Прогнозирование давления паров жидкостей

Лабораторная работа №5.
Прогнозирование давления паров жидкостей.
Цель работы.
Ознакомиться с методами прогнозирования давления паров жидкостей,
основанных на аппроксимации P-T данных. Изучить влияние температуры
состава смеси органических соединений на равновесие в системе газ-жидкость.
Задание.
1) Для заданных веществ определить коэффициенты в уравнении Антуана
зависимости давления насыщенных паров от температуры.
2) Построить зависимости давления насыщенных паров заданных веществ
от температуры в диапазоне, для которого определены коэффициенты
уравнения Антуана.
3) Определить температуры кипения заданных веществ при давлениях 1
атм, 2 атм и 5 атм.
4) Определить температуру начала конденсации смеси паров заданных
веществ при мольном соотношении N и давлении 1 атм.
5) Определить состав жидкой и газовой фаз при температуре на ΔT ниже
температуры конденсации.
6) Составить отчет по выполненным заданиям в письменной форме.
Таблица 1. Варианты заданий.
№
в-та
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Вещества
N
ΔT, К
о-толуидин и м-толуидин
метилциклопентан и этилциклогексан
гексан и 2,2,3-триметилбутан
о-хлорстирол и п-хлорстирол
октан и 2,2,3-триметилпентан
п-ксилол и о-ксилол
изопропилбензол и пропилбензол
sim-триметилбензол и v-триметилбензол
октанол-1 и октанол-2
3.1
1.7
2.7
4.7
3.3
4.5
0.7
0.5
2.1
18
11
16
26
19
25
6
5
13
1
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
тетраметилбутан и 3-метилгексан
4-этилфенол и этилбензол
4-гептанол и н-гептан
о-крезол и бензиловый спирт
метилфениловый эфир и бензиловый спирт
о-крезол и метилфениловый эфир
этилбутиловый эфир и диизопропиловый эфир
1-гексанол и 2,3-диметилбутан
циклогексанол и метилбутилкетон
метилпентаноат и этилбутаноат
тетраметилбутан и 3-метилгексан
1.3
2.3
3.3
4.1
3.5
0.7
4.9
4.7
1.5
3.7
4.7
9
14
19
23
20
6
27
26
10
21
26
Выполнение работы.
Рассмотрим задание вариант 20.
Уравнение Антуана представляет собой зависимость температуры от
давления для насыщенного пара индивидуального вещества:
lg(P)= A−
B
t +C
(1)
A, B и C – справочные величины, действительные для того диапазона
температур, в котором определены.
В [4] представлены величины A, B и C для давления, измеряемого в
мм.рт.ст и температуры в ˚С.
Для заданных веществ они представлены в таблице 2.
Таблица 2. Коэффициенты уравнения Антуана тетраметилбутана и
3-метилгексана.
Вещество
Диапазон температур
A
B
C
тетраметилбутан
3-метилгексан
-20÷100.7
7.92864
1709.43
233.63
100.7÷160
6.87665
1327.8
226
160÷270.8
8.79823
3213.7
438.9
-60÷130
6.86764
1240.2
219.22
130÷262.4
7.39633
1635.1
261.5
Используя уравнение (1) и коэффициенты из таблицы 2 построим график
зависимости давления насыщенного пара от температуры (рис. 1)
2
30
25
Столбец B
Столбец C
Давление, бар
20
15
10
5
0
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
Температура, °С
Рисунок 1. Давление насыщенных паров тетраметилбутана и
3-метилгексана.
Для определения температур кипения воспользуемся графической
зависимостью (рис. 2).
тетраметилбутан
3-метилгексан
9
8
Давление, атм
7
6
5
4
3
2
1
0
80
100
120
140
160
180
200
Температура
Рисунок 2. К определению температур кипения тетраметилбутана и
3-метилгексана.
Графически решая уравнение Антуана (рис. 2), находим температуры
кипения (табл. 3).
3
Таблица 3. Температуры кипения тетраметилбутана и 3-метилгексана.
Вещество
Давление, атм
Температура кипения, ˚С
тетраметилбутан
3-метилгексан
1
107
3
152
5
177
1
92
3
135
5
159
Температуру начала конденсации определим из условия достижения
точки насыщения одним из веществ.
Пусть индекс x относится к тетраметилбутану, y к 3-метилгексану, тогда:
P=P x + P y =1 атм
(2)
Парциальные вклады давления по уравнению Антуана имеют значения:
P x =10
P y =10
Ax−
Bx
t+ C x
(3)
Ay−
By
t +C y
(4)
Уравнение равновесия фаз имеет вид [5]:
x0
y0
+
=1
Z V + P x / P⋅( 1+ Z V ) ZV + P y /P⋅( 1+ ZV )
(5)
Где Z v – степень конденсации.
Начальные мольные доли компонентов смеси:
N
x 0=1⋅
=0.825
1+ N
(6)
1
y 0=P⋅
=0.175
1+ N
(7)
При Z v =0 получаем точку росы, т. е. температуру начала конденсации:
x0
y
+ 0 =1
Px / P P y / P
(8)
Решая это уравнение относительно t имеем:
tcond = 104 ˚С
4
Расчет состава жидкой и газовой фаз необходимо проводить при
температуре t = 104 – 26 = 78 ˚С.
Найдем давления насыщенных паров чистых веществ компонентов смеси
при данной температуре.
P x (78)=0.425 атм
(9)
P y (78)=0.652 атм
(10)
Решая уравнение (5) относительно степени конденсации при заданной
температуре, имеем:
Z v =0.3735311512=37.4 %
Состав жидкой фазы, это значения слагаемых в уравнении (5):
x0
=0.8617387726=86.2 %
Z V + P x / P⋅(1+ Z V )
y0
y L=
=0.1382612274=13.8 %
Z V + P y / P⋅(1+ Z V )
x L=
Давление паров над жидкостью такого состава будет следующим:
P x (73.472)=0.425⋅0.865=0.366 атм
(11)
P y (73.472)=0.652⋅0.138=0.09 атм
(12)
Т.е. состав газовой фазы приблизительно следующий (в мольных долях):
x = 0.802
y = 0.198
Список литературы
1. Леванова, С.В. Термодинамический анализ процессов органического
синтеза: учеб. пособ. / С.В. Леванова, Т.Н. Нестерова, И.А. Нестеров, А.А.
Пимерзин, В.С. Саркисова. – Самара: Самар. гос. тех. ун-т., 2003. – 104 с.
2. Нестерова, Т.Н. Прогнозирование свойств органических веществ:
Учеб. пособ. / Т.Н. Нестерова, И.А. Нестеров, В.С. Саркисова. – Самара: Самар.
гос. тех. ун-т., 2006. – 240 с.
5
3. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А.А.
Равделя и А.М. Пономаревой. – Изд. 8, перераб. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.
4. Справочник химика – Л.: ГОСХИМИЗДАТ, 1963. – 1073 с.
5. Додж, Б. Химическая термодинамика в применении к химическим
процессам и химической технологии / Б. Додж; пер. с англ. М.Л. Карапетьянц. –
М.: Издательство иностранной литературы, 1950. – 786 с.
6