Файл: Методические указания для самостоятельной работы для студентов направления подготовки бакалавриата 05. 06. 03 Экология и природопользование.doc

1. Перечертить диаграмму, соблюдая топологию, в заданном масштабе.

2. Дать общую характеристику диаграммы.

3. Отметить линию газа, линию жидкости, линии растворимости компонентов; написать равновесия на линиях.

4. Обозначить поля диаграммы греческими или римскими цифрами.

5. Указать фазовый состав полей диаграммы.

6. Описать значимые точки диаграммы (точки кипения компонентов, точки азеотропа, точки Алексеева): указать температуру, состав, уравнение равновесия.

7. Рассмотреть свойства систем, заданных соответствующими фигуративными точками и заполнить таблицу

Точка	Исходный состав, % В	Кол-во фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное кол-во фаз, %	Температура конденсации		Число степеней свободы
						ТН	ТK

Примеры решения задач

Пример 9. Обозначить поля диаграммы (рис. 5), дать характеристику компонентов системы. Описать путь конденсации системы, содержащей 45 % компонента В (точка М), заполнить таблицу.

Рис. 5. Диаграмма состояния двухкомпонентной неконденсированной системы пентан – гептан.

Решение. 1. Пронумеровать поля диаграммы (обычно – римскими цифрами).

2. Дать наименование полей диаграммы. Поле I – газ (пар); поле II – пар + жидкость; поле III – жидкость.

3. Дать характеристику диаграммы. Двухкомпонентная неконденсированная система с неограниченной растворимостью компонентов в жидкой фазе.

4. Путь конденсации системы – вертикальная пунктирная линия вниз от точки М (рис. 6), на которой отмечены фигуративные точки М', М'', М''', соответствующие началу процесса (М'), образованию двухфазной системы (М'') и окончанию конденсации (М''').

---

Рис. 6. Решение примера 1.

5. Таблица

Точка	Исходный состав системы, % В	Кол-во фаз в точке	Наим. фаз	Состав каждой фазы, % В	Относит. кол-во фаз, %	Температура конденсации		C
						ТН	ТK
М	45	1	Г	45	100	78	51	2
М'	45	2	Г	45	Г=Ж	78	51	1
			Ж	82
М''	45	2	Г	27	55	78	51	1
			Ж	69	45
М'''	45	2	Г	13	Г=Ж	78	51	1
			Ж	45

5. Определить состав системы в точке М, для чего следует опустить перпендикуляр от точки М на ось составов. Состав точки М – 45 % гептана C₇H₁₆ – компонента В. Он же будет общим составом системы для всех остальных точек. Точка М находится в поле I, следовательно, число фаз – 1 шт. Наименование фазы – пар; состав совпадает с общим составом системы.

6. Температуру начала конденсации определить по месту пересечения перпендикуляра из точки М и линии газа (граничной линии между полем I и II) – точка М'. От точки М' провести горизонталь на ось температур. Температура начала конденсации равна 78°С. Она остается одинаковой для всех рассматриваемых точек.

7. Определить число степеней свободы в точке М:

.

8. Определить фазовый состав в точке М'. Точка

---

М' находится на линии конденсации, следовательно, количество фаз – 2 шт.: газ и жидкость.

9. Определить состав жидкости в точке М', для чего от этой точки провести ноду до пересечения с линией жидкости (или линией испарения) и от точки пересечения опустить перпендикуляр на ось составов (позиция Ж_М' на рис. 6). Состав жидкости – 82 % C₇H₁₆.

10. Определить относительное количество фаз в точке М': так как М' находится на линии равновесия между двумя фазами, то относительное их количество не определяется. В такой ситуации следует записать уравнение равновесия. В данном случае – Ж = Г.

11. Определить число степеней свободы в точке М':

.

12. Определить фазовый состав точки М'', которая находится в поле II, следовательно, число фаз – 2 шт.: жидкость и газ.

13. Определить состав жидкости и газа в точке М'': провести ноду до пересечения с линий испарения (точка X) с одной стороны и с линией конденсации (точка Y) с другой стороны. От точек пересечения опустить перпендикуляры на ось составов. Перпендикуляр от линии конденсации определяет состав газа (27 % гептана – точка Г_М'' на рис. 6), от линии испарения – состав жидкой фазы (69 % гептана – точка Ж_М'' на рис. 6).

14. Определить относительное количество фаз в точке М''. В соответствии с правилом рычага

45%; 55 %.

15. Определить число степеней свободы в точке М'':

.

16. Температуру завершения процесса конденсации определить по месту пересечения перпендикуляра из точки М с линией испарения – точка М'''. От точки М''' провести горизонталь на ось температур. Температура завершения конденсации равна 51°С. Она остается одинаковой для всех рассматриваемых точек.

17. Определить фазовый состав в точке М'''. Точка М''' находится на линии испарения, следовательно, количество фаз – 2 шт.: газ и жидкость.

18. Определить состав пара в точке М''', для этого от этой точки провести ноду до пересечения с линией конденсации и от этой точки опустить перпендикуляр на ось составов (позиция Г_М''' на рис. 6). Состав пара – 13 % C₇H₁₆.

---

19. Определить относительное количество фаз в точке М''': так как М''' находится на линии равновесия между двумя фазами, то относительное их количество не определяется. В такой ситуации следует записать уравнение равновесия. В данном случае – Ж = Г.

20. Определить число степеней свободы в точке М''':

.

Пример 10. Обозначить поля диаграммы (рис. 7), дать характеристику компонентов системы. Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 25 % анилина при охлаждении ее от 170 до 60°С с интервалом 40°С. Нанести на диаграмму соответствующие фигуративные точки систем и фаз, заполнить таблицу.

Рис. 7. Диаграмма состояния вода – этаноламин.

Решение. 1. Пронумеровать поля диаграммы (обычно – римскими цифрами).

2. Дать наименование полей диаграммы: поле I – жидкость (пар); поле II – область расслоения двух жидкостей.

3. Дать характеристику диаграммы: двухкомпонентная неконденсированная система с ограниченной растворимостью компонентов в жидкой фазе.

4. Отметить исследуемый состав системы, соответствующий содержанию анилина C₂H₅NH₂ 25 % и отметить фигуративные точки N, N', N'', соответствующие заданному температурному интервалу.

Рис. 8. Решение примера 2.

5. Определить фазовый состав в каждой точке. Точка N принадлежит к полю I, следовательно, количество фаз – 1 шт. – жидкость, содержащая 25 % анилина. Точки N' и N'' принадлежат полю II, где происходит расслаивание системы на две жидкости разного состава, следовательно, количество фаз – 2 шт. Состав жидкостей зависит от температуры.

6. Определить состав расслаивающихся жидкостей в точках N' и N'', как показано на рис. 8 и зафиксировано в табл. 2. При этом следует учитывать, что жидкость 1 представляет насыщенный раствор анилина в воде, а жидкость 2 – раствор воды в анилине. Соответственно точки X и P отображают состав Ж₁, а точки Y и R – состав жидкости 2.

7. Пользуясь правилом рычага, определить относительное количество каждой фазы.

Для точки N

---

':

80 %; 20 %.
Для точки N'':

75 %; 25 %.

Точка	Исходный состав системы, % В	Количество фаз в точке	Наименование фаз	Состав каждой фазы, % В	Относительное количество фаз, %
N	25	1	Ж	25	100
N'	25	2	Ж1	12	20
			Ж2	78	80
N''	25	2	Ж1	5	25
			Ж2	88	75

4.1 Задачи для решения

Обозначить поля диаграммы, дать характеристику компонентов системы, заполнить таблицу и т.д. см. пример 9 или пример 10.

181. 
     Описать путь испарения системы с массовой долей CCl₄ 20 %, рис. 9.
     
182. 
     Описать путь испарения системы с массовой долей CCl₄ 40 %, рис. 9.
     
183. 
     Описать путь испарения системы с массовой долей CCl₄ 50 %, рис. 9.
     
184. 
     Описать путь испарения системы с массовой долей CCl₄ 60 %, рис. 9.
     
185. 
     Описать путь испарения системы с массовой долей CCl₄ 80 %, рис. 9
     

Рис. 9. Система диэтиловый эфир-четыреххлористый углерод.

186. 
     Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 15 % воды (рис. 10) при охлаждении от 170 до 60°С с интервалом 40°С.
     
187. 
     Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 25 % воды (рис. 10) при охлаждении от 170 до 60°С с интервалом 40°С.
     
188. 
     Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 35 % воды (рис. 10) при охлаждении от 170 до 60°С с интервалом 40°С.
     
189. 
     Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 45 % воды (рис. 10) при охлаждении от 170 до 60°С с интервалом 40°С.
     
190. 
     Определить изменение состава и количества фаз в системе, содержащей 55 % воды (рис. 10) при охлаждении от 170 до 60°С с интервалом 40°С.
     

---