Referenzen
Dampf
Als Dampf bezeichnet man ein Gas, das im allgemeinen noch in Kontakt mit der flüssigen bzw. festen Phase steht, aus der es durch Verdampfung bzw. Sublimation hervorgegangen ist.
Dampf-Flüssig-Gleichgewicht
Mit der Zeit und sofern keine Störung auftritt, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem genauso viele Teilchen der flüssigen bzw. festen Phase in die gasförmige Phase übertreten, wie umgekehrt aus dem Gas zurückwechseln. Der Dampf ist dann gesättigt und wird auch als Brüden, Brodem oder Wrasen bezeichnet. Wie viele Teilchen von einer in die andere Phase wechseln, hängt unter anderem stark von Druck und Temperatur des betrachteten Systems ab. In der Technik spielt das Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bei thermischen Trennverfahren eine große Rolle (→Sättigungsdampfdruck, Raoultsches Gesetz).
Überhitzter Dampf
Trennt man die Gasphase von der zugehörigen flüssigen oder festen Phase, so ist es möglich, dem Dampf weiter Wärme zuzuführen, so dass man überhitzten Dampf erhält. Je stärker diese Erwärmung ist, desto weiter entfernt man sich von dem Bereich, in dem man noch von Dampf spricht, und nähert sich einem Verhalten das man dann als gasartig bezeichnet.
Kondensation
Kühlt man überhitzten Dampf langsam ab, wird irgendwann der so genannte Taupunkt erreicht, an dem der Dampf wieder gesättigt ist und bei weiterer Kühlung erneut zu einer Flüssigkeit kondensiert. Im Falle des direkten Überganges vom gasförmigen zum festen Zustand, also bei einer Resublimation, nennt man diesen Punkt Frostpunkt.
Kritische Temperatur
Ein Gas dessen Temperatur über der kritischen Temperatur liegt, ist nicht mehr kondensierbar. Hier ist keine flüssige Phase vorhanden und kann auch nicht durch hohen Druck erzeugt werden. Daher wird ein überkritischer Stoff nicht mehr als Dampf, sondern nur noch als Gas bezeichnet. Gebräuchlich ist außerdem der Begriff Fluid für einen überkritischen Stoff.
Dampf in der Alltagssprache
Während Dampf als Gas – abgesehen von Färbungen – unsichtbar ist, spricht man im Alltag bei Dampf meist von einer sichtbaren Mischung aus Luft und feinsten Flüssigkeitstropfen, wie er sich beispielsweise bei der Kondensation von Wasserdampf bildet. Der entsprechende Fachausdruck hierfür ist Aerosol oder Nassdampf, wobei man diese umgangssprachlich auch als Nebel oder Wolke bezeichnet.
Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht
Das Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht (zumeist als VLE bezeichnet nach englisch Vapour-Liquid Equilibrium) ist ein Phasengleichgewicht, bei dem sich eine Flüssigkeit und ein Dampf bzw. Gas im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Das Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Stoffmenge, die verdampft, der Stoffmenge entspricht, die kondensiert. Zudem ist das chemische Potential in beiden Phasen gleich.
Grundlagen
Ein Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht wird bei Reinstoffen durch die Größen Druck und Temperatur eindeutig bestimmt, bei Gemischen müssen noch die Zusammensetzungen der flüssigen und dampfförmigen Phase angegeben werden. Zusammensetzungen werden zumeist als Stoffmengenanteil (Molenbruch) angegeben, x für die flüssige Phase und y für die Dampfphase. Ein Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht existiert im Bereich zwischen dem Tripel- und dem kritischen Punkt. Der Druck, der sich im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht einstellt oder eingestellt wird, heißt Sättigungsdampfdruck.
Gemische
Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichte zeichnen sich dadurch aus, dass die Zusammensetzung der flüssigen und der dampfförmigen Phase sich zumeist unterscheiden. Dieser Effekt entsteht durch die unterschiedliche Flüchtigkeit und somit den unterschiedlichen Partialdruck der beteiligten Stoffe und wird in Trennverfahren, insbesondere der Rektifikation genutzt, um Gemische zu trennen. Der Leichtsieder reichert sich in der Dampfphase an, der Schwersieder hingegen in der flüssigen Phase. Die Rektifikation ist gegenwärtig das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Stofftrennung etwa in Erdölraffinerien. Systeme, in denen sich die Zusammensetzung nicht unterscheidet, heißen azeotrop und können durch Verdampfen nicht aufgetrennt werden.
Kenngrößen
Zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichts eines Gemisches sind eine Reihe von Kenngrößen definiert worden:
• Trennfaktor, der das Verhältnis der Sättigungsdampfdrücke der beteiligten
Komponenten beschreibt
• K-Faktor, der das Verhältnis der Stoffanteile einer Komponente in Dampf und
Flüssigkeit beschreibt
• Relative Flüchtigkeit, die das Verhältnis zweier K-Faktoren beschreibt
Diese Kennzahlen dienen alle dazu, auf eine einfache Weise erkennen zu können, ob eine Rektifikation in sinnvoller Weise durchzuführen ist.
Reinstoff-Gleichgewichte werden zumeist einfach als Temperatur-Druck-Diagramme dargestellt, häufig jedoch werden der Logarithmus des Drucks gegen den Kehrwert der Temperatur aufgetragen, da diese Darstellung annähernd eine Gerade ergibt.
Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichte werden zumeist bei konstanter Temperatur oder konstantem Druck experimentell bestimmt. Daher werden VLE binärer Gemische üblicherweise bei konstantem Druck als Temperatur gegen Zusammensetzung und bei konstanter Temperatur als Druck gegen Zusammensetzung in der flüssigen und der Dampfphase dargestellt. Die Konzentrationsangaben im Dampf werden dabei als Taulinie bezeichnet, während die Abfolge der Flüssigzusammensetzungen als Siedelinie bekannt ist. Eine alternativ gebräuchliche Darstellung ist die Auftragung der beiden Zusammensetzungen in Flüssigkeit und Dampf x gegen y.
Modellierung
Ein Reinstoff-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht lässt sich durch einfache, häufig aus der Clausius-Clapeyron-Gleichung abgeleitete Gleichungen wie etwa der Antoine-Gleichung beschreiben. Diese Gleichungen benutzen stoffspezifische Parameter, die an experimentelle Dampfdruckdaten angepasst wurden.
Ein Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht kann in erster Näherung durch das Raoultsche Gesetz beschrieben werden. Dies setzt jedoch ideales Verhalten der beteiligten Stoffe voraus. Zur Berücksichtigung der realen Verhaltens wird zumeist auf Aktivitätskoeffizienten-Modelle wie Non-Random-Two-Liquid-Modell (NRTL) oder UNIQUAC (Universal Quasichemical) zurückgegriffen, die die Gibbsche Exzessenergie beschreiben.
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Dampf-Flüssig-Gleichgewicht
Mit der Zeit und sofern keine Störung auftritt, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem genauso viele Teilchen der flüssigen bzw. festen Phase in die gasförmige Phase übertreten, wie umgekehrt aus dem Gas zurückwechseln. Der Dampf ist dann gesättigt und wird auch als Brüden, Brodem oder Wrasen bezeichnet. Wie viele Teilchen von einer in die andere Phase wechseln, hängt unter anderem stark von Druck und Temperatur des betrachteten Systems ab. In der Technik spielt das Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bei thermischen Trennverfahren eine große Rolle (→Sättigungsdampfdruck, Raoultsches Gesetz).
Überhitzter Dampf
Trennt man die Gasphase von der zugehörigen flüssigen oder festen Phase, so ist es möglich, dem Dampf weiter Wärme zuzuführen, so dass man überhitzten Dampf erhält. Je stärker diese Erwärmung ist, desto weiter entfernt man sich von dem Bereich, in dem man noch von Dampf spricht, und nähert sich einem Verhalten das man dann als gasartig bezeichnet.
Kondensation
Kühlt man überhitzten Dampf langsam ab, wird irgendwann der so genannte Taupunkt erreicht, an dem der Dampf wieder gesättigt ist und bei weiterer Kühlung erneut zu einer Flüssigkeit kondensiert. Im Falle des direkten Überganges vom gasförmigen zum festen Zustand, also bei einer Resublimation, nennt man diesen Punkt Frostpunkt.
Kritische Temperatur
Ein Gas dessen Temperatur über der kritischen Temperatur liegt, ist nicht mehr kondensierbar. Hier ist keine flüssige Phase vorhanden und kann auch nicht durch hohen Druck erzeugt werden. Daher wird ein überkritischer Stoff nicht mehr als Dampf, sondern nur noch als Gas bezeichnet. Gebräuchlich ist außerdem der Begriff Fluid für einen überkritischen Stoff.
Dampf in der Alltagssprache
Während Dampf als Gas – abgesehen von Färbungen – unsichtbar ist, spricht man im Alltag bei Dampf meist von einer sichtbaren Mischung aus Luft und feinsten Flüssigkeitstropfen, wie er sich beispielsweise bei der Kondensation von Wasserdampf bildet. Der entsprechende Fachausdruck hierfür ist Aerosol oder Nassdampf, wobei man diese umgangssprachlich auch als Nebel oder Wolke bezeichnet.
Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht
Das Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht (zumeist als VLE bezeichnet nach englisch Vapour-Liquid Equilibrium) ist ein Phasengleichgewicht, bei dem sich eine Flüssigkeit und ein Dampf bzw. Gas im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Das Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Stoffmenge, die verdampft, der Stoffmenge entspricht, die kondensiert. Zudem ist das chemische Potential in beiden Phasen gleich.
Grundlagen
Ein Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht wird bei Reinstoffen durch die Größen Druck und Temperatur eindeutig bestimmt, bei Gemischen müssen noch die Zusammensetzungen der flüssigen und dampfförmigen Phase angegeben werden. Zusammensetzungen werden zumeist als Stoffmengenanteil (Molenbruch) angegeben, x für die flüssige Phase und y für die Dampfphase. Ein Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht existiert im Bereich zwischen dem Tripel- und dem kritischen Punkt. Der Druck, der sich im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht einstellt oder eingestellt wird, heißt Sättigungsdampfdruck.
Gemische
Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichte zeichnen sich dadurch aus, dass die Zusammensetzung der flüssigen und der dampfförmigen Phase sich zumeist unterscheiden. Dieser Effekt entsteht durch die unterschiedliche Flüchtigkeit und somit den unterschiedlichen Partialdruck der beteiligten Stoffe und wird in Trennverfahren, insbesondere der Rektifikation genutzt, um Gemische zu trennen. Der Leichtsieder reichert sich in der Dampfphase an, der Schwersieder hingegen in der flüssigen Phase. Die Rektifikation ist gegenwärtig das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Stofftrennung etwa in Erdölraffinerien. Systeme, in denen sich die Zusammensetzung nicht unterscheidet, heißen azeotrop und können durch Verdampfen nicht aufgetrennt werden.
Kenngrößen
Zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichts eines Gemisches sind eine Reihe von Kenngrößen definiert worden:
• Trennfaktor, der das Verhältnis der Sättigungsdampfdrücke der beteiligten
Komponenten beschreibt
• K-Faktor, der das Verhältnis der Stoffanteile einer Komponente in Dampf und
Flüssigkeit beschreibt
• Relative Flüchtigkeit, die das Verhältnis zweier K-Faktoren beschreibt
Diese Kennzahlen dienen alle dazu, auf eine einfache Weise erkennen zu können, ob eine Rektifikation in sinnvoller Weise durchzuführen ist.
Reinstoff-Gleichgewichte werden zumeist einfach als Temperatur-Druck-Diagramme dargestellt, häufig jedoch werden der Logarithmus des Drucks gegen den Kehrwert der Temperatur aufgetragen, da diese Darstellung annähernd eine Gerade ergibt.
Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichte werden zumeist bei konstanter Temperatur oder konstantem Druck experimentell bestimmt. Daher werden VLE binärer Gemische üblicherweise bei konstantem Druck als Temperatur gegen Zusammensetzung und bei konstanter Temperatur als Druck gegen Zusammensetzung in der flüssigen und der Dampfphase dargestellt. Die Konzentrationsangaben im Dampf werden dabei als Taulinie bezeichnet, während die Abfolge der Flüssigzusammensetzungen als Siedelinie bekannt ist. Eine alternativ gebräuchliche Darstellung ist die Auftragung der beiden Zusammensetzungen in Flüssigkeit und Dampf x gegen y.
Modellierung
Ein Reinstoff-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht lässt sich durch einfache, häufig aus der Clausius-Clapeyron-Gleichung abgeleitete Gleichungen wie etwa der Antoine-Gleichung beschreiben. Diese Gleichungen benutzen stoffspezifische Parameter, die an experimentelle Dampfdruckdaten angepasst wurden.
Ein Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht kann in erster Näherung durch das Raoultsche Gesetz beschrieben werden. Dies setzt jedoch ideales Verhalten der beteiligten Stoffe voraus. Zur Berücksichtigung der realen Verhaltens wird zumeist auf Aktivitätskoeffizienten-Modelle wie Non-Random-Two-Liquid-Modell (NRTL) oder UNIQUAC (Universal Quasichemical) zurückgegriffen, die die Gibbsche Exzessenergie beschreiben.
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