Zeotropisk blandning
En zeotropisk blandning , eller icke-azeotropisk blandning, är en blandning med flytande komponenter som har olika kokpunkter . Till exempel utgör kväve, metan, etan, propan och isobutan en zeotropisk blandning. Enskilda ämnen i blandningen avdunstar eller kondenserar inte vid samma temperatur som ett ämne. Med andra ord har blandningen en temperaturglidning, eftersom fasändringen sker i ett temperaturområde på cirka fyra till sju grader Celsius, snarare än vid en konstant temperatur. På temperatur-sammansättningsgrafer kan denna temperaturglidning ses som temperaturskillnaden mellan bubbelpunkten och daggpunkten . För zeotropiska blandningar ligger temperaturerna på bubbel(koknings)kurvan mellan den enskilda komponentens koktemperaturer. När en zeotropisk blandning kokas eller kondenseras ändras sammansättningen av vätskan och ångan enligt blandningarnas temperatur-sammansättningsdiagram.
Zeotropa blandningar har olika egenskaper i kärn- och konvektiv kokning, såväl som i den organiska Rankine-cykeln . Eftersom zeotropiska blandningar har andra egenskaper än rena vätskor eller azeotropa blandningar , har zeotropiska blandningar många unika tillämpningar inom industrin, nämligen i destillations-, kyl- och rengöringsprocesser.
Dagg- och bubbelpunkter
I blandningar av ämnen är bubbelpunkten den mättade vätsketemperaturen, medan den mättade ångtemperaturen kallas daggpunkten. Eftersom bubbel- och dagglinjerna i en zeotropisk blandnings temperatur-sammansättningsdiagram inte skär varandra, har en zeotropisk blandning i sin flytande fas en annan fraktion av en komponent än gasfasen i blandningen. På ett temperatur-sammansättningsdiagram, efter att en blandning i sin flytande fas har värmts upp till temperaturen vid bubbelkurvan (kokande) ändras andelen av en komponent i blandningen längs en isoterm linje som förbinder daggkurvan med kokkurvan som blandningen kokar. Vid varje given temperatur är sammansättningen av vätskan sammansättningen vid bubbelpunkten, medan sammansättningen av ångan är sammansättningen vid daggpunkten. Till skillnad från azeotropiska blandningar finns det ingen azeotrop punkt vid någon temperatur på diagrammet där bubbellinjen och dagglinjerna skulle skära varandra. Således kommer blandningens sammansättning alltid att ändras mellan bubbel- och daggpunktskomponentfraktionerna vid kokning från en vätska till en gas tills massfraktionen av en komponent når 1 (dvs. den zeotropiska blandningen är helt separerad i sina rena komponenter). Som visas i figur 1 minskar molfraktionen av komponent 1 från 0,4 till cirka 0,15 när vätskeblandningen kokar till gasfasen.
Temperaturen glider
Olika zeotropiska blandningar har olika temperaturglidningar. Till exempel har den zeotropiska blandningen R152a/R245fa en högre temperaturglidning än R21/R245fa. Ett större gap mellan kokpunkterna skapar ett större temperaturglid mellan kokkurvan och daggkurvan vid en given massfraktion. Men med vilken zeotropisk blandning som helst, minskar temperaturglidningen när massfraktionen av en komponent närmar sig 1 eller 0 (dvs när blandningen nästan separeras i sina rena komponenter) eftersom kok- och daggkurvorna kommer närmare dessa massfraktioner.
En större skillnad i kokpunkter mellan ämnena påverkar också grafens dagg- och bubbelkurvor. En större skillnad i kokpunkter skapar en större förskjutning i massfraktioner när blandningen kokar vid en given temperatur.
Zeotropa vs. azeotropa blandningar
Azeotropa och zeotropa blandningar har olika egenskaper för dagg- och bubbelkurvor i en temperatur-sammansättningsgraf. Azeotropa blandningar har nämligen dagg- och bubbelkurvor som skär varandra, men det har inte zeotropa blandningar. Med andra ord har zeotropa blandningar inga azeotropa punkter. En azeotrop blandning som är nära sin azeotropa punkt har ett försumbart zeotropiskt beteende och är nästan azeotropiskt snarare än zeotropiskt.
Zeotropa blandningar skiljer sig från azeotropa blandningar genom att ång- och flytande faser i en azeotrop blandning har samma andel av beståndsdelar. Detta beror på den konstanta kokpunkten för den azeotropiska blandningen.
Kokande
Vid överhettning av ett ämne uppstår kokning av kärnbassänger och kokning med konvektiv flöde när temperaturen på ytan som används för att värma en vätska är högre än vätskans kokpunkt av väggens överhettning.
Nucleate pool kokar
Egenskaperna för poolkokning är annorlunda för zeotropiska blandningar än för rena blandningar. Till exempel är den minsta överhettning som krävs för att uppnå denna kokning större för zeotropa blandningar än för rena vätskor på grund av de olika proportionerna av enskilda ämnen i vätske- och gasfaserna i den zeotropa blandningen. Zeotropa blandningar och rena vätskor har också olika kritiska värmeflöden. Dessutom värmeöverföringskoefficienterna för zeotropiska blandningar mindre än de idealvärden som förutsägs med hjälp av koefficienterna för rena vätskor. Denna minskning av värmeöverföringen beror på att värmeöverföringskoefficienterna för zeotropa blandningar inte ökar proportionellt med massfraktionerna av blandningens komponenter.
Konvektivt flöde kokar
Zeotropa blandningar har andra egenskaper vid konvektiv kokning än rena ämnen eller azeotropa blandningar. Sammantaget överför zeotropa blandningar värme mer effektivt i botten av vätskan, medan rena och azeotropa ämnen överför värme bättre i toppen. Under kokning med konvektiv flöde är tjockleken på vätskefilmen mindre på toppen av filmen än vid botten på grund av gravitationen. När det gäller rena vätskor och azeotropa blandningar orsakar denna minskning av tjockleken en minskning av motståndet mot värmeöverföring. Således överförs mer värme och värmeöverföringskoefficienten är högre i toppen av filmen. Motsatsen sker för zeotropa blandningar. Minskningen i filmtjocklek nära toppen gör att komponenten i blandningen med den högre kokpunkten minskar i massfraktion. Således ökar motståndet mot massöverföring nära toppen av vätskan. Mindre värme överförs och värmeöverföringskoefficienten är lägre än vid botten av vätskefilmen. Eftersom botten av vätskan överför värme bättre, kräver det en lägre väggtemperatur nära botten än på toppen för att koka den zeotropiska blandningen.
Värmeöverföringskoefficient
Från låga kryogena temperaturer till rumstemperaturer är värmeöverföringskoefficienterna för zeotropa blandningar känsliga för blandningens sammansättning, diametern på det kokande röret, värme- och massflöden och ytans grovhet. Dessutom minskar utspädning av den zeotropiska blandningen värmeöverföringskoefficienten. Att minska trycket vid kokning av blandningen ökar bara koefficienten något. Att använda räfflade snarare än släta kokande rör ökar värmeöverföringskoefficienten.
Destillering
Det ideala fallet med destillation använder zeotropiska blandningar. Zeotropa fluider och gasblandningar kan separeras genom destillation på grund av skillnaden i kokpunkter mellan komponentblandningarna. Denna process involverar användningen av vertikalt arrangerade destillationskolonner (se figur 2) .
Destillationskolonner
Vid separering av zeotropiska blandningar med tre eller fler flytande komponenter avlägsnar varje destillationskolonn endast den lägsta kokpunktskomponenten och den högsta kokpunktskomponenten. Med andra ord, varje kolumn separerar två komponenter rent. Om tre ämnen separeras med en enda kolonn kommer ämnet med mellankokpunkten inte att separeras rent, och en andra kolonn skulle behövas. För att separera blandningar som består av flera ämnen måste en sekvens av destillationskolonner användas. Denna flerstegsdestillationsprocess kallas även rektifiering.
I varje destillationskolonn bildas rena komponenter i toppen (likningssektionen) och botten (strippningssektionen) av kolonnen när utgångsvätskan (kallad fodersammansättning) släpps ut i mitten av kolonnen. Detta visas i figur 2 . Vid en viss temperatur förångas komponenten med den lägsta kokpunkten (kallad destillat eller overheadfraktion) och samlas i toppen av kolonnen, medan komponenten med den högsta kokpunkten (kallad bottnar eller bottenfraktion) samlas i botten av kolonnen. kolumn. I en zeotropisk blandning, där mer än en komponent finns, rör sig enskilda komponenter i förhållande till varandra när ånga strömmar upp och vätska faller ner.
Separationen av blandningar kan ses i en koncentrationsprofil. I en koncentrationsprofil plottas positionen för en ånga i destillationskolonnen mot koncentrationen av ångan. Komponenten med högst kokpunkt har en maxkoncentration i botten av kolonnen, där komponenten med lägst kokpunkt har en maxkoncentration i toppen av kolonnen. Komponenten med mellankokpunkten har en maxkoncentration i mitten av destillationskolonnen. På grund av hur dessa blandningar separeras kräver blandningar med fler än tre ämnen mer än en destillationskolonn för att separera komponenterna.
Destillationskonfigurationer
Många konfigurationer kan användas för att separera blandningar i samma produkter, även om vissa system är mer effektiva och olika kolumnsekvenser används för att uppnå olika behov. Till exempel kan en zeotropisk blandning ABC först separeras i A och BC innan BC separeras till B och C. Å andra sidan kan blandning ABC först separeras i AB och C, och AB kan till sist separeras i A och B. Dessa två konfigurationer är skarpa delade konfigurationer där den mellankokande substansen inte kontaminerar varje separationssteg. Å andra sidan kunde blandningen ABC först separeras i AB och BC, och slutligen delas upp i A, B och C i samma kolumn. Detta är en icke-skarp delad konfiguration där ämnet med den mellanliggande kokpunkten finns i olika blandningar efter ett separationssteg.
Effektivitetsoptimering
Vid design av destillationsprocesser för att separera zeotropiska blandningar är sekvenseringen av destillationskolonner avgörande för att spara energi och kostnader. Dessutom kan andra metoder användas för att sänka energi- eller utrustningskostnaderna som krävs för att destillera zeotropiska blandningar. Detta inkluderar att kombinera destillationskolonner, använda sidokolonner, kombinera huvudkolonner med sidokolonner och återanvända spillvärme för systemet. Efter att ha kombinerat destillationskolonner är mängden energi som används endast den för en separerad kolonn snarare än båda kolonnerna kombinerade. Dessutom sparar man energi genom att använda sidokolonner genom att förhindra att olika kolonner gör samma separation av blandningar. Att kombinera huvud- och sidopelare sparar utrustningskostnader genom att minska antalet värmeväxlare i systemet. Återanvändning av spillvärme kräver att mängden värme och temperaturnivåer i avfallet matchar den värme som behövs. Användning av spillvärme kräver alltså ändring av trycket inuti förångare och kondensorer i destillationssystemet för att kontrollera de temperaturer som behövs. Styrning av temperaturnivåerna i en del av ett system är möjligt med Pinch Technology . Dessa energibesparande tekniker har en bred tillämpning vid industriell destillation av zeotropiska blandningar: sidokolonner har använts för att raffinera råolja , och att kombinera huvud- och sidokolonner används alltmer.
Exempel på zeotropiska blandningar
Exempel på destillation för zeotropiska blandningar finns inom industrin. Raffinering av råolja är ett exempel på flerkomponentdestillation inom industrin som har använts i mer än 75 år. Råolja separeras i fem komponenter med huvud- och sidokolonner i en skarp delad konfiguration. Dessutom separeras eten från metan och etan för industriella ändamål med flerkomponentdestillation.
Att separera aromatiska ämnen kräver extraktiv destillation, till exempel destillering av en zeotropisk blandning av bensen, toluen och p-xylen.
Kylning
Zeotropiska blandningar som används i kylning tilldelas ett nummer i 400-serien för att hjälpa till att identifiera dess komponent och deras proportioner som en del av nomenklaturen. Medan de för azeotropa blandningar tilldelas ett nummer i 500-serien. Enligt ASHRAE börjar köldmedienamn med 'R' följt av en serie siffror – 400-serier om den är zeotropisk eller 500 om den är azeotropisk – följt av versaler som anger kompositionen.
Forskning har föreslagit att använda zeotropiska blandningar som substitut för halogenerade köldmedier på grund av de skadliga effekter som klorfluorkolväten (HCFC) och klorfluorkolväten (CFC) har på ozonskiktet och den globala uppvärmningen . Forskare har fokuserat på att använda nya blandningar som har samma egenskaper som tidigare köldmedier för att fasa ut skadliga halogenerade ämnen, i enlighet med Montrealprotokollet och Kyotoprotokollet . Till exempel fann forskare att zeotropisk blandning R-404A kan ersätta R-12, en CFC, i hushållskylskåp. Det finns dock vissa tekniska svårigheter för att använda zeotropiska blandningar. Detta inkluderar läckage, såväl som det höga temperaturglid som är förknippat med ämnen med olika kokpunkter, även om temperaturglidningen kan anpassas till temperaturskillnaden mellan de två köldmedierna vid värmeväxling för att öka effektiviteten. Att ersätta rena köldmedier med blandningar kräver mer forskning om såväl miljöpåverkan som brandfarlighet och säkerhet hos köldmedieblandningar.
Organisk Rankine-cykel
I Organic Rankine Cycle (ORC) är zeotropiska blandningar mer termiskt effektiva än rena vätskor. På grund av deras högre kokpunkter har zeotropiska arbetsvätskor högre nettoeffekt av energi vid de låga temperaturerna i Rankine-cykeln än rena ämnen. Zeotropiska arbetsvätskor kondenserar över en rad temperaturer, vilket gör att externa värmeväxlare kan återvinna kondensationsvärmen som en värmekälla för Rankine-cykeln. Den förändrade temperaturen hos den zeotropiska arbetsvätskan kan matchas med den för vätskan som värms eller kyls för att spara spillvärme eftersom blandningens förångningsprocess sker vid temperaturglidning (se Pinch Analysis ).
R21/R245fa och R152a/R245fa är två exempel på zeotropiska arbetsvätskor som kan absorbera mer värme än ren R245fa på grund av deras ökade kokpunkter. Effekten ökar med andelen R152a i R152a/R245fa. R21/R245fa använder mindre värme och energi än R245fa. Sammantaget har den zeotropiska blandningen R21/R245fa bättre termodynamiska egenskaper än ren R245fa och R152a/R245fa som arbetsvätska i ORC.
Rengöringsprocesser
Zeotropa blandningar kan användas som lösningsmedel i rengöringsprocesser vid tillverkning. Rengöringsprocesser som använder zeotropiska blandningar inkluderar samlösningsmedelsprocesser och bilösningsmedelsprocesser.
Cosolvent och bisolvent processer
I ett samlösningsmedelssystem blandas två blandbara vätskor med olika kokpunkter för att skapa en zeotropisk blandning. Den första vätskan är ett lösningsmedel som löser upp jord i rengöringsprocessen. Denna vätska är ett organiskt lösningsmedel med en låg kokpunkt och en flampunkt högre än systemets driftstemperatur. Efter att lösningsmedlet blandats med oljan sköljer den andra vätskan, ett hydrofluoroethersköljmedel (HFE), bort solvatiseringsmedlet. Lösningsmedlet kan vara brandfarligt eftersom dess blandning med HFE är obrännbar. I bisolvent rengöringsprocesser separeras sköljmedlet från solvatiseringsmedlet. Detta gör lösnings- och sköljmedlen mer effektiva eftersom de inte är utspädda.
Cosolvent-system används för tunga oljor, vaxer, fetter och fingeravtryck och kan ta bort tyngre smuts än processer som använder rena eller azeotropa lösningsmedel. Cosolvent-system är flexibla genom att olika proportioner av ämnen i den zeotropiska blandningen kan användas för att tillfredsställa olika rengöringsändamål. Att till exempel öka andelen lösningsmedel till sköljmedel i blandningen ökar lösligheten och används därför för att ta bort tyngre smuts.
Systemets driftstemperatur beror på blandningens kokpunkt, som i sin tur beror på sammansättningen av dessa medel i zeotropisk blandning. Eftersom zeotropiska blandningar har olika kokpunkter har rengörings- och sköljsumpen olika förhållanden av rengörings- och lösningsmedel. Lösningsmedlet med lägre kokpunkt finns inte i sköljsumpen på grund av den stora skillnaden i kokpunkter mellan medlen.
Exempel på zeotropa lösningsmedel
Blandningar som innehåller HFC-43-10mee kan ersätta CFC-113 och perfluorocarbon (PFC) som lösningsmedel i rengöringssystem eftersom HFC-43-10mee inte skadar ozonskiktet, till skillnad från CFC-113 och PFC. Olika blandningar av HFC-43-10mee finns kommersiellt tillgängliga för en mängd olika rengöringsändamål. Exempel på zeotropiska lösningsmedel i rengöringsprocesser inkluderar:
- Zeotropa blandningar av HFC-43-10mee och hexametyldisiloxan kan lösa upp silikoner och är mycket kompatibla med polykarbonater och polyuretan. De kan användas för att ta bort silikonsmörjmedel från medicinsk utrustning.
- Zeotropa blandningar av HFC-43-10mee och isopropanol kan avlägsna joner och vatten från material utan porösa ytor. Denna zeotropiska blandning hjälper till med absorptionstorkning.
- Zeotropiska blandningar av HFC-43-10mee, fluortensid och antistatiska tillsatser är energieffektiva och miljösäkra torkvätskor som ger fläckfri torkning.