ , Р″ - давление и Т ′ , Т″ - температура (при ТД -равновесии)

J. Chem. Eng. Data. 2018. doi:10.1021/acs.jced.7b01091

Диаграммы жидкость – пар бинарных систем

Уксусная кислота (1) – изопропенилацетат (2) 60 кПа

[1]

Уксусная кислота (1) – ацетилацетон (2) 101.3 кПа

[1]

[2]

Циклогексан (1) – ацетил-
ацетон (2) 101.3 кПа

1, 2- Дихлорэтан (1) –
тетрагидропиран (2) 298.15 К

[3]

Азеотропная система

Зеотропные системы

Cистемы неидеальные

другую при изменении интенсивных параметров (Т, Р, х).

Фазовые переходы 1-го рода

ФП первого рода − меняются свойства фаз, определяемые количеством вещества (плотность, объем). ФП сопровождается
изменением агрегатного состояния появлением (исчезновением) фаз

одна жидкая фаза две жидкие фазы

жидкость тв.фаза

связаны со структурными перестройками вещества под воздействием внешнего параметра. При ФП второго рода объем, плотность фаз не меняются.

Фазовые переходы 2-го рода

Примеры:
структурные перестройки кристаллов;
переходы в состояние сверхпроводимости, сверхтекучести;
ферромагнетик – парамагнетик;
диэлектрик - сегнетоэлектрик

Эти ФП связывают с изменением состояния симметрии: до ФП симметрия выше, после ФП – ниже.

изменении параметров свойства отдельных фаз изменяются также непрерывно; свойства системы в целом изменяются непрерывно до тех пор, пока не изменится число или природа фаз в системе

Принцип соответствия:
каждой фазе находящейся в равновесии,
на диаграмме отвечает определенный геометрический образ.
Размерность образа соответствует вариантности равновесия

Принципы построения диаграмм состав –
свойство (Н.С. Курнаков):

Вариантность ТР – число независимых
переменных, достаточное для описания 
термодинамического состояния
равновесной системы

2. Определить максимальное число сосуществующих фаз при термодинамическом равновесии системы, содержащей один, два или три компонента. Привести примеры.
Вариантность равновесия. Примеры определения вариантности для
однокомпонентных и бинарных систем.
4. Определить число степеней свободы для фаз и линий фазовых
переходов однокомпонентых систем: вода, гелий.
5. На каких фазовых переходах основаны массообменные процессах
разделения веществ в технологиях органических продуктов?
6. Какие массообменные процессы используются для разделения
бинарных жидких смесей; для очистки газов от вредных примесей?
7. Принципы построения фазовых диаграмм.