ما الفرق بين قانون دالتون للضغوط الجزئية وقانون أميغات؟ دليل لمحطات التشغيل التجريبية

يعتمد قانون دالتون على الضغط، بينما يعتمد قانون أميغات على الحجم. في محطة تجريبية لفصل الطور الغازي، يحسب قانون دالتون الضغط الجزئي للمكون من كسر المولي والضغط الكلي، في حين يربط قانون أميغات حجم المكون النقي بكسره المولي وحجم الخليط الكلي. يعطي القانونان علاقات تكوين متكافئة لخليط الغاز المثالي، لكنهما يصفان كميات فيزيائية مختلفة ويدعمان قياسات وحسابات مختلفة.

**يجيب قانون دالتون على سؤال "ما مقدار الضغط الذي يساهم به كل مكون؟" بينما يجيب قانون أميغات على سؤال "ما الحجم الذي سيشغله كل مكون تحت ظروف الخليط؟". كلاهما موثوق للغازات المثالية، ولكن الضغط العالي، والحجم المولي المنخفض، والتفاعلات الجزيئية القوية تتطلب تصحيحات الغاز الحقيقي.

الاختلاف الجوهري بين القانونين

قانون دالتون يصف مساهمات الضغط

ينص قانون دالتون على:

[ P=\sum_i p_i ]

حيث (P) هو الضغط الكلي للغاز و (p_i) هو الضغط الجزئي للمكون (i).

بالنسبة لخليط غاز مثالي:

[ p_i=y_iP ]

حيث (y_i) هو الكسر المولي للمكون في الطور الغازي.

الضغط الجزئي هو الضغط الذي سيبذله المكون (i) إذا شغل حجم الخليط بالكامل عند نفس درجة الحرارة.

قانون أميغات يصف مساهمات الحجم

ينص قانون أميغات على:

[ V=\sum_i v_i ]

حيث (V) هو حجم الخليط الكلي و (v_i) هو حجم المكون النقي المرتبط بالمكون (i).

بالنسبة لخليط غاز مثالي:

[ v_i=y_iV ]

حجم المكون النقي هو الحجم الذي سيشغله المكون (i) بمفرده عند درجة حرارة الخليط وضغط الخليط الكلي.

ظروف المرجع مختلفة

هذا التمييز ضروري:

• دالتون: يُعتبر كل مكون عند درجة حرارة الخليط والحجم الكلي.
• أميغات: يُعتبر كل مكون عند درجة حرارة الخليط والضغط الكلي.

لذلك يستخدم القانونان حالات افتراضية مختلفة لتعريف خصائص مكوناتهما.

لماذا يتفق القانونان على خلائط الغاز المثالي

سلوك الغاز المثالي يجعل الضغط والحجم تراكميين

بالنسبة لخليط غاز مثالي:

[ PV=nRT ]

يمكن كتابة ضغط الخليط الكلي كالتالي:

[ P=\frac{nRT}{V} ]

بالنسبة للمكون (i):

[ p_i=\frac{n_iRT}{V} ]

بما أن (y_i=n_i/n):

[ p_i=y_iP ]

وبالمثل، فإن حجم المكون النقي عند الضغط الكلي هو:

[ v_i=\frac{n_iRT}{P}=y_iV ]

لذلك، بالنسبة للغازات المثالية:

[ \frac{p_i}{P}=\frac{v_i}{V}=y_i ]

وهذا هو السبب في أن الكسر المولي، وكسر الضغط، وكسر الحجم متساوية عدديًا تحت ظروف الغاز المثالي.

القانونان ليسا قابلين للتبديل في كل عملية حسابية

على الرغم من أن كلا القانونين ينتجان نفس كسر التكوين لخليط مثالي، إلا أنهما لا يقيسان نفس الشيء.

يستخدم مستشعر الضغط، أو المحلل، أو حساب التوازن عمومًا قانون دالتون. بينما يستخدم قياس التدفق الحجمي، أو حساب الإزاحة، أو ميزان حجم الغاز عمومًا قانون أميغات.

كيف يدعم قانون دالتون الفصل في المحطات التجريبية

الامتصاص والتجريد يعتمدان على الضغط الجزئي

في امتصاص الغاز، غالبًا ما يكون الضغط الجزئي للمذاب هو المتغير المحرك من جانب الغاز.

على سبيل المثال، إذا كان الغاز يحتوي على مذاب بكسر مولي (y_A)، فإن ضغطه الجزئي كغاز مثالي هو:

[ p_A=y_AP ]

تعتمد القوة الدافعة لنقل الكتلة على الفرق بين الضغط الجزئي للغاز الكلي والضغط الجزئي للتوازن عند واجهة الغاز والسائل.

وبالتالي، تؤثر الأخطاء في (p_A) على معدلات الامتصاص المتوقعة، ومتطلبات المذيب، وحسابات وحدة النقل، وكفاءة الإزالة.

تغيرات الضغط تغير القوة الدافعة للفصل

عند تكوين ثابت، تؤدي زيادة الضغط الكلي إلى زيادة الضغط الجزئي لكل مكون:

[ p_A=y_AP ]

يمكن أن يؤدي هذا إلى زيادة ذوبانية العديد من الغازات في الطور السائل وتغيير أداء الامتصاص.

ومع ذلك، فإن التأثير ليس عالميًا لأن سلوك التوازن، والتفاعل الكيميائي، ودرجة الحرارة، وخصائص المذيب تؤثر أيضًا على الامتصاص.

قانون دالتون مفيد لحسابات توازن الطور الغازي

تدخل الضغوط الجزئية عادةً في علاقات توازن البخار والسائل، وتوازنات التفاعل، ونماذج ذوبانية الغاز.

بالنسبة لتشغيل المحطة التجريبية، يمكن تحويل الضغط الكلي المقاس وتكوين الغاز إلى ضغوط جزئية للمكونات، بشرط أن يكون الغاز قريبًا بدرجة كافية من المثالية أو يتم تطبيق تصحيح الغاز الحقيقي.

كيف يدعم قانون أميغات تحليل الحجم والتدفق في المحطات التجريبية

يربط قانون أميغات كسر الحجم بالتكوين

تحت ظروف الغاز المثالي:

[ \frac{v_i}{V}=y_i ]

وبالتالي، فإن الغاز الذي يحتوي على 20% مول من المكون A يحتوي أيضًا على حوالي 20% من المكون A على أساس الحجم، وغالبًا ما يُكتب كـ 20% v/v.

هذه العلاقة مفيدة عندما تبلغ أجهزة قياس التدفق أو تحليلات الغاز عن التكوين الحجمي.

تتطلب قياسات التدفق الحجمي ظروفًا متسقة

يعتمد حجم الغاز بشكل كبير على درجة الحرارة والضغط.

عند مقارنة تدفقات الغاز الداخلة والخارجة في محطة تجريبية، يجب أن تُرجع جميع معدلات التدفق إلى ظروف متسقة، مثل درجة الحرارة والضغط الفعليين أو القياسيين أو العاديين.

استخدام قانون أميغات دون مطابقة ظروف المرجع يمكن أن ينتج معدلات تدفق غير صحيحة للمكونات وموازين مواد مضللة.

التحليل القائم على الحجم مفيد لتحجيم المعدات

سرعة الغاز، ووقت البقاء، وسعة الضاغط، وسلوك غمر العمود، وانخفاض الضغط هي كميات متعلقة بالحجم.

يساعد قانون أميغات في ربط حجم الغاز الكلي بمساهمات المكونات الفردية في خليط مثالي، لكن تصميم المعدات لا يزال يتطلب درجة حرارة التشغيل الصحيحة، والضغط، وأساس التدفق، وخصائص الغاز.

تطبيق القوانين في محطة تجريبية

استخدم قانون دالتون عندما يقود الضغط الحساب

يعد قانون دالتون عمومًا نقطة البداية المناسبة عند تقييم:

• القوى الدافعة للامتصاص من جانب الغاز.
• الضغوط الجزئية للمكونات.
• علاقات التفاعل أو التوازن في الطور الغازي.
• النفاذية الانتقائية أو فصل الغشاء.
• حسابات الذوبانية القائمة على ضغط الغاز.
• قياسات التكوين القائمة على الضغط.

بالنسبة للمكون (A):

[ p_A=y_AP ]

هذه المعادلة صالحة لخليط مثالي وغالبًا ما تكون تقريبًا مفيدًا عند الضغوط المعتدلة.

استخدم قانون أميغات عندما يقود الحجم أو التدفق الحساب

يعد قانون أميغات عمومًا أكثر صلة عند تقييم:

• معدلات التدفق الحجمي للمكونات.
• إزاحة الغاز أو تمدده.
• سرعة الغاز عبر العمود.
• وقت البقاء.
• موازين التغذية أو المنتج الحجمية.
• العلاقات بين النسبة المئوية المولية والنسبة المئوية للحجم.

بالنسبة للمكون (A):

[ v_A=y_AV ]

تنطبق النتيجة على حجم المكون النقي المحدد عند درجة حرارة الخليط والضغط الكلي.

استخدم كلاهما لميزان مواد كامل

قد تقيس محطة تجريبية تدفق الغاز الكلي حجميًا بينما يحكم أداء الفصل الضغط الجزئي.

في هذه الحالة، يساعد قانون أميغات في تحويل حجم الغاز المقاس إلى مساهمات تدفق المكونات، بينما يحول قانون دالتون التكوين والضغط الكلي إلى الضغوط الجزئية اللازمة لحسابات التوازن ونقل الكتلة.

فهم المقايضات

افتراضات الغاز المثالي تبسط التحليل

الفائدة الرئيسية لكلا القانونين هي البساطة.

فهي تسمح للمهندسين بحساب ضغوط وأحجام المكونات من الضغط الكلي، والحجم الكلي، والكسور المولية دون حل معادلة حالة الخليط الكاملة.

الضغط العالي يمكن أن يبطل الإضافة البسيطة

عند ضغوط التشغيل العالية أو الأحجام المولية المنخفضة، تكون الجزيئات قريبة بما يكفي لتصبح التجاذبات بين الجزيئات والحجم الجزيئي المحدود مهمة.

قد ينحرف الغاز بعد ذلك عن السلوك المثالي، ولا ينبغي افتراض أن مساهمات الضغط أو أحجام المكونات النقية تراكمية تمامًا.

انحرافات دالتون وأميغات ليست متطابقة بالضرورة

بالنسبة للخلائط الحقيقية، يمكن أن تنحرف الأوصاف القائمة على الضغط والقائمة على الحجم بطرق مختلفة.

قد لا يعود الضغط الجزئي مساويًا لـ (y_iP)، وقد لا يعود حجم المكون النقي مساويًا لـ (y_iV). وبالتالي، قد يكون تطبيق تصحيح غاز مثالي واحد بشكل عشوائي على كلا القانونين غير مناسب.

تغير درجة الحرارة يعقد كلا القانونين

غالبًا ما تحتوي أعمدة المحطات التجريبية، والضواغط، وحلقات المبخر، وأنظمة التجريد على تدرجات في درجات الحرارة.

نظرًا لأن علاقات الضغط والحجم تعتمد على درجة الحرارة، يجب أن تستخدم حسابات التكوين والتدفق ظروف التشغيل المحلية أو موازين المراحل والقطاعات المتكاملة بشكل صحيح.

قياسات التكوين لا تحدد معدلات التدفق تلقائيًا

معرفة الضغط الكلي وتكوين الغاز تحدد الضغوط الجزئية المثالية، لكنها لا تحدد بحد ذاتها التدفق المولي الكلي.

يتطلب معدل التدفق أيضًا قياس تدفق الحجم، أو قياس تدفق الكتلة، أو قيد التوازن، أو بيانات تشغيل مستقلة أخرى.

اتخاذ القرار الصحيح لهدفك

استخدم القانون الذي يتطابق مع المتغير الفيزيائي الذي يتحكم في حسابك.

• إذا كان تركيزك الأساسي هو الامتصاص، أو التجريد، أو توازن الطور الغازي: استخدم قانون دالتون لحساب الضغوط الجزئية للمكونات والقوى الدافعة للفصل.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو تدفق الغاز، أو وقت البقاء، أو تحجيم المعدات: استخدم قانون أميغات لربط أحجام المكونات والأحجام الكلية عند ظروف درجة حرارة وضغط متسقة.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو موازين مواد المحطة التجريبية: استخدم كلا القانونين، مع تحويل القياسات الحجمية إلى تدفقات مكونات قبل تطبيق نماذج التوازن أو نقل الكتلة القائمة على الضغط.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو التشغيل تحت ضغط عالٍ: عامل كلا القانونين كنقاط بداية للغاز المثالي وطبق معادلة حالة غاز حقيقي مناسبة أو تصحيحًا قائمًا على الهروب (fugacity).

القاعدة العملية بسيطة: ينظم قانون دالتون جانب الضغط من فصل الغاز، بينما ينظم قانون أميغات جانب الحجم؛ سلوك الغاز المثالي هو ما يجعل علاقات التكوين الخاصة بهما متوافقة.

جدول الملخص:

هل تخطط أو تقوم بترقية محطة تجريبية لفصل الطور الغازي؟ اتصل بـ LABPARK لمناقشة متطلباتك. توفر LABPARK محطات تجريبية لعمليات الوحدات التعليمية والمهنية للهندسة الكيميائية، والمعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات المعالجة البيئية والمياه. تساعد أنظمتنا الجامعات، ومعاهد البحوث، والمؤسسات على تدريب المشغلين، والتحقق من مفاهيم الفصل، وإجراء موازين موثوقة للمواد والطاقة، وتوسيع نطاق نتائج المختبر نحو العمليات الصناعية. يمكننا مساعدتك في اختيار تكوين المحطة التجريبية المناسب، والأجهزة، ومعدات مناولة الغاز، وضوابط التشغيل للامتصاص، والتجريد، وفصل الغشاء، وعمليات الوحدات ذات الصلة.

المنتجات ذات الصلة

• وحدة تجريبية تعليمية مزدوجة الأعمدة لفصل الغاز واحتجازه بمقياس مقعد
• مصنع تجريبي تعليمي لعمليات الوحدة لعرض فصل غير المتجانس بين الغاز والصلب
• مصنع تجريبي لامتصاص تأرجح ضغط الغاز متعدد المكونات لتعليم عمليات الوحدة
• مصنع تجريبي تعليمي لعمليات الوحدات لتحديد خلط الطور الغازي وتوزيع وقت الإقامة
• محطة تجريبية تعليمية لعمليات الوحدة باستخدام الامتصاص المتأرجح بالضغط

يسأل الناس أيضًا

• ما هي الاعتبارات الديناميكية الحرارية الرئيسية لنمذجة خلطات الغاز؟ دليل الخبراء
• لماذا تفشل حسابات الفلاش في مخاليط الغازات الخفيفة؟ تجنب أخطاء محاكاة المصانع التجريبية
• لماذا يعتبر قانون غراهام حاسماً لفصل الغازات في الوحدات التجريبية؟ إتقان تصميم العمليات الوحدوية
• ما هي مواد الأغشية الشائعة الاستخدام في وحدات فصل الغاز التجريبية، وكيف تتم إدارة تلوث الأغشية عادةً؟
• لماذا تعد معلمات التفاعل الثنائية ضرورية لمصانع فصل الغاز التجريبية؟ تجنب الأعطال المكلفة