Зеотропные смеси: свойства, применение и перспективы.
Zeotropic mixture
Зеотропные смеси: составы с разными точками кипения, температурный градиент при фазовом переходе (4-7°C). Примеры: азот, метан, пропан. Химия и свойства.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Зеотропная смесь, или неазеотропная смесь, представляет собой смесь с жидкими компонентами, имеющими различные точки кипения. Например, азот, метан, этан, пропан и изобутан образуют зеотропную смесь. Отдельные вещества в составе смеси не испаряются и не конденсируются при той же температуре, что и каждое вещество в отдельности. Иными словами, смесь характеризуется температурным градиентом, поскольку фазовый переход происходит в диапазоне температур примерно от четырех до семи градусов Цельсия, а не при постоянной температуре. Для зеотропных смесей температуры на кривой "пузырь" (кипения) лежат между точками кипения отдельных компонентов. При кипячении или конденсации зеотропной смеси состав жидкости и пара изменяется в соответствии с диаграммой "температура-состав". В смесях веществ температура насыщения жидкости называется точкой пузыря, а температура насыщения пара – точкой росы. Поскольку линии "пузырь" и "роса" на диаграмме "температура-состав" зеотропной смеси не пересекаются, фракционный состав компонента в жидкой фазе зеотропной смеси отличается от фракционного состава в газовой фазе. Азеотропные и зеотропные смеси имеют различные характеристики кривых "роса" и "пузырь" на графике "температура-состав", что обусловлено постоянной температурой кипения азеотропной смеси.
A zeotropic mixture, or non azeotropic mixture, is a mixture with liquid components that have different boiling points. For example, nitrogen, methane, ethane, propane, and isobutane constitute a zeotropic mixture. Individual substances within the mixture do not evaporate or condense at the same temperature as one substance. In other words, the mixture has a temperature glide, as the phase change occurs in a temperature range of about four to seven degrees Celsius, rather than at a constant temperature. For zeotropic mixtures, the temperatures on the bubble (boiling) curve are between the individual component's boiling temperatures. When a zeotropic mixture is boiled or condensed, the composition of the liquid and the vapor changes according to the mixtures's temperature composition diagram.]] In mixtures of substances, the bubble point is the saturated liquid temperature, whereas the saturated vapor temperature is called the dew point. Because the bubble and dew lines of a zeotropic mixture's temperature composition diagram do not intersect, a zeotropic mixture in its liquid phase has a different fraction of a component than the gas phase of the mixture.]] Azeotropic and zeotropic mixtures have different dew and bubble curves characteristics in a temperature composition graph. This is due to the constant boiling point of the azeotropic mixture.
Кипячение ядра в бассейне
Характеристики кипения в бассейне для цеотропных смесей отличаются от таковых для чистых веществ. Цеотропные смеси и чистые жидкости также имеют различные критические тепловые потоки.
The characteristics of pool boiling are different for zeotropic mixtures than that of pure mixtures. Zeotropic mixtures and pure liquids also have different critical heat fluxes.
Дестилляция
В идеальном случае для дистилляции используются цеотропные смеси. В каждой дистилляционной колонне чистые компоненты образуются в верхней (ректификационной) и нижней (дефлегмационной) частях колонны, когда исходная жидкость (так называемый состав питания) подается в середину колонны. Контроль температурных уровней в части системы возможен с помощью Pinch-технологии. Эти энергосберегающие методы широко применяются в промышленной дистилляции цеотропных смесей: боковые колонны использовались для переработки сырой нефти, а объединение основных и боковых колонн становится все более распространенным. Исследования предлагают использовать цеотропные смеси в качестве заменителей галогенированных хладагентов из-за вредного воздействия гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) и хлорфторуглеродов (ХФУ) на озоновый слой и глобальное потепление. Однако существуют определенные технические трудности при использовании цеотропных смесей. Благодаря более высокой точке кипения, цеотропные рабочие жидкости обеспечивают более высокую чистую выработку энергии при низких температурах цикла Ранкина, чем чистые вещества. Процессы очистки, использующие цеотропные смеси, включают процессы с косольвентами и процессы с бисольвентами. Первая жидкость – сольватирующий агент, который растворяет загрязнения в процессе очистки. Эта жидкость представляет собой органический растворитель с низкой температурой кипения и температурой вспышки выше рабочей температуры системы. После смешивания растворителя с маслом, вторая жидкость – гидрофторэфирный промывочный агент (HFE) – смывает сольватирующий агент. Сольватирующий агент может быть легковоспламеняющимся, в то время как его смесь с HFE негорюча. В процессах очистки с использованием бисольвентов промывочный агент отделяется от сольватирующего агента. Это повышает эффективность обоих агентов, поскольку они не разбавляются. Системы с косольвентами применяются для очистки от тяжелых масел, восков, смазок и отпечатков пальцев и способны удалять более стойкие загрязнения, чем процессы с использованием чистых или азеотропных растворителей. Системы с косольвентами обладают гибкостью, поскольку различные пропорции компонентов в цеотропной смеси могут быть подобраны для решения различных задач очистки. Например, увеличение доли сольватирующего агента по отношению к промывочному агенту в смеси повышает растворяющую способность и, следовательно, используется для удаления более стойких загрязнений. Рабочая температура системы зависит от температуры кипения смеси, которая, в свою очередь, определяется составом этих агентов в цеотропной смеси. Поскольку цеотропные смеси имеют разные точки кипения, в отстойниках для очистки и промывки наблюдаются различные соотношения очищающих и сольватирующих агентов. Сольватирующий агент с более низкой температурой кипения отсутствует в отстойнике для промывки из-за значительной разницы в температурах кипения агентов.
The ideal case of distillation uses zeotropic mixtures. In each distillation column, pure components form at the top (rectifying section) and bottom (stripping section) of the column when the starting liquid (called feed composition) is released in the middle of the column. Controlling the temperature levels in a part of a system is possible with Pinch Technology. These energy saving techniques have a wide application in industrial distillation of zeotropic mixtures: side columns have been used to refine crude oil, and combining main and side columns is increasingly used. Research has proposed using zeotropic mixtures as substitutes to halogenated refrigerants due to the harmful effects that hydrochlorofluorocarbons (HCFC) and chlorofluorocarbons (CFC) have on the ozone layer and global warming. However, there are some technical difficulties for using zeotropic mixtures. Due to their higher boiling points, zeotropic working fluids have higher net outputs of energy at the low temperatures of the Rankine Cycle than pure substances. Cleaning processes that use zeotropic mixtures include cosolvent processes and bisolvent processes. The first fluid is a solvating agent that dissolves soil in the cleaning process. This fluid is an organic solvent with a low boiling point and a flash point greater than the system's operating temperature. After the solvent mixes with the oil, the second fluid, a hydrofluoroether rinsing agent (HFE), rinses off the solvating agent. The solvating agent can be flammable because its mixture with the HFE is nonflammable. In bisolvent cleaning processes, the rinsing agent is separated from the solvating agent. This makes the solvating and rinsing agents more effective because they are not diluted. Cosolvent systems are used for heavy oils, waxes, greases and fingerprints, and can remove heavier soils than processes that use pure or azeotropic solvents. Cosolvent systems are flexible in that different proportions of substances in the zeotropic mixture can be used to satisfy different cleaning purposes. For example, increasing the proportion of solvating agent to rinsing agent in the mixture increases the solvency, and thus is used for removing heavier soils. The operating temperature of the system depends on the boiling point of the mixture, which in turn depends on the compositions of these agents in zeotropic mixture. Since zeotropic mixtures have different boiling points, the cleaning and rinse sump have different ratios of cleaning and solvating agents. The lower boiling point solvating agent is not found in the rinse sump due to the large difference in boiling points between the agents.
Примеры цеотропных растворителей
Смеси, содержащие HFC 43 10mee, могут заменить CFC 113 и перфторуглероды (PFC) в качестве растворителей в системах очистки, поскольку HFC 43 10mee не разрушает озоновый слой, в отличие от CFC 113 и PFC. Различные смеси HFC 43 10mee доступны для различных целей очистки. Примеры азеотропных растворителей в процессах очистки включают:
Азеотропные смеси HFC 43 10mee и гексаметилдисилоксана могут растворять силиконы и обладают высокой совместимостью с поликарбонатами и полиуретаном. Они могут использоваться для удаления силиконовой смазки с медицинских изделий. Азеотропные смеси HFC 43 10mee и изопропанола могут удалять ионы и воду из материалов с непористыми поверхностями. Эта азеотропная смесь способствует абсорбционной сушке. Азеотропные смеси HFC 43 10mee, фторповерхностно-активных веществ и антистатических добавок являются энергоэффективными и экологически безопасными сушильными жидкостями, обеспечивающими безупречную сушку.
Mixtures containing HFC 43 10mee can replace CFC 113 and perfluorocarbon (PFC) as solvents in cleaning systems because HFC 43 10mee does not harm the ozone layer, unlike CFC 113 and PFC. Various mixtures of HFC 43 10mee are commercially available for a variety of cleaning purposes. Examples of zeotropic solvents in cleaning processes include:
Zeotropic mixtures of HFC 43 10mee and hexamethyldisiloxane can dissolve silicones and are highly compatible with polycarbonates and polyurethane. They can be used to remove silicone lubricant from medical devices. Zeotropic mixtures of HFC 43 10mee and isopropanol can remove ions and water from materials without porous surfaces. This zeotropic mixture helps with absorption drying. Zeotropic mixtures of HFC 43 10mee, fluorosurfactant, and antistatic additives are energy effiicient and environmentally safe drying fluids that provide spot free drying.