Испарение жидкостей.
Давление насыщенного пара
В закрытом сосуде кроме испарения будет протекать процесс конденсации паров. При этом в начальный момент времени скорость испарения будет больше скорости конденсации. Но с увеличением числа молекул в единице объёма скорость испарения уменьшается, а скорость конденсации возрастает. В какой-то момент скорость испарения становится равной скорости конденсации. Такое состояние жидкости и пара… Читать ещё >
Испарение жидкостей. Давление насыщенного пара (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Жидкость, налитая в открытый сосуд, испаряется из него. При этом молекулы, оторвавшиеся от поверхности жидкости за счёт конвективных потоков и броуновского движения, уходят в окружающее пространство, а на их место из жидкости вылетают всё новые и новые молекулы. Таким образом, над поверхностью жидкости образуется насыщенный пар и процесс испарения протекает до тех пор, пока вся жидкость не испарится.
Для того чтобы молекула оторвалась от поверхности жидкости, она должна иметь кинетическую энергию примерно в 10 раз большую, чем средняя кинетическая энергия молекул жидкости.
В закрытом сосуде кроме испарения будет протекать процесс конденсации паров. При этом в начальный момент времени скорость испарения будет больше скорости конденсации. Но с увеличением числа молекул в единице объёма скорость испарения уменьшается, а скорость конденсации возрастает. В какой-то момент скорость испарения становится равной скорости конденсации. Такое состояние жидкости и пара называется динамическим равновесием. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.
Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и её абсолютной температуры. Зависимость давления пара от температуры можно выразить формулой, вытекающей из уравнения Клаузиса-Клайперона.
. (53).
Если принять в первом приближении, что теплота испарения с изменением температуры остаётся величиной постоянной (что справедливо для области температур, которой отвечают невысокие значения давления пара), то интегрируя уравнение, получим:
(54).
где С — постоянная интегрирования.
Если же мы будем интегрировать уравнение в пределах от Т1 до Т2 и соответственно от Р1 до Р2, то получим уравнение вида:
или, перейдя к десятичному логарифму, получим:
. (56).
Это уравнение линейное и может быть использовано для определения давления пара данной жидкости при заданной температуре, если известны значение давления пара при другой температуре и мольная теплота испарения.
Из полученных уравнений видно, что с повышением температуры жидкости давление пара увеличивается. С увеличением мольной теплоты испарения давление пара уменьшается, т. к. уменьшается летучесть жидкости.
На практике очень часто приходится иметь дело с различными смесями горючих жидкостей. Различают следующие смеси двух и более жидкостей:
- 1. смеси жидкостей, хорошо растворимых друг в друге;
- 2. смеси жидкостей, частично растворимых друг в друге;
- 3. смеси жидкостей, не растворимых друг в друге.
Давление пара смесей нерастворимых друг в друге жидкостей определяется как сумма давлений компонентов смеси по формуле:
(57).
где — давление пара смеси не растворимых друг в друге жидкостей,.
Рi — давление пара i- компонента.
Расчёт давления пара смеси жидкостей, растворимых друг в друге, ведётся по формуле:
(58).
где — давление пара смеси жидкостей, растворимых друг в друге;
ri — мольная доля i компонента, причём .
Мольная доля каждого компонента может быть определена по формуле.
где g1, g2, g3 …gi — весовой процент каждого компонента в жидкой фазе;
M1, M2, M3 — молекулярные массы компонентов.
ПРИМЕР: Вычислить давление пара толуола при температуре 17С, если при температуре 30С давление насыщенных паров его равно 37,2 мм рт. ст. Мольная теплота испарения толуола 32 880 Дж/моль.
Решение:
Из уравнения (50) выразим lgP1.
.
Отсюда Р1 = 20,8 мм рт. ст.
Ответ: при температуре 17 С давление насыщенных паров толуола составит 20,8 мм рт. ст.
Давление насыщенного пара при заданной температуре можно определить по номограмме (рис. 3). В середине номограммы находится шкала давления пара, общая для всех веществ. Справа и слева от неё — шкалы температур. По обе стороны от шкалы давления расположены точки, каждая из которых соответствует определённому веществу. Например, № 19 -керосину и декану, № 32 — этиленгликолю и т. д. Нахождение давления пара жидкости сводится к тому, что через точку, отвечающую заданному веществу, и точку заданной температуры проводится прямая до пересечения её со шкалой давления пара. Точка пересечения этой прямой со шкалой давления и даст значение давления пара при заданной температуре. Для нахождения точных значений давления насыщенных паров или температурных пределов необходимо уметь находить цену деления в конкретных интервалах давлений насыщенных паров по формуле.
. (60).
ПРИМЕР: Определить давление пара воднобензольной эмульсии при температуре 20С.
Решение:
1. По номограмме № 1 (рис. 3) для определения давления насыщенного пара находим значения давления насыщенных паров бензола и воды при температуре 20 С.
Давление насыщенных паров бензола при температуре 20 С составило 9,31 кПа, давление насыщенных паров воды составило 2,39 кПа.
2. Поскольку вода и бензол при смешивании образуют эмульсию, т. е. взаимно нерастворимы, давление насыщенных паров рассчитывается по формуле (кПа).
Ответ: давление пара воднобензольной эмульсии при температуре 20 С составило 11,7 кПа.
ПРИМЕР: Определить давление насыщенных паров спиртовой смеси при температуре 10 С. Состав смеси в весовых процентах: этанола — 30%, метанола — 20%, пропанола — 50%.
Решение:
1. Определяем давление насыщенного пара каждого компонента смеси по номограмме:
Рн.п.(СН4О)=7,315 кПа; Рн.п.(С2Н6О)=1,995 кПа; Рн.п.(С3Н8О)=0,931 кПа.
2. Определяем молекулярные массы компонентов:
М(СН4О)=32 у.е.д.; М(С2Н6О)=46 у.е.д.; М(С3Н8О=60 у.е.д.
3. Определяем мольные доли компонентов:
;
;
.
4. Определяем давление паров смеси растворимых друг в друге жидкостей.
(кПа) Ответ: давление паров спиртовой смеси при 10С составило 3,14 кПа.
Номограмма № 1 для определения давления насыщенного пара жидкостей ПРИМЕР: определить, будет ли опасной концентрация паров этилового спирта в мернике при температуре 270 К и общем давлении 101,3 кПа.
Решение:
- 1. Определяем давление паров этилового спирта при температуре 270 К (по номограмме № 1 рис. 3) Р = 13,32 кПа.
- 2. Определяем фактическую концентрацию паров этилового спирта:
.
- 3. По справочным данным определяем область воспламенения этилового спирта: н = 3,28% в = 18,95%.
- 4. Сравниваем и н: = 1,31% < н = 3,28%, следовательно определяем ПДВК.
ПДВК? Кбез н = 0,5 3,28 = 1,64%.
Кбез = 0,5, т.к. мерник — аппарат без источников зажигания.
5. Сравниваем с ПДВК и делаем вывод: = 1,31 < ПДВК, следовательно концентрация безопасна.
Ответ: концентрация паров этилового спирта в мернике при температуре 270 К и давлении 101,3 кПа будет безопасной.
Для определения мест расположения устройств вытяжной вентиляции при работе с жидкостями необходимо знать плотность их паров по воздуху, т. е. вес их относительно воздуха.
Плотность пара по воздуху определяется по формуле.
(61).
где МГВ — молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.
Если Д >1, то пары тяжелее воздуха и будут скапливаться в нижней части помещения, вентиляционные устройства следует располагать внизу.
Если Д < 1, то пары легче воздуха и будут скапливаться в верхней части помещения, вентиляционные устройства следует располагать вверху.
ПРИМЕР: Определить место расположения устройств вытяжной вентиляции при работе с бензолом.
Решение:
- 1. Определяем молярную массу бензола: М(С6Н6) = 612 + 6 1 = 78 (кг/кмоль).
- 2. Определяем плотность пара по воздуху:
пары тяжелее воздуха и скапливаются в нижней части помещения.
Ответ: устройства вытяжной вентиляции при работе с бензолом должны быть расположены в нижней части помещения.