Давление насыщенного пара над растворами неограниченно смешивающихся жидкостей. Ацетон: формула, особенности свойств, применение Давление насыщенного пара ацетона при температуре таблица

Давление насыщенного пара жидкости с повышением температуры увеличивается (рис. 8.2), и как только оно станет равным атмосферному, жидкость закипает. Из рис. 8.2 видно, что давление насыщенного пара закономерно повышается с увеличением температуры. При одинаковом внешнем давлении жидкости закипают при различной температуре, так как имеют неодинаковое давление насыщенного пара.

ацетон этанол вода

Температура, оС

Рис. 8.2 Зависимость давления насыщенного пара (Р×10-5 Па.) жидкости от температуры (ацетон, этиловый спирт, вода – соответственно).

Если изменить внешнее давление, то температура кипения жидкости будет изменяться. С повышением внешнего давления температура кипения увеличивается, а с понижением (вакуум) – уменьшается. При определенной величине внешнего давления жидкость может кипеть при комнатной температуре.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражается уравнением Клаузиуса – Клапейрона

, (8.1)

где - мольная энтальпия испарения, ; - мольное изменение объема в процессе испарения, равное .

При испарении жидкости резко изменяется объем паровой фазы по сравнению с жидкой. Так, при испарении 1 воды при 25 оС и давлении 760 мм рт. ст. образуется 1244 пара, т.е. объем увеличился в 1244 раза. Поэтому в уравнении объемом жидкости можно пренебречь: , .

. (8.2)

С учетом уравнения Менделеева–Клапейрона и тогда

. (8.3)

Интегрирование уравнения (8.3) приводит к формуле

. (8.4)

Эта формула носит имя двух ученых – Клаузиуса и Клапейрона, которые вывели ее из различных исходных положений.

Формула Клаузиуса–Клапейрона применима ко всем фазовым переходам, включая плавление, испарение и растворение вещества.

Теплота испарения жидкости - это количество теплоты, поглощаемое жидкостью при изотермическом испарении. Различают мольную теплоту испарения и удельную теплоту испарения (относящуюся к 1 г жидкости). Чем выше теплота испарения, тем жидкость при прочих равных условиях испаряется медленнее, так как молекулам приходится преодолевать большие силы межмолекулярного взаимодействия.

Сопоставление теплот испарения может быть более простым, если их рассматривать при постоянной температуре.

Для определения широко используется правило Трутона: мольная теплота испарения при атмосферном давлении (Р = const) различных жидкостей прямо пропорциональна их температуре кипения Ткип

или

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом Трутона и для большинства нормальных (неассоциированных) жидкостей равен 88,2 - 92,4 .

Теплота испарения данной жидкости зависит от температуры. С повышением температуры она понижается и при критической температуре становится равной нулю.

В инженерных расчетах используется эмпирическое уравнение Антуана

, (8.5)

где А, В, - константы, характеризующие вещество.

Найденные зависимости давления насыщенного пара от температуры используются в пожарно–технических расчетах для вычисления концентра- ции пара (; %), температурных пределов распространения пламени

.

В условиях пожара жидкости испаряются в окружающее пространство. Скорость испарения жидкости при этом определяет скорость ее выгорания. В этом случае на скорость испарения решающее влияние оказывает количество тепла, поступающее из зоны горения.

Скорость выгорания жидкостей непостоянна. Она зависит от начальной температуры жидкости, диаметра резервуара, уровня жидкости в нем, скорости ветра и т.д.

Давление насыщенного пара над растворами неограниченно смешивающихся жидкостей

В практике широко используются многочисленные растворы, состоящие из двух и более хорошо растворимых друг в друге жидкостей. Наиболее простыми являются смеси (растворы), состоящие из двух жидкостей – бинарные смеси. Закономерности, найденные для таких смесей, можно использовать и для более сложных. К таким бинарным смесям можно отнести: бензол-толуол, спирт-эфир, ацетон-вода, спирт-вода и т.д. В этом случае в паровой фазе содержатся оба компонента. Давление насыщенного пара смеси будет слагаться из парциальных давлений компонентов. Так как переход растворителя из смеси в парообразное состояние, выражаемое его парциальным давлением, тем значительнее, чем больше содержание его молекул в растворе, Рауль нашел, что «парциальное давление насыщенного пара растворителя над раствором равно произведению давления насыщенного пара над чистым растворителем при той же температуре на его мольную долю в растворе»:

, (8.6)

где - давление насыщенного пара растворителя над смесью; - давление насыщенного пара над чистым растворителем; N – мольная доля растворителя в смеси.

Уравнение (8.6) является математическим выражением закона Рауля. Для описания поведения летучего растворенного вещества (второго компонента бинарной системы) применяется это же выражение.

В таблице представлены теплофизические свойства пара бензола C 6 H 6 при атмосферном давлении.

Даны значения следующих свойств: плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности, динамическая и кинематическая вязкость, температуропроводность, число Прандтля в зависимости от температуры. Свойства даны в диапазоне температуры от .

По данным таблицы видно, что значения плотности и числа Прандтля при повышении температуры газообразного бензола уменьшаются. Удельная теплоемкость, теплопроводность, вязкость и температуропроводность при нагревании пара бензола увеличивают свои значения.

Следует отметить, что плотность пара бензола при температуре 300 К (27°С) составляет 3,04 кг/м 3 , что намного ниже этого показателя у жидкого бензола (см. ).

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 Не забудьте разделить на 1000.

Теплопроводность пара бензола

В таблице даны значения теплопроводности пара бензола при атмосферном давлении в зависимости от температуры в интервале от 325 до 450 К.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 4 . Не забудьте разделить на 10000.

В таблице приведены значения давления насыщенного пара бензола в диапазоне температуры от 280 до 560 К. Очевидно, что при нагревании бензола давление его насыщенных паров увеличивается.

Источники:
1.
2.
3. Волков А. И., Жарский И. М. Большой химический справочник. — М: Советская школа, 2005. — 608 с.

В практике широко используются многочисленные растворы, состоящие из двух и более хорошо растворимых друг в друге жидкостей. Наиболее простыми являются смеси (растворы), состоящие из двух жидкостей – бинарные смеси. Закономерности, найденные для таких смесей, можно использовать и для более сложных. К таким бинарным смесям можно отнести: бензол-толуол, спирт-эфир, ацетон-вода, спирт-вода и т.д. В этом случае в паровой фазе содержатся оба компонента. Давление насыщенного пара смеси будет слагаться из парциальных давлений компонентов. Так как переход растворителя из смеси в парообразное состояние, выражаемое его парциальным давлением, тем значительнее, чем больше содержание его молекул в растворе, Рауль нашел, что «парциальное давление насыщенного пара растворителя над раствором равно произведению давления насыщенного пара над чистым растворителем при той же температуре на его мольную долю в растворе»:

где - давление насыщенного пара растворителя над смесью;- давление насыщенного пара над чистым растворителем;N – мольная доля растворителя в смеси.

Уравнение (8.6) является математическим выражением закона Рауля. Для описания поведения летучего растворенного вещества (второго компонента бинарной системы) применяется это же выражение:

. (8.7)

Общее давление насыщенного пара над раствором будет равно (закон Дальтона):

Зависимость парциального и общего давления паров смеси от ее состава показана на рис. 8.3, где на оси ординат отложено давление насыщенных паров, а на оси абсцисс – состав раствора в мольных долях. При этом по оси абсцисс содержание одного вещества (А) убывает слева направо от 1,0 до 0 мольных долей, а содержание второго компонента (В) одновременно в том же направлении увеличивается от 0 до 1,0. При каждом определенном составе общее давление насыщенного пара равняется сумме парциальных давлений. Общее давление смеси изменяется от давления насыщенного пара одной индивидуальной жидкости до давления насыщенного пара второй чистой жидкости.

Законы Рауля и Дальтона часто используются для оценки пожарной опасности смесей жидкостей.

Состав смеси, мольные доли

Рис. 8.3 Диаграмма состав раствора – давление насыщенного пара

Обычно состав паровой фазы не совпадает с составом жидкой фазы и паровая фаза обогащена более летучим компонентом. Это различие можно изобразить и графически (график имеет вид аналогичный графику на рис. 8.4, только на оси ординат взята не температура а давление).

В диаграммах, представляющих зависимость температур кипения от состава (диаграмма состав-температура кипения рис. 8.4), обычно принято строить две кривые, одна из которых связывает эти температуры с составом жидкой фазы, а другая с составом пара. Нижняя кривая относится к составам жидкости (кривая жидкости), а верхняя – к составам пара (кривая пара).

Поле, заключенное между двумя кривыми, соответствует двухфазной системе. Любая точка, находящаяся в этом поле, отвечает равновесию двух фаз – раствора и насыщенного пара. Состав равновесных фаз определяется координатами точек, лежащих на пересечении изотермы, проходящей через кривые, и данную точку.

При температуре t 1 (при данном давлении) будет кипеть жидкий раствор состава х 1 (точка а 1 на кривой жидкости), пар, равновесный с этим раствором, обладает составом х 2 (точка b 1 на кривой пара).

Т.е. жидкости состава x 1 будет соответствовать пар состава х 2 .

Исходя из выражений:
,
,
,
,

взаимосвязь между составом жидкой и паровой фаз может быть выражена соотношением:

. (8.9)

Рис. 8.4. Диаграмма состав-температура кипения двойных смесей.

Реальное давление насыщенного пара индивидуальной жидкости при данной температуре есть характерная величина. Практически нет жидкостей, которые бы обладали одинаковыми значениями давления насыщенного пара при одной и той же температуре. Поэтому всегда больше или меньше. Если>, то>, т.е. состав паровой фазы обогащен компонентом А. Изучая растворы, Д.П. Коновалов (1881г.) сделал обобщение, получившее название первого закона Коновалова.

В двойной системе пар, по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, относительно богаче тем из компонентов, прибавление которого к системе повышает общее давление пара, т.е. понижает температуру кипения смеси при данном давлении.

Первый закон Коновалова является теоретической основой для разделения жидких растворов на исходные компоненты путем фракционной перегонки. Например, система, характеризуемая точкой К, состоит из двух равновесных фаз, состав которых определяется точками a и b: точка а характеризует состав насыщенного пара, точка b - состав раствора.

По графику можно провести сопоставления составов паровых и жидких фаз для любой точки, заключенной в плоскости между кривыми.

Реальные растворы . Закон Рауля не выполняется для реальных растворов. Отклонение от закона Рауля существует двух типов:

парциальное давление растворов больше давлений или летучести паров идеальных растворов. Общее давление пара больше аддитивной величины. Такие отклонения называются положительными, например, для смесей (рис. 8.5 а, б) CH 3 COCH 3 -C 2 H 5 OH, CH 3 COCH 3 -CS 2 , C 6 H 6 - CH 3 COCH 3 , H 2 O-CH 3 OH, C 2 H 5 OH-CH 3 OCH 3 , CCl 4 -C 6 H 6 и др.;

б

Рис. 8.5. Зависимость общего и парциальных давлений пара от состава:

а – для смесей с положительным отклонением от закона Рауля;

б – для смесей с отрицательным отклонением от закона Рауля.

парциальное давление растворов меньше давлений паров идеальных растворов. Общее давление пара меньше аддитивной величины. Такие отклонения называются отрицательными. Например, для смеси: H 2 O-HNO 3 ; H 2 O-HCl; CHCl 3 -(CH 3) 2 CO; CHCl 3 -C 6 H 6 и т.д.

Положительные отклонения наблюдаются в растворах, у которых разнородные молекулы взаимодействуют с меньшей силой, чем однородные.

Это облегчает переход молекул из раствора в паровую фазу. Растворы с положительным отклонением образуются с поглощением теплоты, т.е. теплота смешения чистых компонентов будет положительной, происходит увеличение объема, уменьшение ассоциации.

Отрицательные отклонения от закона Рауля возникают в растворах, у которых происходит усиление взаимодействия разнородных молекул, сольватация, образование водородных связей, образование химических соединений. Это затрудняет переход молекул из раствора в газовую фазу.

Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температурах ниже точки кипения жидкости. Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения молекул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаимодействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар.

Испарение является эндотермическим процессом. Если к жидкости не подводится извне тепло, то в результате испарения она охлаждается. Скорость испарения определяется количеством пара, образующегося за единицу времени на единице поверхности жидкости. Это необходимо учитывать в производствах, связанных с применением, получением или переработкой легковоспламеняющихся жидкостей. Увеличение скорости испарения при повышении температуры приводит к более быстрому образованию взрывоопасных концентраций паров. Максимальная скорость испарения наблюдается при испарении в вакуум и в неограниченный объем. Это можно объяснить следующим образом. Наблюдаемая скорость процесса испарения является суммарной скоростью процесса перехода молекул из жидкой фазы V 1 и скоростью конденсации V 2 . Суммарный процесс равен разности этих двух скоростей: . При постоянной температуре V 1 не изменяется, а V 2 пропорциональна концентрации пара. При испарении в вакуум в пределе V 2 = 0 , т.е. суммарная скорость процесса максимальная.

Чем больше концентрация пара, тем выше скорость конденсации, следовательно, ниже суммарная скорость испарения. На поверхности раздела между жидкостью и ее насыщенным паром скорость испарения (суммарная) близка к нулю. Жидкость, находящаяся в закрытом сосуде, испаряясь, образует насыщенный пар. Насыщенным называется пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Динамическое равновесие при данной температуре наступает тогда, когда число испаряющихся молекул жидкости равно числу конденсирующихся молекул. Насыщенный пар, выходя из открытого сосуда в воздух, разбавляется им и становится ненасыщенным. Следовательно, в возду

хе помещений, где находятся емкости с горячими жидкостями, имеется ненасыщенный пар этих жидкостей.

Насыщенные и ненасыщенные пары оказывают давление на стенки сосудов. Давлением насыщенного пара называют давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Давление насыщенного пара всегда выше, чем ненасыщенного. Оно не зависит от количества жидкости, величины ее поверхности, формы сосуда, а зависит только от температуры и природы жидкости. С повышением температуры давление насыщенного пара жидкости увеличивается; при температуре кипения давление пара равно атмосферному. Для каждого значения температуры давление насыщенного пара индивидуальной (чистой) жидкости постоянно. Давление насыщенного пара смесей жидкостей (нефти, бензина, керосина и др.) при одной и той же температуре зависит от состава смеси. Оно увеличивается с увеличением содержания в жидкости низкокипящих продуктов.

Для большинства жидкостей давление насыщенного пара при различной температуре известно. Значения давления насыщенных паров некоторых жидкостей при различных температурах приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Давление насыщенных паров веществ при различных температурах

Найденное по табл.

Допустим, что смесь паров с воздухом, образуемая над поверхностью сероуглерода в сосуде при 263 К, имеет давление 101080 Па. Тогда давление насыщенного пара сероуглерода при этой температуре равно 10773 Па. Следовательно, воздух в этой смеси имеет давление 101080 – 10773 = 90307 Па. С повышением температуры сероуглерода

давление насыщенных паров его увеличивается, давление воздуха уменьшается. Общее давление остается постоянным.

Часть общего давления, приходящаяся на долю данного газа или пара, называется парциальным. В данном случае давление паров сероуглерода (10773 Па) можно назвать парциальным давлением. Таким образом, общее давление паровоздушной смеси складывается из суммы парциальных давлений паров сероуглерода, кислорода и азота: Р пар + + = Р общ. Поскольку давление насыщенных паров составляет часть общего давления смеси их с воздухом, появляется возможность по известному общему давлению смеси и давлению паров определять концентрации паров жидкостей в воздухе.

Давление насыщенного пара жидкостей обусловлено числом молекул, ударяющихся о стенки сосуда, или концентрацией паров над поверхностью жидкости. Чем выше концентрация насыщенного пара, тем больше будет его давление. Связь между концентрацией насыщенного пара и его парциальным давлением можно найти следующим образом.

Допустим, что удалось бы отделить пар от воздуха, причем давление в той и другой частях осталось бы равным общему давлению Р общ. Тогда объемы, занимаемые паром и воздухом, соответственно уменьшились бы. Согласно закону Бойля – Мариотта, произведение давления газа на его объем при постоянной температуре есть величина постоянная, т.е. для нашего гипотетического случая получим:

.

МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ИСПАРЕНИЯ ГОРЮЧИХ НЕНАГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ И СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

И. 1 Интенсивность испарения W, кг/(с· м 2), определяют по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых выше температуры окружающей среды ЛВЖ, при отсутствии данных допускается рассчитывать W по формуле 1)

W = 10 -6 h p н, (И.1)

где h - коэффициент, принимаемый по таблице И.1 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;

М - молярная масса, г/моль;

p н - давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости t р, определяемое по справочным данным, кПа.

Таблица И.1

И.2 Для сжиженных углеводородных газов (СУГ) при отсутствии данных допускается рассчитывать удельную массу паров испарившегося СУГ m СУГ, кг/м 2 , по формуле 1)

, (И.2)

1) Формула применима при температуре подстилающей поверхности от минус 50 до плюс 40 °С.

где М - молярная масса СУГ, кг/моль;

L исп - мольная теплота испарения СУГ при начальной температуре СУГ Т ж, Дж/моль;

Т 0 - начальная температура материала, на поверхность которого разливается СУГ, соответствующая расчетной температуре t p , К;

Т ж - начальная температура СУГ, К;

l тв - коэффициент теплопроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, Вт/(м · К);

а - эффективный коэффициент температуропроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, равный 8,4· 10 -8 м 2 /с;

t - текущее время, с, принимаемое равным времени полного испарения СУГ, но не более 3600 с;

Число Рейнольдса (n - скорость воздушного потока, м/с; d - характерный размер пролива СУГ, м;

u в - кинематическая вязкость воздуха при расчетной температуре t р, м 2 /с);

l в - коэффициент теплопроводности воздуха при расчетной температуре t р, Вт/(м · К).

Примеры - Расчет параметров испарения горючих ненагретых жидкостей и сжиженных углеводородных газов

1 Определить массу паров ацетона, поступающих в объем помещения в результате аварийной разгерметизации аппарата.

Данные для расчета

В помещении с площадью пола 50 м 2 установлен аппарат с ацетоном максимальным объемом V aп = 3 м 3 . Ацетон поступает в аппарат самотеком по трубопроводу диаметром d = 0,05 м с расходом q, равным 2 · 10 -3 м 3 /с. Длина участка напорного трубопровода от емкости до ручной задвижки l 1 = 2 м. Длина участка отводящего трубопровода диаметром d = 0,05 м от емкости до ручной задвижки L 2 равна 1 м. Скорость воздушного потока и в помещении при работающей общеобменной вентиляции равна 0,2 м/с. Температура воздуха в помещении t р =20 ° С. Плотность r ацетона при данной температуре равна 792 кг/м 3 . Давление насыщенных паров ацетона р a при t р равно 24,54 кПа.

Объем ацетона, вышедшего из напорного трубопровода, V н.т составляет

где t - расчетное время отключения трубопровода, равное 300 с (при ручном отключении).

Объем ацетона, вышедшего из отводящего трубопровода V от составляет

Объем ацетона, поступившего в помещение

V a = V ап + V н.т + V от = 3 + 6,04 · 10 -1 + 1,96 · 10 -3 = 6,600 м 3 .

Исходя из того, что 1 л ацетона разливается на 1 м 2 площади пола, расчетная площадь испарения S р = 3600 м 2 ацетона превысит площадь пола помещения. Следовательно, за площадь испарения ацетона принимается площадь пола помещения, равная 50 м 2 .

Интенсивность испарения равна:

W исп = 10 -6 · 3,5 · 24,54 = 0,655 · 10 -3 кг/(с · м 2).

Масса паров ацетона, образующихся при аварийной разгерметизации аппарата т, кг, будет равна

т = 0,655 · 10 -3 · 50 · 3600 = 117,9 кг.

2 Определить массу газообразного этилена, образующегося при испарении пролива сжиженного этилена в условиях аварийной разгерметизации резервуара.

Данные для расчета

Изотермический резервуар сжиженного этилена объемом V и.р.э = 10000 м 3 установлен в бетонном обваловании свободной площадью S об = 5184 м 2 и высотой отбортовки Н об = 2,2 м. Степень заполнения резервуара a = 0,95.

Ввод трубопровода подачи сжиженного этилена в резервуар выполнен сверху, а вывод отводящего трубопровода снизу.

Диаметр отводящего трубопровода d тp = 0,25 м. Длина участка трубопровода от резервуара до автоматической задвижки, вероятность отказа которой превышает 10 -6 в год и не обеспечено резервирование ее элементов, L= 1 м. Максимальный расход сжиженного этилена в режиме выдачи G ж.э = 3,1944 кг/с. Плотность сжиженного этилена r ж.э при температуре эксплуатации Т эк = 169,5 К равна 568 кг/м 3 . Плотность газообразного этилена r г.э при Т эк равна 2,0204 кг/м 3 . Молярная масса сжиженного этилена М ж.э = 28 · 10 -3 кг/моль. Мольная теплота испарения сжиженного этилена L иcn при Т эк равна 1,344 · 10 4 Дж/моль. Температура бетона равна максимально возможной температуре воздуха в соответствующей климатической зоне T б = 309 К. Коэффициент теплопроводности бетона l б =1,5Вт/(м· К). Коэффициент температуропроводности бетона а = 8,4 · 10 -8 м 2 /с. Минимальная скорость воздушного потока u min = 0 м/с, а максимальная для данной климатической зоны u max = 5 м/с. Кинематическая вязкость воздуха n в при расчетной температуре воздуха для данной климатической зоны t р = 36 ° С равна 1,64 · 10 -5 м 2 /с. Коэффициент теплопроводности воздуха l в при t р равен 2,74 · 10 -2 Вт/(м · К).

При разрушении изотермического резервуара объем сжиженного этилена составит

Свободный объем обвалования V об = 5184 · 2,2 = 11404,8 м 3 .

Ввиду того, что V ж.э < V об примем за площадь испарения S исп свободную площадь обвалования S об, равную 5184 м 2 .

Тогда массу испарившегося этилена m и.э с площади пролива при скорости воздушного потока u = 5 м/с рассчитывают по формуле (И.2)

Масса m и.э при u = 0 м/с составит 528039 кг.