Правило фаз. Знание равновесия в процессах массопередачи позволяет установить пределы, до которых могут протекать эти процессы

Знание равновесия в процессах массопередачи позволяет установить пределы, до которых могут протекать эти процессы. Что такое равновес­ная система?

Замкнутая система, состоящая из одной, двух и более фаз, называ­ется равновесной, если на протяжении неограниченного времени в ней не происходит никаких качественных и количественных изменений.

Из этого определения следует, что необходимым условием фазового равновесия является постоянство температуры и давления во всех фазах этой системы. При неравенстве температуры равновесие будет нарушаться из-за теплообмена, а при неравенстве давления - из-за массообмена меж­ду фазами.

В основе равновесия лежит известное правило фаз:

или

где: С(F) - число степеней свободы системы;

К - число компонентов системы;

Ф(Р) - число фаз.

Правило фаз указывает, какое число параметров можно изменять без нарушения равновесия системы. Так, например, в случае однокомпонентной трехфазной системы (лед - вода - водяной пар) К = 1 и Ф = 3, поэтому:

т.е. система не имеет степеней свободы, она инвариантна; ее существо­вание возможно только при давлении 0,5 кПа и температуре 0,0076°С.

Если удалить из системы лед, то оставшаяся двухфазная система (К=1, Ф=2) будет иметь одну степень свободы (С = 1), она моновариантна, т.е. допускает без нарушения равновесия изменять либо температуру, ли­бо давление.

Рассмотрим систему, состоящую из двухкомпонентной (бинарной) жид­кой смеси и паров, образующихся при ее кипении. В данном случае харак­теристическими параметрами системы, кроме температуры и давления, яв­ляются еще составы жидкости и пара.

Если компоненты жидкой смеси абсолютно нерастворимы друг в друге, то: К = 2, Ф = 3, С = 1, т.е. система моновариантна. Изменение давле­ния над этой системой влечет за собой изменение температуры кипения и состава паровой фазы.

Если рассматриваемая смесь состоит из компонентов с неограничен­ной взаимной растворимостью, то К = 2, Ф = 2, С = 2, т.е. система бивариантна. В такой системе определенному давлению и заданному соста­ву жидкой фазы всегда соответствует определенная температура кипения и определенный состав паровой фазы.

При кипении смеси состоящей из 3 компонентов с неограниченной взаимной растворимостью, мы имеем систему с 3 степенями свободы (К=3, Ф=2, С=3). То есть кроме температуры и давления может быть еще произ­вольно задана концентрация одного компонента в жидкой фазе или парах; остальные параметры равновесной системы однозначны.

Правило фаз, как показывают примеры, дает лишь качественную ха­рактеристику равновесной системы. Необходимые же для изучения и теоре­тического расчета процессов массообмена количественные соотношения компонентов сосуществующих фаз (их составы) в равновесных системах большей частью не поддаются теоретическому расчету, а определяются экспериментальным путем. Для распространенных на практике систем ко­личественные данные о равновесных составах фаз приведены в справочни­ках. По этим данным строят в требуемых системах координат диаграммы равновесия

Дата добавления: 2014-01-07