Volatilità relativa - Relative volatility

La volatilità relativa è una misura che confronta le pressioni di vapore dei componenti in una miscela liquida di sostanze chimiche. Questa quantità è ampiamente utilizzata nella progettazione di grandi processi di distillazione industriale . In effetti, indica la facilità o la difficoltà di usare la distillazione per separare i componenti più volatili dai componenti meno volatili in una miscela. Per convenzione, la volatilità relativa è solitamente indicata come . ${\displaystyle\alpha}$

Le volatilità relative sono utilizzate nella progettazione di tutti i tipi di processi di distillazione, nonché di altri processi di separazione o assorbimento che comportano il contatto delle fasi vapore e liquida in una serie di fasi di equilibrio .

Le volatilità relative non vengono utilizzate nei processi di separazione o assorbimento che coinvolgono componenti che reagiscono tra loro (ad esempio, l'assorbimento di anidride carbonica gassosa in soluzioni acquose di idrossido di sodio ).

Definizione

Per una miscela liquida di due componenti (chiamata miscela binaria ) ad una data temperatura e pressione , la volatilità relativa è definita come

${\displaystyle \alpha ={\frac {(y_{i}/x_{i})}{(y_{j}/x_{j})}}=K_{i}/K_{j}}$

dove:
${\displaystyle\alpha}$	= la volatilità relativa della componente più volatile rispetto alla componente meno volatile${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$
${\displaystyle y_{i}}$	= la frazione molare di equilibrio liquido-vapore del componente nella fase vapore ${\displaystyle i}$
${\displaystyle x_{i}}$	= la frazione molare di equilibrio liquido-vapore del componente nella fase liquida ${\displaystyle i}$
${\displaystyle y_{j}}$	= la concentrazione di equilibrio liquido-vapore del componente nella fase vapore ${\displaystyle j}$
${\displaystyle x_{j}}$	= la concentrazione di equilibrio liquido-vapore del componente nella fase liquida ${\displaystyle j}$
${\displaystyle (y/x)}$	= costante della legge di Henry (detta anche valore K o rapporto di distribuzione liquido-vapore ) di un componente

Quando le loro concentrazioni liquide sono uguali, i componenti più volatili hanno pressioni di vapore più elevate rispetto ai componenti meno volatili. Pertanto, un valore (= ) per un componente più volatile è maggiore di un valore per un componente meno volatile. Ciò significa che ≥ 1 poiché il valore maggiore del componente più volatile è nel numeratore e il più piccolo tra il componente meno volatile è nel denominatore. ${\displaystyle K}$${\displaystyle y/x}$${\displaystyle K}$${\displaystyle\alpha}$${\displaystyle K}$${\displaystyle K}$

${\displaystyle\alpha}$è una quantità senza unità. Quando le volatilità di entrambi i componenti chiave sono uguali, = 1 e la separazione dei due per distillazione sarebbe impossibile nelle condizioni date perché le composizioni della fase liquida e della fase vapore sono le stesse ( azeotropo ). Man mano che il valore di aumenta sopra 1, la separazione per distillazione diventa progressivamente più facile. ${\displaystyle\alpha}$${\displaystyle\alpha}$

Schema schematico di una tipica colonna di distillazione industriale su larga scala

Una miscela liquida contenente due componenti è chiamata miscela binaria. Quando viene distillata una miscela binaria, raramente si ottiene la separazione completa dei due componenti. Tipicamente, la frazione di testa dalla colonna di distillazione è costituita prevalentemente dal componente più volatile e una piccola quantità del componente meno volatile e la frazione di fondo è costituita prevalentemente dal componente meno volatile e una piccola quantità del componente più volatile.

Una miscela liquida contenente molti componenti è chiamata miscela multicomponente. Quando viene distillata una miscela multicomponente, la frazione di testa e la frazione di fondo contengono tipicamente molto più di uno o due componenti. Ad esempio, alcuni prodotti intermedi in una raffineria di petrolio sono miscele liquide multicomponente che possono contenere idrocarburi alcani , alcheni e alchini che vanno dal metano con un atomo di carbonio ai decani con dieci atomi di carbonio. Per distillare una tale miscela, la colonna di distillazione può essere progettata (ad esempio) per produrre:

• Una frazione di testa contenente prevalentemente i componenti più volatili che vanno dal metano (avente un atomo di carbonio) al propano (avente tre atomi di carbonio)
• Una frazione di coda contenente prevalentemente i componenti meno volatili vanno da isobutano (avente quattro atomi di carbonio) a decani (dieci atomi di carbonio).

Tale colonna di distillazione è tipicamente chiamata depropanizzatore.

Il progettista designerà i componenti chiave che regolano il progetto di separazione come propano come la cosiddetta chiave leggera (LK) e isobutano come la cosiddetta chiave pesante (HK) . In tale contesto, un componente più leggero significa un componente con un punto di ebollizione più basso (o una pressione di vapore più alta) e un componente più pesante significa un componente con un punto di ebollizione più alto (o una tensione di vapore più bassa).

Pertanto, per la distillazione di qualsiasi miscela multicomponente, la volatilità relativa è spesso definita come

${\displaystyle \alpha ={\frac {(y_{LK}/x_{LK})}{(y_{HK}/x_{HK})}}=K_{LK}/K_{HK}}$

La distillazione industriale su larga scala è raramente intrapresa se la volatilità relativa è inferiore a 1,05.

I valori di sono stati correlati empiricamente o teoricamente in termini di temperatura, pressione e composizioni di fase sotto forma di equazioni, tabelle o grafici come i ben noti grafici di DePriester . ${\displaystyle K}$

${\displaystyle K}$sono ampiamente utilizzati nella progettazione di colonne di distillazione su larga scala per la distillazione di miscele multicomponente in raffinerie di petrolio, impianti petrolchimici e chimici , impianti di lavorazione del gas naturale e altre industrie.

Guarda anche

• Distillazione continua
• Distillazione frazionata
• Distillazione sotto vuoto
• Colonna di frazionamento
• Diagramma di fase
• Piatto teorico
• Metodo McCabe–Thiele
• Equazione di Fenske
• Flash di equilibrio di un liquido multicomponente
• Volatilità (chimica)

Riferimenti

link esterno

• Teoria della distillazione di Ivar J. Halvorsen e Sigurd Skogestad, Norwegian University of Science and Technology (scorri fino a: 2.2.3 Valori K e volatilità relativa)
• Distillation Principals di Ming T. Tham, University of Newcastle upon Tyne (scorri fino a Relative Volatility)