Понятие термодинамического равновесия

Понятие термодинамического равновесия

Общие признаки массообменных процессов.

Общие признаки массообменных процессов

- все массообменные процессы применяются для разделения гомогенных смесей компонентов;

- протекают на поверхности раздела фаз (на поверхности паровой (газовой) и жидкой фаз осуществляются процессы перегонки, ректификации, абсорбции; на поверхности раздела двух жидкостей протекает жидкостная экстракция; на поверхности раздела газовой и твердой фаз протекают процессы адсорбции, сушки и т. д.);

- все массообменные процессы протекают при отклонении от равновесного состояния;

- скорость протекания массообменных процессов определяется диффузией распределяемого вещества во взаимодействующих фазах;

- движущая сила массообменных процессов выражается разностью концентраций или парциальных давлений распределяемого вещества;

- все массообменные процессы обратимы. Направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия;

- переход вещества из одной фазы в другую возникает самопроизвольно и завершается установлением подвижного фазового равновесия.

Механизм процессов переноса массы вещества определяется состоянием поверхности раздела фаз. По этому принципу массообменные процессы подразделяются

- на процессы и аппараты в системах со свободной границей раздела фаз (газ – жидкость, пар – жидкость, жидкость – жидкость);

- на процессы и аппараты в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (газ (пар) – твердое тело, жидкость – твердо тело);

- мембранные процессы, в которых поверхностью раздела фаз является полупроницаемая перегородка (мембрана).

Термодинамическое равновесие рассмотрим на примере разделения аммиачно – воздушной смеси (газовая фаза G) водой (жидкая фаза L), принимая во внимание хорошую растворимость аммиака в воде (воздух в воде растворяется незначительно). При соприкосновении этих фаз молекулы аммиака будут растворяться в воде, т.е. переходить из фазы G в фазу L.

Обозначим

y_н – начальная концентрация аммиака в газовой фазе;

x_н – начальная концентрация аммиака в жидкой фазе. Предположим, что х_н=0.

При взаимодействии фаз G и L концентрация аммиака в газовой фазе уменьшается, а в жидкой – возрастает. С началом растворения аммиака в воде начинается переход части его молекул в обратном направлении. С течением времени скорость перехода аммиака в фазу L (процесс растворения аммиака в воде) снижается, а скорость обратного процесса (выделение аммиака из фазы L и переход в фазу G) возрастает. Такой двусторонний переход будет продолжаться до тех пор, пока скорости переноса в обоих направлениях не станут равными. Если температуры взаимодействующих фаз G и L различны, то имеет место и перенос тепла. При равенстве скоростей прямого и обратного процессов устанавливается термодинамическое равновесие. Система, находящаяся в этом состоянии, называется равновесной.

Рисунок 6.1 – Диаграмма равновесия при P=const и t=const

Равновесная система характеризуется равновесными концентрациями распределяемого компонента в фазах (в рассматриваемом примере распределяемым компонентом является аммиак; воздух и вода - распределяющие компоненты или носители).

Таким образом, концентрация аммиака в газовой фазе уменьшается от у_н до у_р; в жидкой фазе возрастает от 0 до х_р.

Между равновесными концентрациями распределяемого компонента в фазах устанавливается взаимосвязь, общий вид которой выражается зависимостью

y_р=f(x) или x_p=f(y), (6.1)

то есть в условиях равновесия некоторому значению х соответствует определенное значение у_р и наоборот.

Графическое изображение зависимостей (6.1) называется линией равновесия, которая является кривой либо в частном случае – прямой линией. На рисунке 6.1 показана кривая равновесия при постоянных значениях давления (P) и температуры (t) для системы с компонентами - носителями.

Любая точка, лежащая на кривой равновесия, характеризует концентрацию распределяемого компонента в равновесной газо-жидкостной системе.

Отношение равновесных концентраций фаз называется коэффициентом распределения

m=у_р/х. (6.2)

Для разбавленных растворов коэффициент распределения является величиной постоянной, поэтому линия равновесия близка к прямой, тангенс угла наклона которой равен величине m.

Дата добавления: 2014-01-15