4. Рівноваги між фазами. Закон Генрі для процесів адсорбції, хемосорбції, десорбції
Міжфазна рівновага. Рівновага між газом (парою) і рідиною – явище складне, що пов’язане в першу чергу зі складністю структури реальної рідини, а в ряді випадків – з неідеальністю газової фази. В багатьох практичних складних випадках рівновагу розраховують за складними формулами, застосовуючи обчислювальну техніку.
Лише
найпростіші системи (суміш ізотопів,
суміш вуглеводів деяких класів і деякі
інші) можна з достатньою точністю вважати
ідеальними:
для них виконується закон Рауля, що
показує зв’язок між рівноважним тиском
будь-якого і-того
компоненту
з вмістом його в рідині хі:
(184)
де
–
рівноважний тиск над чистим компонентом
(не залежить від складу суміші).
Рівняння
(184), що описує найпростіші системи,
приводить до достатньо складної
нелінійної залежності між рівноважним
складом фаз хі
і
,
в чому легко пересвідчитись на прикладі
бінарної суміші.
Приклад. Розрахунок рівноваги „рідина-пара”.
За
рівнянням (184) розраховуємо залежність
у*
від х
при
=
1;
=0,5,
при
Дана залежність – нелінійна.
Лише при малих значеннях х (розбавлені розчини) залежність у*(х) можна наближено виразити формулою:
(185)
х |
0 |
0,25 |
0,5 |
0,75 |
1 |
|
0 |
0,25 |
0,5 |
0,75 |
1 |
|
0,5 |
0,375 |
0,25 |
0,125 |
0 |
у |
0 |
0,4 |
0,667 |
0,857 |
1 |
Рівняння (185) носить назву закон Генрі. Коефіцієнт m називають константою фазової рівноваги чи коефіцієнтом розподілу. Іноді m чи обернену величину Н=1/m називають коефіцієнтом Генрі.
Розрахунки за формулою (185) часто використовують в умовах, коли закон Генрі не можна застосовувати. При цьому m розглядають не як константу, а як функцію від х.
Тема 2. Фізико-хімічні основи адсорбції та їх апаратна реалізація
Адсорбція – це процес поглинання одного або декількох компонентів з газової або рідкої фази твердим поглиначем (адсорбентом).
Компонент, який поглинають, називають адсорбтивом, коли він знаходиться в рідкій або газовій фазі, і адсорбатом після того, як він перейшов в адсорбований стан.
Адсорбцію використовують в очищенні і сушінні газів, очищенні і освітленні розчинів, а також в розділенні сумішей газів і парів.
Десорбція – видалення адсорбованих речовин з адсорбенту для його повторного використання в процесі.
Розрізняють: фізичну адсорбцію, яка спричиняється силами молекулярної взаємодії і хемосорбцію, обумовлену силами хімічної взаємодії.
Йонний обмін – складний некаталітичний дифузійний процес між твердою речовиною і рідиною, який проходить в декілька стадій. Метою йонного обміну є розділення компонетів, що знаходяться в розчині, за допомогою твердих речовин, які мають особливу здатність обмінювати присутні в них йони на відповідні йони, що присутні в розчині. Ці тверді речовини називаються йонітами або йонообмінниками.
Як промислові адсорбенти використовують тверді речовини з сильно розвинутою внутрішньою поверхнею, яка містить пори (капілярні канали) різних розмірів.
Класифікація промислових адсорбентів наведена в таблиці 14.
Таблиця 14
Класифікація промислових адсорбентів
Тип адсорбенту |
Розміри пор, м |
Назва адсорбентів |
Область використання |
Мікропо-ристі |
5. 10-10 - - 1.10-9 |
Цеоліти (молекулярні сита), активо-ване вугілля (саранове) |
Очищення газів, рекуперація розчинників |
Перехідно- пористі |
l,5.10-9 - - (1-2) .10-7 |
Силікагелі, алюмогелі, алюмосилікатні каталізатори, природні глини |
Очищення газів, рекуперація розчинників, очищення масел |
Макропо-ристі |
>2.10-7 |
Спеціальні марки адсорбентів* |
Хроматографія |
Примітка. *Основні марки адсорбентів є змішанопористими матеріалами. В них макро- і перехідні пори виконують роль транспортних шляхів, які забезпечують при адсорбції доступ адсорбованих молекул в мікропори і евакуацію адсорбату.
Адсорбенти і йоніти характеризуються вбирною (або адсорбційною) здатністю – активністю, а також селективністю.
Селективність – вибірковість вбирання компонентів суміші, що розділяється.
Класифікація йонітів наведена у таблиці 15.
Таблиця 15
Класифікація йонітів
Принцип класифікації |
Назва |
Примітки |
За походженням: Природні
|
Цеоліти, глинисті матеріали, польові шпати, слюди, фторапатити, гідроксидапатити. Гумінові кислоти грунту та вугілля (сульфовугілля) |
Неорганічні
Органічні
|
Синтетичні |
Силікагелі, пермуніоти, важкорозчинні оксиди Al,Cr,Zr. Йонообмінні смоли -високомолекулярні сполуки |
Неорганічні
Органічні |
За способом дії |
Катіоніти
Аніоніти
Аморфні |
Вбирають з розчинів електролітів позитивно заряджені йони (катіони). Вбирають з розчинів електролітів негативно заряджені йони (аніони). Обмінюють і аніони і катіони |