Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

Transkrypt

1 Wykład 3 - wykład 3 Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego 30 października /56

2 Warunek równowagi fazowej Jakich układów dotyczy równowaga fazowa? Równowaga fazowa dotyczy układów: jednoskładnikowych wieloskładnikowych Warunek równowagi oznacza, że gdy układ znajduje się w stanie równowagi fazowej to potencjały chemiczne każdego składnika są sobie równe we wszystkich fazach. 2/56

3 Układ jednoskładnikowy wielofazowy Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperatura T jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznacza to, że: 3/56

4 Układ jednoskładnikowy wielofazowy Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperatura T jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznacza to, że: znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyć ciśnienie 3/56

5 Układ jednoskładnikowy wielofazowy Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperatura T jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznacza to, że: znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyć ciśnienie znajomość ciśnienia jednoznacznie określa temperaturę. 3/56

6 Układ jednoskładnikowy wielofazowy p p K punkt krytyczny cia o sta e ciecz punkt potrójny para T k T 4/56

7 Układ jednoskładnikowy wielofazowy Równowaga ciecz-para przemiana fazowa(parowanie/skraplanie) zachodzi w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Temperatura wrzenia to taka temperatura, w której prężność(ciśnienie) pary nad cieczą jest równa ciśnieniu otoczenia 5/56

8 Układ jednoskładnikowy wielofazowy p etanol woda ciecz p Atm p n A p n W para T o T w A T w W T 6/56

9 Układ jednoskładnikowy wielofazowy Równanie Antoine a to popularne równanie opisujące zależność prężności pary od temperatury log(p) =A+ B C +T (1) 7/56

10 Układ wieloskładnikowy dwufazowy Roztwór to układ jednorodny wieloskładnikowy. Rozpuszczenie substancji nielotnej(ciała stałego) w cieczy powoduje obniżenie prężności pary nad tą cieczą. W konsekwencji następuje obniżenie temperatury krzepnięcia i podwyższenie temperatury wrzenia. 8/56

11 Układy gaz-ciecz Rozpuszczalnośćwybranychgazówwcieczachw20 o Cw g/100g cieczy CIECZ H 2 N 2 O 2 CO 2 H 2 S NH 3 woda 0,017 0,015 0,028 0,88 2, etanol 0,08 0,130 0,143 3 benzen 0,066 0,104 0,163 0,153 9/56

12 Układy gaz-ciecz Wpływ temperatury na rozpuszczalność wybranych gazów w wodziewg/100gcieczy T, o C H 2 CO 2 H 2 S 0 0,0215 1,71 4, ,0182 0,878 2, ,0164 0,530 1, ,0160 0,359 1,19 10/56

13 Układy gaz-ciecz wpływ temperatury podczas rozpuszczania gazu w cieczy wydziela się energia na sposób ciepła, stąd też zgodnie z regułą przekory: x 2 = H x 1 R (1 1 ) (2) T 2 T 1 x- zawartość gazu w cieczy odpowiednio w dwóch różnych temperaturach 11/56

14 Układy gaz-ciecz WpływciśnienianarozpuszczalnośćCO 2 wwodziewmlco 2 w1gh 2 Owprzeliczeniunawarunkinormalne p,bar 25 o C 30 o C 60 o C 25 16, ,2 10, , , ,3 12/56

15 Układy gaz-ciecz wpływ ciśnienia- prawo Henry ego w stałej temperaturze ilość x gazu rozpuszczonego w danej objętości cieczy jest proporcjonalna do jego ciśnienia cząstkowego p nad roztworem: x =He p (3) He- stała Henry ego 13/56

16 Układy gaz-ciecz dla entuzjastów inżynierii procesowej prawo Henry ego jest znane z przenikania masy 14/56

17 Układy ciecz-para układy doskonałe i prawo Raoulta jeżeli dwie lub więcej cieczy tworzy roztwór doskonały to ciśnienia cząstkowe oparów(p) tych cieczy są związane ze składem ciekłego roztworu(x) następującą zależnością: p 1 =P o 1 x A (4) p 2 =P o 2 x B (5) p 3 =P o 3 x C (6) P o i ciśnienieparynasyconejnadczystąciecząi 15/56

18 Układy ciecz-para składnik kluczowy- składnik lżejszy to ciecz o najniższej temperaturze wrzenia 16/56

19 Układy ciecz-para prawo Daltona całkowita prężność(ciśnienie) par nad mieszaniną jest równa sumie ciśnień cząstkowych składników mieszaniny p =p 1 +p 2 +p 3 (7) oczywiście p i =p y i (8) y-ułamekmolowyoparówdanejcieczywfaziegazowej 17/56

20 Układy ciecz-para prawo Daltona i Raoulta skutkuje dla układów doskonałych: 18/56

21 Układy ciecz-para prawo Daltona i Raoulta skutkuje dla układów doskonałych: 19/56

22 Układy ciecz-para rzeczywiste czyli niedoskonałe zeotropia to takie mieszaniny, w których występują oddziaływania pomiedzy cząsteczkami cieczy. W efekcie obserwuje się dodatnie lub ujemne odchylenia od prawa Raoulta. dodatnie odchylenie ujemne odchylenie 20/56

23 Układy ciecz-para azeotropia to zjawisko występowania ekstremalnych wartości ciśnienia: 21/56

24 Układy ciecz-para azeotropia to zjawisko występowania ekstremalnych wartości ciśnienia a w konsekwencji i temperatury: T 2 T 2 T 1 T 1 x AZ x AZ 22/56

25 Układy ciecz-para etanol-woda 23/56

26 Układy ciecz-para etanol-woda 24/56

27 Układy ciecz-para rzeczywiste czyli niedoskonałe współczynniki aktywności to wielkości poprawkowe, które uzwględniają oddziaływania pomiędzy składnikami mieszaniny zarównowfazieciekłejγ i jakigazowejφ i p φ i y i =P o i γ i x i (9) NRTL(non-random two-liquid model) UNIQUAC(UNIversal QUAsiChemical) UNIFAC(UNIQUAC Functional-group Activity Coefficient) 25/56

28 Układy ciecz-para NRTL oddziaływania pomiędzy dwoma składnikami cieczy 26/56

29 Układy ciecz-para UNIQUAC opiera się na znajomości parametrów powierzchniowych i objętościowych charakteryzujących cząsteczki składników 27/56

30 Układy ciecz-para UNIFAC oddziaływania pomiędzy grupami charakterystycznymi składników mieszaniny 28/ 56

31 Układy ciecz-ciecz 29/56

32 Układy ciecz-ciecz Wpływ temperatury na równowagę w układach dwuskładnikowych 30/56

33 Układy ciecz-ciecz Wpływ temperatury na równowagę w układach dwuskładnikowych 31/56

34 Układy ciecz-ciecz Wpływ temperatury na równowagę w układach dwuskładnikowych układ T dolna, o C T grna, o C nikotyna-woda 60,8 208 dwuetyloamina- woda trójetyloamina- woda 18,5 - CO 2 -n-butanol - 16 woda- fenol /56

35 Układy ciecz-ciecz Wpływ ciśnienia na równowagę w układach dwuskładnikowych 33/56

36 Układy ciecz-ciecz prawo podziału Nernsta jeżeli do układu dwóch niemieszających się cieczy dodamy trzeciego składnika rozpuszczającego się w tych cieczach, to ilorazstężeńtegoskładnikawdwóchfazachciekłych(c 1,c 2 ) będzie określony zależnością: c 1 c 2 =k (10) k- współczynnik podziału Nernsta, zależny od temperatury 34/56

37 Układy ciecz-ciecz układy trzech cieczy ciecz1 ciecz2 ciecz3 woda toluen metanol woda toluen aceton 35/56

38 Układy ciecz-ciecz trójkąt Gibbsa K. Bałon praca magisterska UR /56

39 Układy ciecz-ciecz trójkąt Gibbsa- dwie niemieszające się ciecz 37/56

40 Układy ciecz-ciecz trójkąt Gibbsa- dwa niemieszające się układy dwuskładnikowe brak punktu krytycznego 38/56

41 Układy ciecz-ciecz trójkąt Gibbsa- trzy niemieszające się układy dwuskładnikowe punkty krytyczne 39/56

42 Układy ciecz-ciecz trójkąt Gibbsa- trzy fazy ciekłe brak punktu krytycznego 40/56