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Praktikum Rektifikation

Siedediagramm und Gleichgewichtskurve

Eine Voraussetzung für die Beurteilung der Trennbarkeit eines Flüssigkeitsgemisches durch Rektifikation ist die Kenntnis des Phasengleichgewichtes. Die Gleichgewichtsdaten müssen in der Regel experimentell bestimmt werden.

Siedediagramm

Abb.1

Das Siedediagramm beschreibt das Phasengleichgewicht durch zwei Isobaren. Es zeigt die Siedetemperatur TS als Funktion des Stoffmengenanteils x in der Flüssigphase (Siedekurve=SK) und die Kondensationstemperatur TS als Funktion des Stoffmengenanteils y in der Dampfphase (Taukurve=TK).

Gleichgewichtskurve

Abb.2

Aus dem Siedediagramm lässt sich die Gleichgewichtskurve konstruieren. Sie ist ebenfalls eine Isobare und stellt über den gesamten Konzentrationsbereich die Zusammensetzung der Dampfphase als Funktion der Zusammensetzung der Flüssigphase dar. Die Diagonale (DG) dient lediglich als Hilfslinie. Zu jedem Gleichgewichtszustand gehört eine entsprechende Siedetemperatur. Die Gleichgewichtskurve beschreibt die Anreicherung der leichter flüchtigen Komponente im Dampf in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des siedenden Gemisches in einem Trennschritt (= eine Trennstufe).

Bei löslichen (in jedem Verhältnis mischbaren) Zweistoff-Gemischen gibt es drei Grundtypen des Siedediagramms und der Gleichgewichtskurve:

  • Typ 1: Siede- und Taukurve besitzen kein Maximum oder Minimum. Die Gleichgewichtskurve verläuft oberhalb der Diagonale
  • Typ 2: Siede- und Taukurve besitzen ein Maximum. Die Gleichgewichtskurve schneidet die Diagonale in einem ausgezeichneten Punkt. In ihm ist die Zusammensetzung von Dampf und Flüssigkeit gleich (azeotrope Gemische)
  • Typ 3: Siede- und Taukurve besitzen ein Minimum. Die Gleichgewichtskurve zeigt einen analogen ausgezeichneten Punkt

Gleichgewichtskurven für ideale binäre Gemische

Im einfachsten Fall der Ermittlung von Leistungsdaten einer Rektifizierapparatur werden ideale binäre Flüssigkeitsgemische verwendet. Sie gehorchen im gesamten Konzentrationsbereich dem Raoult'schen Gesetz. Weiterhin gilt für sie, dass der Gesamtdruck der Dampfphase gleich der Summe der Partialdrücke der Einzelkomponenten ist (Dalton'sches Gesetz). Für diese idealen Gemische existiert eine ideale Gleichgewichtskurve mit der folgenden Formel.

y = a x a x + 1 x
Abb.3

Dabei ist a = PI/PII = const. PI und PII sind die Dampfdrücke der reinen Komponenten.

Konstanten für häufig benutzte, nahezu ideale Testgemische: Kurve 1: Benzen/Toluen (a=2,4) Kurve 2: Cyclohexan/n-Heptan (a=1,65)

Das Arbeiten mit realen Gleichgewichtskurven erfordert einen hohen Rechenaufwand. Schon frühzeitig wurden daher grafische Hilfsmittel entwickelt, die auch eine anschauliche Darstellung gewährleisten, z.B. das McCabe-Thiele-Verfahren.

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