Понятие о равновесии между фазами

Правило фаз. В процессах массообмена контактирующие фазы обмениваются веществом и энергией. При этом обе фазы стремятся достичь состояния равновесия, при котором скорости перехода вещества из одной фазы в другую становятся одинаковыми.

Массообменные процессы обратимы, т.е. направление переноса компонентов смеси может изменяться в зависимости от рабочих условий (давления, температуры) и свойств разделяемой смеси. Перенос вещества прекращается при достижении состояния равновесия между фазами. Если на протяжении какого-то времени не изменять условия хранения нестабильного газового конденсата в двухфазном сепараторе (const P, const T), то установится равновесие между жидкой и паровой фазами. При этом установится чёткое разделение границы раздела и будет сохраняться сколь угодно долго. Масса жидкой и газообразной фаз не будет меняться то тех пор, пока не будут изменены условия хранения. Это подтверждает тот факт, что в данный момент перенос фазы не осуществляется. Если подвести какое-либо количество тепла в среду, то будет наблюдаться рост давления в сепараторе, что говорит о том, что некие компоненты жидкой фазы газового конденсата начали переходить в паровое состояние. Следовательно, масса паровой фазы будет стремиться к увеличению, а жидкой фазы к уменьшению. Обратная картина будет наблюдаться при условии подведения холода в среду. При этом общая суммарная масса жидкой и паровой фаз не изменится.

Система может быть гомогенной (однородной), если свойства всех ее частей одинаковы или изменяются непрерывно от точки к точке. Система называется гетерогенной, если две или более гомогенных систем разделены поверхностями раздела. Другими словами гомогенная система – система, состоящая из одной фазы, а гетерогенная система – система, состоящая из двух и большего числа фаз.

Ф аза — однородная часть системы, отделенная поверхностью раздела от других ее частей. Фаза может быть твердая, жидкая и газообразная (парообразная). Поскольку газы (пары) смешиваются в любых соотношениях, газовая (паровая) фаза может быть только одна. Твердых и жидких фаз в системе может быть несколько. Кроме того, каждая фаза системы состоит из компонентов — химических веществ, наличие которых необходимо и до­статочно для характеристики составов и свойств каждой фазы. Так, при разделении нефти перегонкой или ректификацией система состоит из двух фаз — паровой и жидкой. При этом каждая фаза может включать десятки (узкие бензиновые фракции, газообразные продукты) и сотни (исходная нефть, мазут и др.) компонентов.

Рис. 2.2.1 Схема процесса массообмена между двумя фазами.

Перенос вещества между фазами обусловлен разностью концентраций компонента в контактирующих фазах. При этом между фазами отсутствует равновесие. В результате массообмена концентрация каждого компонента в обеих фазах изменится и, в конце концов, наступит состояние равновесия. Состояние равновесия следует понимать так, что обмен между фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются. Это проявляется внешне в том, что все характеристики обеих фаз могут оставаться сколь угодно долго неизменными.

Схема переноса вещества между фазами представлена на рис. 2.2.1 Пусть в фазе G концентрация у рассматриваемого компонента больше равновесной, т.е. компонент переходит из фазы G в фазу L. Скорость переноса вещества равна М. Интересующий нас компонент должен быть перенесен к границе раздела фаз, чтобы был осуществлен процесс массообмена между фазами. Перенос вещества к границе раздела фаз осуществляется двояко: кон­вективной диффузией, т.е. в результате движения частиц данной фазы, и молекулярной диффузией, т.е. в результате движения молекул через слой данной фазы.

Поэтому в каждой фазе различают основную часть потока данной фазы (ядро фазы), в котором перенос вещества обусловлен главным образом конвективной диффузией, и различают пограничные слои толщиной δ_G и δ_L, примыкающие в границе раздела фаз. Здесь массоперенос вызывается главным образом молекулярной диффузией, роль которой увеличивается по мере приближения к границе раздела фаз. Толщина пограничного слоя зависит от скорости движения фаз.

Поскольку в ядре потока частицы вещества интенсивно перемешиваются, считают, что в пределах ядра потока концентрации не изменяются, а все изменение концентраций в каждой фазе происходит в пределах пограничного слоя.

На границе раздела фаз устанавливаются концентрации у_гр, со стороны фазы G и х_гр со стороны фазы L. В случае установившегося процесса принято считать, что y_гр и х_гр находятся в равновесии.