Основы теории. Процессы парообразования и конденсации широко распространены в химической технологии

Процессы парообразования и конденсации широко распространены в химической технологии. Важной теплофизической характеристикой при расчете процессов перегонки, выпарки, ректификации, кипения и сушки является теплота парообразования r.

Для исследования термодинамических процессов, происходящих с реальными газами, большое значение имеют pv - и Ts -диаграммы (рис. 1 и 2).

Кривые a₁b₁c₁d₁, a₂b₂c₂d₂ … на pv -диаграмме соответствуют процессу расширения вещества при t = const, а кривые ab₁c₁f₁, ab₂c₂f₂ … на Ts -диаграмме – процессу нагревания вещества при p = const.

		p=const
		s’ s” s
		v’ vx=vкр v”

		a2
	a1

На обеих диаграммах точки b₁, b₂,… соответствуют началу процесса парообразования и образуют нижнюю пограничную кривую – кривую кипящей жидкости (х = 0). На этих же диаграммах в точках с₁, c₂,… процесс парообразования завершается и данные точки образуют верхнюю пограничную кривую, соответствующую сухому насыщенному пару (х = 1). Точки d₁, d₂,… (рис. 1) и f₁, f₂,… (рис. 2) соответствуют состоянию перегретого пара, а точкb а – жидкости. Степень сухости:

х = ,

где - масса сухого насыщенного пара;

- масса влажного насыщенного пара;

- масса кипящей жидкости.

Таким образом, на обеих диаграммах можно выделить пять характерных состояний водяного пара:

· область жидкого состояния – расположена левее кривой х = 0, ;

· линия кипящей (насыщенной) жидкости, х = 0, ;

· область влажного насыщенного пара – двухфазное состояние, где пар и жидкость находятся в равновесии и имеют одинаковые р_н и t_н. Она расположена между пограничными кривыми х = 0 и х = 1, т.е. в этой области 0 < x < 1, ;

· линия сухого насыщенного пара, х = 1, ;

· область перегретого пара, расположенную правее кривой х = 1, при данном давлении.

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. Вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях, имеют различные физические свойства. Это различие объясняется характером межмолекулярного взаимодействия.

Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг кипящей жидкости для перехода её в сухой насыщенный называется теплотой парообразования r, кДж/кг. Этот процесс протекает при постоянном давлении насыщения и температуре насыщения (р_нас= const и t_нас = const).

, (1)

где - внешняя составляющая теплоты парообразования – расходуется на работу расширения, преодолевая давление р_нас:

, (2)

где и - удельные объемы сухого насыщенного пара и кипящей жидкости, соответственно;

- внутренняя составляющая теплоты парообразования – расходуется на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия.

На pv- диаграмме (рис. 1), как следует из уравнения (2), величина работы расширения показана заштрихованной областью. На Ts -диаграмме (рис.2) заштрихованной областью показана величина теплоты парообразования, которая может быть рассчитана как:

, (3)

где и - энтропия сухого насыщенного пара и кипящей жидкости, соответственно, ;

Т_н - температура насыщения, К.

Из pv- и Тs -диаграмм видно, что с увеличением давления р точки b₁, b₂,… на нижней пограничной кривой сближаются с точками с₁, с₂, … на верхней пограничной кривой и в критической точке они сходятся. Для воды критические параметры в точке К имеют следующие значения: р_кр. = 22,13 МПа, t_кр. = 374,2 °С, v_кр. = 0,00326 м³/кг.

Выше критической точки К при p > p_{кр .} и Т > Т_{кр .} двухфазного состояния не наблюдается. Жидкая фаза находится под весьма большим внутренним давлением. Фактором, определяющим интенсивность межмолекулярных взаимодействий, является не давление, а температура. С ростом температуры и давления теплота парообразования r уменьшается, а в критической точке r = 0, и , т.к. в этом состоянии исчезает различие между жидкостью и ее паром и процесс парообразования отсутствует.

Связь между температурой и давлением насыщения выражается уравнением Клапейрона-Клаузиуса [4, 5].

Поскольку > , из уравнения (4) следует, что при фазовом переходе «жидкость-пар» производная всегда больше нуля, т.е. с ростом давления температура насыщения увеличивается до значения в критической точке.

В термодинамике внутренняя энергия u,кДж/кг, энтальпия h, кДж/кг, теплоемкость c, кДж/кг К, теплота парообразования r=h”-h’, кДж/кг называются калорическими свойствами вещества (1 калория = 4,19 Дж), удельный объем v, м³/кг, давление p, Па (1 Па = 1 н/м²) и температура T, К – термическими. Известно, что термические параметры определяются намного проще, чем калорические, поскольку устанавливаются прямыми или косвенными измерениями соответствующими приборами. Таким образом, уравнение Клапейрона-Клаузиуса (4) устанавливает связь между термическими и калорическими свойствами, а также свойствами насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара. Поэтому уравнение Клапейрона-Клаузиуса можно использовать для определения калорической характеристики – удельной теплоты парообразования воды r по измеренным в опыте термическим параметрам р_н и Т_н.