double arrow

ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА


 

Жидкость, налитая в открытый сосуд, испаряется из него. При этом молекулы, оторвавшиеся от поверхности жидкости за счѐт конвективных потоков и броуновского движения, уходят в окружающее пространство, а на их место из жидкости вылетают всѐ 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 объѐма 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 сосвоей жидкостью, называется насыщенным.

 

Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и еѐ абсолютной температуры. Зависимость давления пара от температуры можно выразить формулой, вытекающей из уравнения Клаузиса-Клайперона.

d ln P Hисп dT . (53)  
   
  R T 2    

Если принять в первом приближении, что теплота испарения с изменением температуры остаѐтся величиной постоянной (что справедливо для области температур, которой отвечают невысокие значения давления пара), то интегрируя уравнение, получим:

ln P Hисп C , (54)  
R T  
       

 

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:

ln P2   H исп     (55)  
P   R T T  
       
         

или, перейдя к десятичному логарифму, получим:

lg P2   H исп     . (56)  
P   2,3 R T T  
         
           

 

 


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:

 

    н/р Pi , (57)  
    Рсм  
      i    
где Р н/р - давление пара смеси не растворимых друг в друге жидкостей,  
  см        
  Рiдавление пара i- компонента.    
Расчѐт давления пара смеси жидкостей, растворимых друг в друге,  
ведѐтся по формуле:      
    р Pi ri , (58)  
    Рсм  

i

 

где Рсм р - давление пара смеси жидкостей, растворимых друг в друге; ri –мольная доляiкомпонента,причѐм ri 1.

Мольная доля каждого компонента может быть определена по формуле

ri g1 / M i , (59)  
gi / M i  
       

где g1, g2, g3 …gi – весовой процент каждого компонента в жидкой фазе; M1, M2, M3–молекулярные массы компонентов.

 

ПРИМЕР: Вычислить давление пара толуола при температуре17С,если притемпературе 30 С давление насыщенных паров его равно 37,2 мм рт. ст. Мольная теплота испарения толуола 32880 Дж/моль.

 

Решение:

Из уравнения (50) выразим lgP1

 

lg Р1 lg P2 H исп     lg 37,2     1,3181.  
2,3 R T1 T2 2,3 8,3144 273 17 273 30  
         

Отсюда Р1 = 20,8 мм рт. ст.

Ответ: при температуре17 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 неѐ – шкалы температур. По обе стороны от шкалы давления расположены точки, каждая из которых соответствует определѐнному 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 еѐ 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

Цена деления Рmax Pmin . (60)  
кол во делений  
       

 

ПРИМЕР: Определить давление пара воднобензольной эмульсии при температуре 20 С.

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 Рсм Р1 Р2 9,31 2,39 11,7 (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.2Н6О)=1,995 кПа; Рн.п.3Н8О)=0,931 кПа.

2. Определяем молекулярные массы компонентов:

М(СН4О)=32 у. ед.; М2Н6О)=46 у. ед.; М3Н8О=60 у. ед.

3. Определяем мольные доли компонентов:    
rCH 4O     20 / 32   0,294 ;  
         
20 / 32 30 / 46 50 / 60  
         
rC2H6O     30 / 46     0,314 ;  
         
20 / 32 30 / 46 50 / 60  
       
           


rC3H8O 50 / 60   0,392 .  
     
20 / 32 30 / 46 50 / 60  

4. Определяем давление паров смеси растворимых друг в друге жидкостей.

Рсмр Р1 r1 P2 r2 P3 r3 7,315 0,294 1,995 0,314 0,931 0,392 3,14 (кПа).

Ответ: давление паров спиртовой смеси при 10 С составило 3,14 кПа.

 

 

Рис. 3. 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:

Рнп 100 13,32100 1,31 % .

Робщ 101,3

 

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 температуре270 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 воздухуопределяется по формуле

Д М ГВ   М ГВ , (61)  
М возд  
       

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: М6Н6) = 6 12 + 6 1 = 78 (кг/кмоль).

2. Определяем плотность пара по воздуху:

Д М ГВ   2,7 1 пары тяжелее воздуха и скапливаются в нижней части  
 
     

помещения.

 

Ответ: устройства вытяжной вентиляции при работе с бензолом должны бытьрасположены в нижней части помещения.

 



Сейчас читают про: