Магистерская диссертация

Исследование структуры диаграммы фазового равновесия системы бензол-перфторбензол-метилэтилкетон при изменении давления

Введение

На кафедре Химии и технологии основного органического синтеза МИТХТ им. М.В. Ломоносова в течение последнего десятилетия проводятся исследования, направленные на выявление трехкомпонентных систем с двумя тройными азеотропами. На сегодняшний момент найдены 6 таких систем, 5 из которых содержат биазеотропную составляющую бензол - перфторбензол и в качестве третьего компонента метилпропионат, третичный амиловый спирт, этанол, н-пропанол, изобутиловый спирт, а система диэтиламин - хлороформ - метанол включает моноазеотропные составляющие [1-8].

Л.А. Серафимовым и Т.В. Челюскиной создана классификация тройных биазеотропных систем, насчитывающая 74 типа диаграмм [8].

Биазеотропные системы могут быть обнаружены как натурным экспериментом, так и с помощью математического моделирования на основе уравнений локальных составов.

Одной из задач, связанных с биазеотропией, является воспроизведение различных типов диаграмм, содержащих биазеотропные составляющие, с помощью математического моделирования.

На данный момент актуально расширение множества биазеотропных смесей, содержащих реальные вещества. В связи с этим целью данной работы является исследование структуры диаграммы фазового равновесия системы бензол (Б) - перфторбензол (ПФБ) - метилэтилкетон (МЭК), образованной близкокипящими компонентами, при изменении давления. Для этого необходимо решить следующие задачи:

üвыбрать математическую модель, дающую адекватное описание экспериментальных данных по парожидкостному равновесию (ПЖР, и оценить надежность параметров выбранной модели;

üпровести математическое моделирование ПЖР и азеотропии в бинарных и тройной системах;

üопределить класс, тип и подтип структуры диаграммы фазового равновесия системы Б-ПФБ-МЭК при различных давлениях;

üисследовать эволюцию структуры диаграммы фазового равновесия системы Б-ПФБ-МЭК при варьировании давления.

Сложная топологическая структура бинарных биазеотропных систем требует новых подходов к исследованию и моделированию парожидкостного равновесия. Одна из проблем - это выбор адекватной математической модели для описания ПЖР в таких системах. Основные трудности при изучении фазового равновесия в биазеотропных системах связаны с малой разницей составов равновесных фаз, а также близостью температур кипения практически всех составов тройной смеси.

Моделирование парожидкостного равновесия осуществлялось с использованием уравнения Вильсона с допущением идеального поведения паровой фазы вдали от критических условий. При выборе математической модели руководствовались рекомендациями по применению тех или иных моделей для описания ПЖР систем различной природы [9]. По экспериментальным данным, приведенным в литературе, и псевдоэкспериментальным данным (UNIFAC) с включением точек азеотропов нами оценены малые параметры уравнения Вильсона для всех бинарных составляющих системы Б-ПФБ-МЭК. С использованием полученных параметров проведено математическое моделирование фазового равновесия жидкость-пар в бинарных составляющих тройной системы; определены характеристики бинарных азеотропов. В результате выбраны надежные параметры, с помощью которых смоделировано парожидкостное равновесие в системе Б-ПФБ-МЭК при различных давлениях.

Выбор исходных составов выполнялся по методу секущих и сечений. В данной работе было просчитано 500 точек составов жидкой фазы. Результаты математического моделирования ПЖР при атмосферном давлении и давлении 500 мм рт. ст. в системе бензол - перфторбензол - метилэтилкетон представлены ходом изо-линий (Т=const, Кi=const) в концентрационном треугольнике, что позволило выявить наличие тройных азеотропов в исследуемой системе, локализовать и определить их тип. На основании полученных результатов построены структуры диаграмм дистилляционных линий. Установлены классы, типы и подтипы структур диаграмм; исследована эволюция структуры диаграммы фазового равновесия системы Б-ПФБ-МЭК при варьировании давления.

Работа выполнена на кафедре Химии и технологии основного органического синтеза Московского государственного университета тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова.

1. Литературный обзор

.1 Современное состояние исследований в области азеотропии

Бинарные системы

По характеру отклонения от идеального поведения бинарные смеси подразделяются на системы с положительными, отрицательными и смешанными отклонениями [9-12].

Идеальные системы описываются законами Рауля и Дальтона:

, (1.1)

где xi - концентрация i-ого компонента в жидкой фазе, мол. д.; yi - концентрация i-ого компонента в паровой фазе, мол. д; Р - общее давление, мм рт. ст.; Рi0 - давление насыщенного пара над чистым компонентом, мм рт. ст.