Фазовое равновесие, линия равновесия

Рассмотрим процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой.

Обозначим: Ф_х – жидкая фаза; Ф_у – газовая фаза; х₀ – начальная концентрация аммиака в жидкой фазе; у₀ – начальная концентрация аммиака в газовой фазе.

Очевидно, что х₀ = 0, у₀ ≠ 0.

При соприкосновении газа с жидкостью начинается переход аммиака из газовой в жидкую фазу (абсорбция). Скорость этого процесса зависит от концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз: w_a = K_a·y (K_a- константа скорости абсорбции).

Скорость обратного процесса – десорбции аммиака – зависит от концентрации аммиака в воде: w_д = K_д·х (K_д- константа скорости десорбции).

С течением времени скорость абсорбции будет снижаться, а скорость десорбции – возрастать. В определённый момент скорость абсорбции становится равной скорости десорбции. При этом не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу, т.е. установится динамическое равновесие.

В условиях равновесия некоторому значению действующей концентрации аммиака в жидкой фазе х соответствует строго определённая равновесная концентрация в газовой фазе у*. Соответственно, концентрации у соответствует равновесная концентрация х*. В общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается:

у* = f(х) или х* = f(y’).

Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рис. , либо в частном случае— прямой линией. На рис. , а пока­зана равновесная кривая для системы с компонентами - носителями, вы­ражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = соnst и t = const. На рис. -1, б приведен пример равновесной кривой для процесса ректифика­ции, построенной при Р = const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке, соответствует разным температурам.

 

 

Рис. Диаграммы равновесия: а – при р = const и t = const; б – при p = const.

 

 

Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффи­циентом распределения: m = y*/x

Для разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и m является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.

Конкретный вид законов равновесного распределения, выражающих зависимости ( ) и ( ), различен для разных, процессов массопередачи. Так, например, в процессе абсорбции при низких концентрациях распре­деляемого вещества в исходном растворе равновесие описывается законом Генри, для идеальных растворов в процессах ректификации — законом Рауля и т. д.

Как будет показано ниже, зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные, концентрации фаз в соответствую­щих точках, можно определить направление и движущую силу массопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рас­считана средняя движущая сила, а по ней — скорость процесса массопередачи.