V.2. МЕТОД ОТКРЫТОГО ИСПАРЕНИЯ

В работах [73, 74] рассматривается метод исследования равновесия жидкорть—пар, основанный на изучении процессов открытого испарения. Как указывают авторы, этот метод в определенных случаях может оказаться более целесообразным и простым для применения, чем некоторые иные методы. Преимущества его состоят в том, что исследование равновесия в двойной или многокомпонентной системе можно провести относительно быстро при меньшей затрате исследуемых веществ. В случае -компонентных систем одновременно определяется направление дистилляционных линий, что может быть полезно при обсуждении ректификационных процессов. Поскольку этот метод мало известен, остановимся на его изложении несколько подробнее.

Протекание процесса открытого испарения -компонентных гомогенных растворов описывается системой дифференциальных уравнений типа

где мол. или масс, доли компонента в растворе и паре; масса раствора.

Обычно различают два типа открытого испарения — изотермическое и изобарное (в ходе процесса раствор выкипает при заданном внешнем давлении). Если экспериментально определить зависимость состава раствора от его массы, то после дифференцирования найденной зависимости, можно рассчитать по формулам составы равновесного пара.

В случае изотермического испарения испаритель помещают в термостат, и в ходе опыта через раствор барботируют воздух, предварительно осушенный и нагретый до нужной температуры. Скорость пропускания воздуха в течение всего опыта поддерживают постоянной Скорость подбирают из условия равновесного протекания процесса. Испарителем служила колба вместимостью с отводной трубкой, впаянной в пришлифованную пробку.

При изобарном испарении сосуд помещают в водяную баню, режим обогрева которой обеспечивает не слишком большую скорость выкипания раствора. Масса испаряемого раствора перед началом опыта испарение заканчивается, когда масса раствора составляет В ходе опыта испарение время от времени прерывают, раствор взвешивают, отбирают пробы для анализа, раствор снова взвешивают, после чего испарение продолжают.

Масса отбираемой пробы Двойное взвешивание раствора до и после отбора пробы необходимо для учета небольшого влияния изменения массы раствора при построении зависимости от В принципе, при достаточно большом количестве исходного раствора влиянием отбора проб можно пренебречь.

Практически, однако, выгоднее использовать небольшие количества веществ и учитывать их при расчетах.

Отбор пробы в ходе испарения соответствует переходу от одной интегральной кривой системы уравнений к другой, причем обе интегральные кривые из-за малости массы отбираемой пробы оказываются расположенными очень близко друг к другу и их с достаточной точностью можно считать параллельными на конечных участках. Зная из опыта изменение при отборе пробы, путем обратного параллельного переноса можно найти истинную зависимость от при испарении без отбора проб.

Авторы [74] указывают тот объем работы, который необходим при изучении равновесия жидкость—пар методом открытого испарения. Например, для исследования неазеотропной двойной системы оказывается достаточно одного опыта, поскольку исходный раствор можно подобрать всегда так, чтобы его состав в ходе испарения прошел необходимый концентрационный интервал. Для сравнительно полного исследования равновесия жидкость—пар в тройной системе требуется поставить 3—5 опытов по испарению. Это примерно соответствует при обычных методиках исследованию фазовых равновесий по 3—5 секущим концентрационного треугольника. В четверной системе (ацетон—бензол—толуол—циклогексан) потребовалось 16 опытов, причем на проведение исследования было израсходовано не более каждого компонента.

В соответствии с термодинамической теорией открытых фазовых процессов [39] состав исходного раствора выгодно располагать в окрестности неустойчивого узла, т. е. особой точки, из которой выходят дистилляционные линии. При этом неустойчивый узел будет находиться в фигуративной точке компонента или двойного азеотропа, если в этой особой точке температура кипения минимальна по сравнению с температурами кипения растворов из ее окрестности. В остальных случаях расположение неустойчивого узла нетрудно установить по данным о двойных или тройных системах, а также по одному ректификационному, эбулиометрическому или дистилляционному опыту.

Для сопоставления точности данной методики определения состава пара с другими методами было проведено несколько опытов на циркуляционном приборе конструкции Бушмакина. В работе [74] указано, что точность обеих методик приблизительно одинакова, среднее расхождение между полученными составами пара составляло 1,4 %.