Φυσικές Διεργασίες Ι Ενότητα 1: Ισορροπία φάσεων Χριστάκης Παρασκευά

Παρουσίαση με θέμα: "Φυσικές Διεργασίες Ι Ενότητα 1: Ισορροπία φάσεων Χριστάκης Παρασκευά"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Φυσικές Διεργασίες Ι Ενότητα 1: Ισορροπία φάσεων Χριστάκης Παρασκευά
Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

2 Σκοποί ενότητας Η ισορροπία ενός υγρού με τους ατμούς του παίζει σημαντικό ρόλο στις φυσικές διεργασίες όπως η απόσταξη και η απορρόφηση. Θα παρουσιαστούν οι βασικές αρχές και εξισώσεις που περιγράφουν αυτή την ισορροπία.

3 Περιεχόμενα ενότητας Φυσικές διεργασίες Ισορροπία ατμών-υγρού
Διαγράμματα ισορροπίας Τέλεια μίγματα Πραγματικά διαλύματα Σχετική πτητικότητα Συνήθεις τρόποι αναπαράστασης της ισορροπίας

4 Φυσικές Διεργασίες Βιομηχανική Παραγωγή Παραλαβή πρώτης ύλης .....
Διάθεση υλικού στην αγορά Πχ. Βιομηχανία πετρελαίου Εξόρυξη, προκατεργασία, απόσταξη, καταλυτική μετατροπή κλασμάτων, ανάμιξη και προσθήκη υλικών, αποθήκευση τελικών προϊόντων Παραγωγή θειϊκού οξέως - εξόρυξη θειούχων μεταλευμάτων, διαχωρισμός πυρίτη, προκατεργασία, καύση πυρίτη προς SO2, καθαρισμός αερίων καύσης, καταλυτική μετατροπή SO2 σε SO3, , ενυδάτωση, αποθήκευση H2SO4 Χημικές Διεργασίες -> μεταβολή της χημικής σύστασης Φυσικές Διεργασίες-> διαχωρισμού και μεταβολής συνθηκών (απόσταξη, ανάμιξη, θέρμανση, συμπύκνωση) Διαχωρισμού: προϊόντα διαφορετικής σύστασης ή/και φυσικών ιδιοτήτων Μεταβολής συνθηκών: προϊόντα διαφορετικών συνθηκών

5 Ισορροπία ατμών- υγρού 1
Κανόνας των Φάσεων (Gibbs) F= C-p+2 Όπου F: βαθμός ελευθερίας p: αριθμός των φάσεων C: αριθμός συστατικών Πχ. Απόσταξη τολουόλιο-βενζόλιο, C=2, P=2 F=2 [συνήθως πίεση, P, θερμοκρασία, T ή η συγκέντρωση ενός συστατικού (xA, yA, xB=1- xA, yB=1-yA ] P= σταθ., Τ μεταβλητή xA, yA προκύπτουν xA μεταβλητή  yA , Τ προκύπτουν yA μεταβλητή  xA , Τ προκύπτουν

6 Ισορροπία ατμών- υγρού 2
Π.χ. Πολυσύστατα μίγματα, C=N>2, F=N Μεταβλητές, P, T, x1, x2,…,xN-1, y1, y2,…,yN-1. Η ισορροπία υγρού ατμού δεν μπορεί να παρασταθεί από μια καμπύλη Φάση Ι Φάση ΙΙ Τ P μi

7 Διαγράμματα Ισορροπίας
Διάγραμμα βρασμού Καμπύλη Ισορροπίας

8 Τέλεια Μίγματα Κανόνας Lewis-Randal
Η φάση ατμών ενός συστήματος θα θεωρείται τέλεια εάν ακολουθεί τους νόμους των τελείων αερίων (P < 10 atm) Ένα υγρό καλείται τέλειο (ή ιδανικό εάν κατά τον σχηματισμό από την ανάμιξη των συστατικών του, δεν επέρχεται μεταβολή όγκου ούτε παρατηρείται έκλυση ή απορρόφηση θερμότητας Κανόνας Lewis-Randal Όπου πτητικότητα του συστατικού i και η πτητικότητα του καθαρού I στην θερμοκρασία και πίεση του μίγματος Στην ισορροπία dF= RT d(lnf), T= σταθερή και lim(f/P) 1 (P0)

9 Τέλεια Μίγματα 2 Νόμος του Raoult (P<10 atm)
Pi: μερική πίεση του i στο μίγμα. : τάση ατμών του καθαρού i στην θερμοκρασία του μίγματος Για την τέλεια φάση ατμών ισχύει ο Νόμος του Dalton Για διμερές μίγμα Α, Β (ισορροπία) Λύνοντας για xA και yA λαμβάνουμε:

10 Τέλεια Μίγματα 3 Εξίσωση Antoine Εξίσωση Clausius –Claperon
Όπου ΔΗυ και Δzυ αναφέρονται στην διαφορά των ενθαλπιών και των συντελεστών συμπιεστότητας αντίστοιχα, των κορεσμένων φάσεων ατμού και υγρού. Ολοκλήρωση της ανωτέρω εξ. και Εξίσωση Antoine Οι σταθερές A, B και C είναι χαρακτηριστικές της ουσίας, δίδονται σε πίνακες. Προσοχή: Τ σε kelvin, P0 σε bars Μόνο στην περιοχή Τmin-Tmax Άλλες εξισώσεις: Wagner, Gomez and Thodos, κλπ.

11 Πραγματικά διαλύματα Αέρια φάση Όπου Φi: συντελεστής πτητικότητας
Υγρή φάση Όπου γi:συντελεστής ενεργότητας Εξίσωση ισορροπίας Φi, γi, fi0 από συγγράμματα φυσικοχημείας Συντελεστής κατανομής Για ένα διμερές μίγμα Α, Β ki ανεξάρτητος από την συγκέντρωση

12 Σχετική πτητικότητα, ai,j
Για δύο συστατικά Α, Β Θεωρούμε i ως το πλέον πτητικό, αij>1 Όσο μεγαλύτερο το aij τόσο ευκολότερα διαχωρίζονται τα i,j Σε μη ιδανικά μίγματα η aij εξαρτάται ισχυρά από την συγκέντρωση Η σχ. πτητικότητα ασθενής εξάρτηση της θερμοκρασίας, ιδίως για συγγενείς ουσίες Για διμερές μίγμα Α,Β εξάγεται Έκφραση της κατάστασης ισορροπίας (συνδέει τις συστάσεις yA και xA του συστατικού Α στην φάση ατμών και του υγρού κατά την ισορροπία) μέσω της σχετικής πτητικότητας

13 Συνήθεις τρόποι παράστασης της ισορροπίας
Διαγράμματα πιέσεως-συστάσεως (P- x, y) υπό σταθερή πίεση Διαγράμματα θερμοκρασίας-συστάσεως (Τ- x, y) υπό σταθερή P (διαγράμματα βρασμού) Διαγράμματα συστάσεων σε ισορροπία υπό σταθερή P (διαγράμματα ισορροπίας) Διαγράμματα πιέσεως-συστάσεως (P-x,y) υπό σταθερή πίεση

14 Τέλος Ενότητας

15 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

16 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου
Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση

17 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών. Αναπληρωτής Καθηγητής, Χριστάκης Παρασκευά. «Φυσικές Διεργασίες Ι, Ισορροπία φάσεων». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: Όλα τα διαγράμματα είναι κατασκευασμένα από την ομάδα του μαθήματος, εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά.

18 Σημείωμα Αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.