Двухкомпонентные системы

Рассмотрим диаграмму р — V для бинарной смеси углеводородов с заданным составом (рис. 30). Характерным отличием диаграммы р — V бинарной системы является рост давления при переходе системы от точки росы к точке насыщения (испарения) (кривая ВС }. Это объясняется тем, что с переходом системы через двухфазную область составы жидкости и пара непрерывно изменяются: по мере увеличения степени конденсации паров состав жидкости все более обогащается летучим компонентом (с соответствующим повышением давления насыщенных паров). В точке насыщения состав жидкости соответствует составу всей системы в целом.

Диаграмма р — V для системы н-пентан — н-гептан приведена на рис. 31.

Диаграмма р — Т

Если на диаграмме р — V для различных изотерм построить кривые давления точек насыщения и точек росы как функции температуры, получим диаграмму давление — температура р — Т, аналогичную приведенной на рис. 32. Кривые точек кипения АС и точек росы ВС сходятся в критической точке С. Критические давление и температура обозначены соответственно р_с и Т_с. Точки внутри петли АСВ соответствуют двухфазному состоянию системы; точки, расположенные ниже и правее кривой точек росы, — паровой фазе; точки, лежащие выше кривой точек кипения, — жидкому состоянию системы.

Диаграмма р — Т показывает изменения фаз, происходящие в системе с изменением давления и температуры. Так, если система, находящаяся в точке U, была подвергнута изотермическому сжатию при температуре ниже Т_с в направлении UM, то произойдут следующие изменения фаз. Система находилась первоначально в состоянии пара. В точке росы J появилась жидкость, количество которой возрастет при увеличении давления от J до L. В точке кипения L система практически полностью перешла в жидкое состояние. Дальнейшее повышение давления — точка М - не приводит к фазовым переходам.

На диаграмме р - Т можно нанести кривые постоянного соотношения фаз в двухфазной области. Каждая такая кривая показывает известный процент жидкости по объему. Так, пунктирные кривые ХС, YC, ZC соответствуют 25-, 50- и 75%-ному содержанию жидкости по объему.

На диаграмме (рис. 32) жидкость отмечена при температуре выше критической. Максимальная температура, при которой существует жидкость, называется крикондентермой. Аналогично в бинарной или многокомпонентной системе пар отмечен при давлении выше критического. Максимальное давление, при котором существует пар, называется криконденбарой.

Для бинарных и многокомпонентных систем характерным является то, что критическое давление смеси всегда превышает критическое давление любого из компонентов, входящих в систему.

Диаграмма р—С

Фазовое состояние бинарных систем описывается диаграммой р — С (давление — состав) при фиксированных температурах. Такая диаграмма строится нанесением кривых точек росы АСВ и точек кипения ADB (рис. 34) на график в координатах давление — состав (состав выражен в единицах массового процента менее летучего компонента). Здесь точки А и В соответствуют давлению насыщенных паров, давлению точки росы, давлению точки кипения для более летучего и менее летучего индивидуального компонента. Точки С и D характеризуют соответственно давление точки росы и давление точки кипения для смеси, состоящей из 25% по массе менее летучего и 75% по массе более летучего компонентов. Площадь ниже кривой точек росы соответствует пару, площадь выше кривой точек кипения — жидкости, а площадь, заключенная между этими кривыми, — двухфазной области, где находятся в равновесии жидкость и пар.

Состав системы может быть выражен в массовых процентах (рис. 34), или в молярных долях (или процентах) (рис. 35).

Для лучшего понимания сущности диаграммы р — С рассмотрим состояние системы, которая первоначально находилась в паровой фазе, а затем подверглась изотермическому сжатию при прохождении через двухфазную область. Если в системе, соответствующей точке А (рис. 35) повысить давление, состав фазы не изменится, пока не достигнет точки росы В. В точке росы образуется бесконечно малое количество жидкости, состав которой обозначен Х₁. Состав пара в этой точке практически равен первоначальному составу Z.

С повышением давления жидкость конденсируется. Для определения состава сосуществующих жидкости и пара следует полученные точки спроектировать на ось абсцисс конечных точек горизонтальной прямой, проведенной через двухфазную область. Например, при давлении, соответствующем точке D, существуют обе фазы (жидкость и пар), а составы их будут соответственно Х₂ и У₂. При давлении, соответствующей точке С, достигается полное насыщение. Состав жидкости при этом равен практически первоначальному составу Z. Бесконечно малое количество пара, еще присутствующего в точке насыщения, имеет состав, определяемый точкой Y₃.