Основы теории. Процессы парообразования и конденсации широко распространены в химической технологии

Процессы парообразования и конденсации широко распространены в химической технологии. Важной теплофизической характеристикой при расчете процессов перегонки, выпарки, ректификации, кипения и сушки является теплота парообразования r.

Для исследования термодинамических процессов, происходящих с реальными газами, большое значение имеют pv - и Ts -диаграммы (рис. 1 и 2).

Кривые a₁b₁c₁d₁, a₂b₂c₂d₂ … на pv -диаграмме соответствуют процессу расширения вещества при t = const, а кривые ab₁c₁f₁, ab₂c₂d₂ … на Ts -диаграмме – процессу нагревания вещества при p = const.

r= Tн(s”- s’)

a

s’ s” s

v’ vx=vкр v”

		f2
		Рис.1. pv – диаграмма водяного Рис.2. Ts – диаграмма пара. водяного пара.

На обеих диаграммах точки b₁, b₂,… соответствуют началу процесса парообразования и образуют нижнюю пограничную кривую – кривую кипящей жидкости (х = 0). На этих же диаграммах в точках с₁, c₂,… процесс парообразования завершается и данные точки образуют верхнюю пограничную кривую, соответствующую сухому насыщенному пару (х = 1). Точки d₁, d₂,… (рис. 1) и f₁, f₂,… (рис. 2) соответствуют состоянию перегретого пара, а точка а – жидкости. Степень сухости:

х = ,

где - масса сухого насыщенного пара;

- масса влажного насыщенного пара;

- масса кипящей жидкости.

Ψ1=pн(v”- v’)

На участках b₁c₁, b₂c₂,…, где происходит переход жидкости в пар, в равновесии находятся системы, состоящие из двух фаз (двух агрегатных состояний) – жидкой и парообразной, причем температура и давление этих фаз одинаковы. Участки b₁c₁, b₂c₂,… на обеих диаграммах являются одновременно изобарой и изотермой, т.е. переход жидкости в пар совершается при р_н = const, t_н = const.

Таким образом, на обеих диаграммах можно выделить три характерные области состояний:

· область жидкого состояния – расположена левее кривой кипящей жидкости х = 0, t < t_н;

· область влажного насыщенного пара – двухфазное состояние, где пар и жидкость находятся в равновесии и имеют одинаковые р_н и t_н. Эта область расположена между пограничными кривыми х = 0 и х = 1, т.е. в этой области 0 < x < 1;

· область перегретого пара – расположена правее кривой сухого насыщенного пара, х = 1, t>t_н при данном давлении.

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. Вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях, имеют различные физические свойства. Это различие объясняется характером межмолекулярного взаимодействия.

Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг жидкости для перехода её в пар в изобарно-изотермическом (р_н и t_н = const) процессе называется теплотой парообразования r, кДж/кг. Она расходуется на работу расширения и на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия :

, (1)

где - внешняя составляющая теплоты парообразования, она рассчитывается как

, (2)

где и - удельные объемы кипящей жидкости и сухого насыщенного пара соответственно;

- внутренняя составляющая теплоты парообразования.

На pv- диаграмме (рис. 1), как следует из уравнения (2), величина показана заштрихованной площадкой. На Ts -диаграмме (рис.2) заштрихованной площадкой показана величина теплоты парообразования, которая может быть рассчитана как:

, (3)

где и - энтропия кипящей жидкости и сухого насыщенного пара соответственно, ;

Т_н - температура насыщения, К.

Из pv- и Тs -диаграмм видно, что с увеличением давления р точки b₁, b₂,… на нижней пограничной кривой сближаются с точками с₁, с₂, …на верхней пограничной кривой и в критической точке они сходятся. Так, для воды критические параметры в точке К имеют следующие значения: р_кр. = 22,13 МПа, t_кр. = 374,2 °С, v_кр. = 0,00326 м³/кг.

Выше критической точки К при p > p_{кр .} и Т > Т_{кр .} двухфазного состояния не наблюдается. Жидкая фаза находится под весьма большим внутренним давлением. Фактором, определяющим интенсивность межмолекулярных взаимодействий, является не давление, а температура. С ростом температуры и давления теплота парообразования r уменьшается, а в критической точке r = 0, и , т.к. в этом состоянии исчезает различие между жидкостью и ее паром и процесс парообразования отсутствует.

Δp

Опытным путем было установлено, что каждому давлению р соответствует определенная температура насыщения t_{нас .} (кипения) данной жидкости, являющаяся одновременно температурой насыщения пара, с которым жидкость находится в равновесии. Кривая зависимости называется кривой насыщения, рис. 3.

q

Δt

t*н tн Рис.3. Кривая насыщения

Связь между температурой и давлением насыщения выражается уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

, (4)

где , - удельные объемы соответственно жидкости и сухого насыщенного пара на линии насыщения при Т_нас. и р_{нас .}, м³/кг.

Поскольку > , из уравнения (4) следует, что при фазовом переходе «жидкость-пар» производная всегда больше нуля, т.е. с ростом давления температура насыщения увеличивается.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса (4) имеет важные достоинства. Во-первых, оно устанавливает связь между калорическими и термодинамическими (р, v, Т) параметрами. Во-вторых, дает связь между параметрами жидкого (, ) и парообразного (, ) состояний.

Первое из этих достоинств уравнения (4) в данной работе используется для определения теплоты парообразования r по кривой насыщения, полученной по результатам измерения термодинамических параметров р_н и t_н.