62
SZÁRÍTÁS
6.3. úbm), rajzoljuk be a sebességi görbén a szárítás szakaszait! Határozzuk meg az első és a második kritikus nedvességhez tartozó t időpontot és wsz nedvességtartalmati (A teljes szárazanyag tartalmat, számíthatink a m 0-ból, ha tudjuk, hogy a minta hány százalék vizet képes felveru1i, ennek ismerete nélkül közelítjük az m,-vel.)
63
DESZTILLÁCIÓ
7. BINER ELEGYEK GŐZ-FOLYADÉK EGYENSÚLYA; SZAKASZOS REKTIFIKÁLÁS JELLEMZÉSE
Mérés dátuma:
oc
Tft'1tés:
A desztilláció folyadékelegyek alkotórészeinek elválasztása az elegy részleges elgőzölögtetésével és az elkülönített (általában kondenzáltatott) gőz, valamint a folyadék-
Vizsgált anyag
Bemért tömeg
Szűrő
száma
Tégely tömege
(g)
m/(g)
Vizsgált anyag tömege (g) l. minta 2. minta
3. minta
l. minta 2. minta 3. minta Eltelt idő tJ(min) mo
o 5 10
l
15 20 25 30 35 40 45 50 55 ~
l l
l
állapotú maradék visszanyeréséveL Az eredeti elegy illékonyabb komponensei a gőzben, a kevésbé illékonyak a folyadékban dúsulnak fel. A gőz kondenzációjának eredményeként nyert folyadékot desztillátumnak, az el nem párologtatott folyadékot maradéknak nevezzük. A desztillációs elválasztás hatékonysága az alkotórészek termodinamikai tulajdonságaitól, elsősorban forráspontiától és a desztilláció megvalósításának módjától függ. Az elegyek képződése önként végbemenő folyamat, a komponensek elválasztása ezzel szemben energiabefektetést igényel, amit a desztilláció során általában hő formájában köz !ünk a rendszerrel. Az ideális elegyek képződését nem kíséri hőeffektus; ilyenkor a folyamat hajtóereje az entrópia növekedése (!J.S > 0). A reális elegyek képződése viszont többnyire hőfejlődés sel jár (M! < O), tehát a folyamatot kísérő szabadentalpia változás (!J.G = !J.H - T!J.S) méginkább negatív. Az elegy elválasztásához minimálisan a !J.G-nek megfelelő (a gyakorlatban ennél több) energiát kell befektetni. Rektifikálással hatékonyabb elválasztás érhető el, mint az egyszerű desztillációval, ugyanis ennek során a gőz folyamatosan, ellenáramban érintkezik a rektifikáló oszlop tetejéről visszafelé haladó folyadékkal. A kolonna mentén így több elegyösszetételnél is beáll a gőz-folyadék egyensúly; ezáltal az illékonyabb komponens(ek) jelentősen nagyobb feldúsulása érhető el a desztillátumban, mint az egyszeri desztillációnáL
7.1. A desztilláció elméleti alapjai A desztillációs műveletek és berendezések tervezéséhez és működtetéséhez a gőz folyadék egyensúlyok, a komponens- és hőátadás elméletéből kell kiindulni, kiegészítve az elválasztandó komponensek elegyének egyensúlyi adataival, melyek ismeretében az adott desztillációs folyamat anyag- és energiamédegei meghatározhatók.
60
6.5. Felhasznált és ajánlott irodalom a 6. fejezethez
7.1.1. Biner elegyek gőz-folyadék egyensúlya
Fonyó Zs. - Fábry Gy.: Vegyipari míívelettani alapismeretek, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998.
Kiindulásként vizsgáljuk egy kétkomponensű (biner) folyadékelegy egyensúlyának feltételét saját gőzfázisávaL A fázisok közötti komponensátmenet tekintetében ez az egyensúly is a kémiai potenciálok egyenlőségével fogalmazható meg:
Halász J.- Hmmus I.: A vegyLjJari és környezettechnikai nniveletek alapjai, JATEPress Kiadó, Szeged, 2005. Kaszatkin, A. G.: Alapmííveletek, gépek és készülékek a vegyiparban, Könyvkiadó, Budapest, 1976.
Ji] =Ji)
Műszaki
ahol
Jif
ill.
Ji)
(j=l,2)
(7.1)
a komponensek kémiai potenciálja a gőz-, illetve a folyadékfázisban.
'
64
DESZTILLÁCIÓ
DESZTILLÁCIÓ
65
A (7.1) egyenlet kifejtve:
(uJ
a·xl
r+RT
ln aJ
r
= (af + RT!n af
Y1
=
(7. 8)
l+(a-l)·x1
(7. 2)
amely nem más, mint az egyensúlyi görbe jól ismert egyenlete. itt a1 aj-edik komponens aktivitása a megfelelő fázisban. A kémiai potenciálok standard értékeit a standard fugacitásokkallehet kifejezni; az aktivirások pedig a máitörtekre vezethetők vissza. A j-edik komponens móltörtjét a folyadékban jelöljük .:~'l-vel, a gőzben pedig };-vel. Az előzőek figyelembevételével (7.2)-ből az
p yf1 ·x.1 R·Tin-= o R·Tin-g
P;
(7.3)
Y;'Y;
összefüggést kapjuk, ahol az egyes komponensek standard fugacitását a folyadékfázisban p (azaz aj-edik komponens egyensúlyi gőznyomása), a gázfázisban pedig p (a rendszer össznyomása) jelöli. A '}j aktivitási együtthaták közül a gázfázisra vonatkozóan (mérsékelt nyomáson)
rJ = 1 érvényes. (7.4) felhasználásával a (7.3)
0=1,2)
egyenletből
(7.4)
következik:
- o f P'Y;-P;·Y; ·x1
(7.5)
ami a jól ismert Raoult-Da/ton-törvény. Ideális elegyeknél a folyadékfázisra is igaz, hogy:
rf =l
0=1,2)
a relatív illékonyság jól lg a = 8' 9 . Tz -- .Tl Tz +Tl
becsülhető
a tapasztalati Rose(7. 9)
ahol T1 és T2 [K] az illékonyabb és a kevésbé illékony komponens abszolút n01mál fonáspontja (l O!325 Pa nyomásnál). Az ideális biner elegyek viselkedését a 7.1. ábra a sorában található diagramok szemléltetik. Reális elegyekben a komponensek molekulái között ható erők eltérnek attól, mint amelyek a tiszta anyagok molekulái között fellépnek. Ha az eltérő molekulák közötti kölcsönhatás kisebb, mint az azonosak közötti, akkor "pozitív eltérésről" beszélünk (7.1. ábra, b sor); ha viszont az eltérő molekulák közötti kölcsönhatás nagyobb, akkor ,;1egatív eltérésről" beszélhetünk. Nagyobb mértékű eltérésnél a gőznyomás, illetve a fonáspont görbéken mutatkozó szélsőérték ana utal, hogy a nemideális elegy azeotrópot képez. Mindezt pozitív eltérésnél a c, erős negatív eltérésnél a d sorozat szemlélteti a 7.1. ábrán. Az ideális viselkedéstől való· pozitív eltérés mértéke olyan nagy is lehet, hogy a két komponens korlátoltan elegyedő rendszert képez (e sor), vagy egyáltalán nem is oldódik egymásban (f sor). 7.1.2. Desztillációs módszerek
(7. 6)
Ezzel a feltétellel az ideális elegyekre érvényes a Raoult-törvény, azaz a komponensek parciális nyomása a gőzfázisban egyenesen arányos a folyadékfázisbeli móltörtekkel, ezáltal az elegy gőznyomása a folyadék összetételének lineáris függvénye. Biner elegy esetén tehát: o o (P1-P2 o o) ·x (7.7) p=pl+pz=Xl·plo +x2·p2=p2+ Megállapodás szerint az illékonyabb komponens legyenj=l; s mivel: Y2 =l - Y1 és x2 = l - x1
a (7. 7) összefüggésből az a= p~ l p~ (relatív illékonyság) bevezetésével az illékonyabb komponens móltörtje a gőzfázis ban:
Ideális elegyek esetén az összefüggéssel:
A desztilláció szakaszos és folytonos üzemben egyaránt megvalósítható. Mivel egyszeri desztillációval általában nem lehet a folyadékelegy komponenseit kellő mértékben elválasztani, célszerű az ennél jelentősen hatékonyabb, ellenáramú, többszöri érintkeztetéses műveletet alkalmazni. "Többszöri érintkeztetés" esetén ugyanis alkalmasan tervezetttányéros vagy töltetes - desztillációs oszlopokon elérhető, hogy az ellenáramban haladó gőz- és folyadékfázis között többször beáll az egyensúly. A gyakorlatban használatos desztillációs módszerek főbb jellemzr'\i a következők ben foglalhatók össze. Egyszerií szakaszos desztillációnál a kiforraló üstbe adott mennyiségű elegyet töltünk és fonalni kezdjük. A gőzt elvezetjük és kondenzáltalVa összegyűjtjük mindaddig, amíg a desztillátum (vagy a maradék) összetétele egy meghatámzott értéket el nem ér. Egyszeri[ folyamatos desztilláció (vagy flash desztilláció) végrehajtásánál a folyamatosan betáplált elegyet részlegesen elgőzölögtetjük (pl. csőkemencében); a kapott gözt és folyadékot pedig folytonosan elvezetjük. Ezt a műveletet a kőolajiparban alkalmazzák elterjedten.
66
DESZTILLÁCIÓ
1 a) l l
2
3
4
1 p~ t::f~::Jl-~ ~~--~~:y~--1 O~~·:: y."kZJX119 1
p
b)
T
.
l
pl ~
F
..._
műveletet ugyanúgy indítjuk, mint a
Ic) p~Tb='~'/0xlllgy~gy2 Igy
0
F
l
X l
l
ld) •~T6Jy't2J\~ l l
~
~~~)
O
x 1,y 1
x1 ,y 1
O
x1
O
l
lg
pl~~~~ lfL-:_2 TN{-dY,~ F
l
lf -
1
p -~::'\ _,;j
l
Ol
x ,y
~l T rO... x ,y 1
r---~
~--1
O
Pz
x 1,y 1
1
H
p
1
:=»
v
1
j
1 O
.
F',.
\
-
1
O~xl IgyOo·-----~-~------1 --------·-·---
l
.--·
. :i
X 1,y 1
i
O
szakaszos eljárásnál, de nem vesznek el termékeket; azaz teljes refluxot alkalmazunk mindaddig, míg az oszlopon nem áll be az állandósult állapot. Ezután kezdhetjük meg a kiindulási elegy folyamatos betáplálását az oszlop valamely közbenső pontján. Az oszlop felső végéről távozó gőzt kondenzáltatjuk, s ennek egy része kerül csak ret1uxként vissza a kolonnára, a másik részét desztillátumként elvezetjük; a kifonaló üstből pedig a maradékot vehetjük el folyamatosan. A müködés során kialakuló stacionárius állapotban a desztillátum és a maradék árama, valamint összetétele állandó. Jelen munka során a szakaszos rektifikálóoszlopok működését tanulmányozzuk, ezért csak ennek leírásával foglalkozunk részletesen.
R
M
7.2. ábra: Szakaszos rektifikáló berendezés
7.2. Szakaszos rektifikálás
i
l
Szakaszos rektifikálásnál a kiforraló üstben lévő elegyet forráspontig hevítjük, a gőzöket felfelé vezetjük a kolonnában, majd kondenzáltatjuk. A kondenzátum egy részét, a refluxot visszavezetjük az oszlop tetejére, a másik részét tennékként elvezegük. A rektifikálás t addig folytatj uk, míg a desztillátum vagy a maradék összetétele eléri az előírt értéket. A szakaszos rektifikálás a gyakorlatban kétféleképpen végezhető: (l) állandó desztillátum össze~ .---tétel és vátozó refluxarány; (2) változó desztillátum összetétel és állandó refluxarány mellett.
Folyamatos rektifikáláskor a
O~~--=-=-x-~__;::~=-;
~p,
67
DESZTILLÁCIÓ
xl
l
o
xl
l
7.1. ábra: Biner elegyek tipikus gőznyomás (l), fon·áspont (2), egyensúlyi (3) és aktivitási együttható (4) diagramjai
A 7.2. ábrán látható laboratóriumi rektifikáló oszlop működése csupán annyiban tér el a gyakorlatban alkalmazott berendezésekétől, hogy a desztilllátumot a kolonna megkerülésével visszavezegük a kiforraló edénybe; így a művelet során a kiindulási elegy mennyisége nem csökken, és összetétele sem változik. Mindez előfeltétele annal0,.hogy az adott berendezés működése során is kialakulhasson az időben állandósult (stacionárius) állapot, ami által tanulmányozha0uk, hogy különböző refluxarányokkal milyen desztillátum összetétel
érhető
el.
68
DESZTILLÁCIÓ
!)<,)
DESZTILLÁCIÓ Y1 = x2
Ezzel a folyadékkal van egyensúlyban a második tányért elhagyó Y2 összetétel ü gőz; a stacionaritás miatt azonban az is fennáll, hogy: Y2
=X.J
A harmadik tányérról felszáll, x 3-mal egyensúlyban lévő y3 összetételű gőz a hütő ben teljesen kondenzálódik, így a hűtőröl visszafolyó kondenzátum összetétele ezzel !esz azonos, azaz:
x.
Xo= )'3
y
Ez végül azt eredményezi, hogy az ideálisan működő, háromtányéros oszlopon az elegyből x 0 összetételü desztillátumot nyerünk. Nyilvánvaló továbbá, hogy stacionárius állapotban az Fi folyadékáramok megegyeznek egymással és a Ci gőzáramokkal is (Fi, ill. Ci: móláramok; i= 1,2,3). Az eddig elmondottak ideálisan működő tányéros oszlopokra érvényesek. Ismeretes azonban, hogy valós körülmények között általában nem áll be az egyensúly, azaz a gyakorlatban használatos tányérok hatásfoka (elválasztóképessége) kisebb, mint az ideális vagy elméleti tányéroké. A valós körülmények között működő berendezések elválasztóképességél a velük azonos elválasztist megvalósító ideális oszlop tányérjainak ne számával, az elméleti tányérszámmal szokás jellemezni. Vizsgáljuk meg teljes reflux alkalmazásamellett (desztillátumot nem vezetünk cl) a rektifikáló oszlop jellemző it. Az R reflux legyen:
x 8 koncentrációjú kiindulási
1.
ta nyer
F R=- (=oo) D 7.3. ábra: Ideálisan müködő tányéros oszlop munkamódja teljes reflux esetén 7.2.1. Rektifikáló oszlop elméleti tányérszámának meghatározása teljes refluxnál
A 7.3. ábrán látható ideális működésű háromtányéros szakaszos rektifikálóberendezés kiforraló edényébe töltsünk egy kétkomponensű ideális elegyet (az elegy egyensúlyi görbéje szintén megtalálható a 7.3. ábrán). Az illékonyabb komponens móltörtje a kiforraló edényben legyen x 8 , az innen felszálló gőzben pedig y8. Stacionárius állapotban az oszlop első tányé1ján a folyadék összetétele ez utóbbival egyezik meg, azaz Xj
=YB
Az első tányéiTól felszálló y1 koncentrációjú gőz egyensúlyban van az x 1 összetételű folyadékkal. A stacionárius működés felfogható úgy is, hogy az y1 koncentrációjú gőz kondenzátuma képezi a következő tányér folyadékát, tehát:
(7.10)
ahol F az oszlop ba visszavezetett kondenzátum árama, D pedig az elvezetett kondenzátum árama, a desztillátum. Itt kell megjegyeznünk, hogy a szakirodalomban reflux és a refluxarány fogalma sokszor keveredik, ez utóbbi megegyezik az általánosan definiált recirkulációs aránnyal:
F G
F
R R+l
r=-=--=--
D+F
(7. JI)
és teljes reflux esetén: r = l. Az eddigiek szerint tehát ha isme1jük a kifoiTalóedényben maradó anyag x 8 és a desztillátum x 0 koncentrációját, akkor ezeket az egyensúlyi diagramba berajzolva, a McCabe-Thiele módszer alkalmazásával megszerkeszthetjük az egyensúlyi görbe és az x= y egyenes közötti "lépcsőket". A 7.3. ábrán látható, hogy a háromtányéros ideális oszlopnál négy lépcső rajzolható be; ennek oka az, hogy a kiforralóedényből is egyensúlyi összetételü gőz távozik, s a szerkesztésben ez is lépcsőként mutatkozik. Az oszlop n, elméleti tányérszáma tehát eggyel kisebb, mint a lépcsők száma. (A gyakorlatban azonban
';()
DESZTILLÁCIÓ
ez TLindig kevesebb GZ adott tányéros oszlop n, valódi tányérszámánál.) Az n, elméleti- és az n, valóeli tányérszámok viszonya szalgáltatja a kol onna, illetve r; gy valóeli túnyér 17 hatásfokát. Rektifikáláshoz tányéros oszlopokon kívül töltetes vagy üres kolonnák is használhatók. Az x 8 és xv értékének ismeretében az előzőekkel azonos módon ezek elméleti tányérszáma is meghatározható, ezzel jellemezhetjük az adott berendezés elválasztóképességéL Ha a Löltetes (vagy üres) oszlop magasságát osztjuk az elméleti tányérszámmal, megkapjuk a HETP (Height Eqllivalent to one Theoretical Plate) egyenértékű tányérmagasságot Egy rektifikálóberendezés ne elméleti tányérszáma és HETP értéke függ a refluxaránytól, az elvúlasztandó elegy össszetételétől és anyagi minőségétől, töltetes oszlopoknál pedig elsősorban a töltet fajtájától, valamint méretétől. A tervezés szempontjából az is problémát jelent, hogy a HETP érték az oszlop terhelésétől (betáplálás i áram) és geometríájálól (átmérő) is függ.
illetve (mivel az anyagáramok állandóak, azokat nem indexelj ük):
A (7.12) és (7. 13) egycnletét:
összefüggésekből
F
Yn+l
(7.13)
kifejezhetjük az oszlop mwzkavonalának
D
= D+ F x" + D+ F
Xo
R
1
(7.15)
Yn+l= R+lx"+ R+lXo
A (7.15) egyenlettel az oszlop tányérjai között számíthatjuk a gőz összetételét a folyadék összetételének a függvényében, míg az egyes tányérokról egyensúlyi összetételű folyadék, illetve gőz távozik (ezt az értéket az egyensúlyi görbéről olvashatjuk le). Az egyensúlyi diagramban az m iránytangensű munkavonal, mint az a 7.4. ábrán látható, az ordinátát az A pontban metszi:
A=~
(7.16)
R+l
az y =x egyenest pedig abban a pontban, ahol: y1 = x0 A munkavonal iránytangense:
R R+l
Az előbbiekben feltételeztük, hogy az oszlop teljes reflux alkalmazásával működik. ,\ gyakorlatban azonban, amikor egy adott elegy elválasztása a cél, a desztillátumot folyamatosan el kell vezetnünk; azaz az oszlop valamilyen véges reflux mellett dolgozik. Ha az előbbi, háromtányéros ideális oszlopot tekintjük, akkor véges reflux eseténegyik tányérnál scm fog megegyezni az oda lecsorgó folyadék és az onnan felszálló gőz össszetétele. A gőz y és a folyadék x koncentrációját az oszlop bármely tányérján az anyagmédegek alapján lehet meghatározni. Ezek felírásához tételezzük fel, hogy az oszlop moláris anyagforgalma állandó, azaz az egyes tányérokon bekövetkező összetételváltozás ellenére sem a felszálló G" gőzáram, sem a lefolyó F" folyadékáram nem változik az oszlop mentén. Ilyen körűlmények között a meghatározható az oszlop két tányérja (n-edik és 11+ ledik) közölti anyagforgalom bruttó anyagmér!ege, illetve az illékonyabb komponens anyagmérlege: (7.12) G". 1 = F" +D
= Fx" + D·x0
71
m=--
7.2.2. Szükaszos rektifikáló oszlop elméleti tányérszáma véges rejluxnál
G·Yn+l
DESZTILLÁCIÓ
(7.14)
Osszuk el a (7.14) egyenletjobb oldalát D-vel, és használjuk fel a (7.10) összefüggést, s így a következő kifejezést kapjuk:
(7.17)
Meg kell jegyeznünk, hogy teljes reflr------~:::o~~ luxnál (R = végtelen, vagy r = l) a munkavonal egybeesik az egyensúlyi diagram átlól jával. l: Az eddigiek alapján numerikusan, l i l' vagy grafikusan meghatározható, hogy adott, yl l: véges refluxarány mellett, adott elméleti tányérszámú oszloppal milyen elválasztás érl! l hető el. l l: o0 A gyakorlatban a feladat inkább az, A l J-XD ' l ' li hogy adott x 8 összetétel ű elegyből valamilyen l l l l x0 koncentrációjú desztillátumot kell előállíl l l l tani, s az ehhez szükséges elméleti tányérszáXBXl X2 X3 XD l mot kell meghatározni. l Ebben az esetben úgy járhatunk el, !10gy xv figyelembe vételével kiszámítjuk a 7 .4. ábra: Ideális oszlop működése különböző refluxarányok mellett érvényes véges refluxnál munkavonalakat, és ezeket berajzoljuk az egyensúlyi diagramba. Ezután a desztillátum összetételéből (x 0 pont) kiindulva megszerkesztjük a lépcsőket az x 8 kiindulási összetételig. A 7.5 ábrán különböző refluxokhoz tartozó munkavonalakat ábrázol tunk, és a teljes refluxhoz tartozó lépcsőket is berajzoltuk. A 7.5. ábra alapján az is nyilvánvaló, hogy R értékét nem lehet tetszőlegesen csökkenteni, mert ha a munkavonal olyan mereclekségű, hogy az a kiindulási elegy x 8 összetételének megfelelő egyenest nem metszi az egyensúlyi görbe és az átló között, akkor a lépcsők már nem rajzolhaták be. Az Rmin szélsőértéket akkor kapjuk, ha a munkavonal az x = x 8 egyenest éppen az egyensúlyi görbén metszi (7.5. ábra, C pont). Az ilyen reflux mellett az elválasztáshoz szükséges elméleti tányérok száma végtelen, és ezért ezt az értéket mi-
l:
l
o
x
l
,l
~
1 DESZTILLÁCIÓ
72
nimális refluxnak nevezzük. Az R,11; 11 helye az egyensúlyi görbe alakjától, a kiindulási elegy x 8 összetételétől és a desztillátum előírt x 0 értékétől függ. Ha ábrázoljuk az elméleti tányérszám és a refluxarány közötti kapcsolatot, akkor, mint az a 7.6 ábrán látható,
7.1. táblázat: Folyadékok fontosabb fizikai adatai20°C-on
l ..---------::::::-
Relatív molekulatömeg
Sürűség (kg m 3)
FoJTáspont (OC)
no
hexán
86,16
659
68,7
1,3754
heptán
100,18
684
98,4
1,3876
~.l~
oktán
114,23
709
125,7
1,3975
't n ,,,.
ciklohexán ·
84,16
779
81,4
1,4290
benzol
78,11
879
80,1
1,5011
toluol
92,13
867
IIO,S
1,4969
metanol
32,02
793
64,7
1,3311
etanol
46,07
789
78,4
1,3624
l-propanol
60,09
804
97,2
1,3854
2-propanol
60,09
785
82,5
1,3736
l-butanol
74, !0
810
117,7
1,3993
2-butanol
74,10
808
99,5
1,3970
il'
t-butanol
74,10
786
82,0
1,3840
~~
dietil-éter
74,10
714
34,6
1,3497
aceton
58,07
792
56.5
1,3589
metil-etil-keton
72,10
805
79,6
1,3807
J:
etil-acetát
88,09
901
77,2
1,3722
]
kloroform
119,36
1499
61,3
Komponens '
yl
,,
~ .,:
>i:;·
0,5
~ !,
!
R= FID< 8 ~=
reflux esetén az adott elválasztáshoz szükséges elméleti tányérszám rohamosan növekszik.
~: :;·
0,95
1:
o ,jO
xno;s
xl
'~
l
7.5. ábra: Szakaszos rektifikálóoszlop munkavonalai különböző refluxoknál
n
Jr,'. 5
Az ábrán két szélsőérték található: _ - · vagy nagy reflux alkalmazásával és kis tá11 l nyérszámú oszloppal dolgozhatunk, vagy fordítva. A gyakorlatban többnyire kerülik a IS" ZO 1~ )o 0 S ID szélsőségeket, de lehetőleg magas, azaz nagy tányérszámú kolannákat alkalmaznak, hogy a desztillátum mennyisége a refluxhoz képest 7.6. ábra: Az ne és R közötti minél nagyobb lehessen. A hosszú oszlop kapcsolat építését ugyanis csak egyszer terheli a beruházási költség, a nagy refluxarány viszont a jelentősen nagyobb energiaszükséglet (fűtés + hűtés) miatt állandó működtetési költségtöbbletet igényel.
l mn
Rmin
73
DESZTILLÁCIÓ
R
7 .3. A gyakorlat kivitelezése 7.3.1. A feladat A munka során a gyakorlatvezető által kijelölt részfeladatokat kell elvégezni. Ezek három csoportba sorolhatók: (i) a refraktometriás mérés kalibrálása, (ii) gőz-folyadék egyensúlyi görbe meghatározása, és (iii) szakaszos rektifikáló berendezés üzemeltetéséhez kapcsolódó paraméterek meghatározása.
lll
1~ J~ !l'
~ ]·
ir 1'r:
1:, j
l
ll,'
l(
J: l
l
l. ~
l
l
l ,4464
_,,il
l ,4631
li li
szén-tetraklorid
153,8
1595
76,8
i
J ,2-diklór-etán
98,95
1257
83.5
1,44"t3
J
piridin
79,10
982
115,3
1,5092
víz
18,02
998
100,0
1,3333
'il i'
l
~~ l
'
-·i~
J'j[
l
l
DESZTILLÁCIÓ
DESZTILLÁCIÓ
74 7.3.2. Kísérteti munka 7.3.2.1. Refraktometriás kalibráló görbe meghatározása
A folyadékfázis és a (kondenzált) gőz összetétele refraktométerrel követhető. A kiadott feladattól függőerr V 1+V2 = 5, illetve 50 cm 3 összes térfogatú biner folyadékelegyeket, úgy, hogy azok az illékonyabb komponensre nézve a gyakorlatvezető által megadott összetételűek (célszerüen O, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 tf%) legyenelc Amennyiben a gyakorlatvezető utasítása szerint a gőz-folyadék adatokat számítanunk kell, úgy nincs szükség 50 cm 3 oldattérfogatok összemérésére. A törésmutatók kényelmesen meghatározhatók 5 cm 3 összes elegytérfogatból, amiket bUrettával vagy dugattyús pipettával közvetlenül egy-egy kémcsőben mérünk össze. A kémcsőből mintát véve a nuJoly törésmutatókat határozzuk meg. A komponensek sűrüségének és relatív molekulatömegének (7.1. táblázat) ismeretében a tf%-os összetételeket moltörtre (x 1) számítjuk át. Ennek függvényében ábrázolva az nvJaly törésmutatókat, megszerkesztjük a kalibrál ó görbét. Az adatok rendszerezésében a 7.2. mintatáblázat lehet segítségünkre. Ha a vizsgált biner elegy gőz-folyadék egyensúlyi görbéjét 7.3.2.2. szerint kell meghatároznunk, akkor a törésmutató-elegyösszetétel összefüggés meghatározása a következőképpen történik: az Erlenmayer-lombikokba elkészített 50 cm 3 összes térfogatú elegyek kis részletéből megmérjük az nu,foly törésmutatókat, majd az elegyeket a 7.3.2.2. pontban leírtak szerint használjuk fel az egyensúlyi adatok mérésére.
.,l
l'
:b i
'
t
;J'
J,.,
7.2. táblázat: A gyakorlat során mért, vagy számított paraméterek rendszerezésének egy lehetséges móclja. l. komponens tf%
Bemért olelattérfogat V, (cm 3) v 2 (cm 3)
x,
nD.foly
forráspont. (OC)
lln,göz
;;: ,1,
YI
',,l i 'i'' i!,
L___
7.3.2.2. Biner elegyek gőz~folyadék egyensú(vi görbéinek kísérteti meghatározása
l'
li~
l
Vizsgálatainkat a 7.7. ábrán látható készülékkel végezhetjük, ami a lombikmelegítőbcn elhelyezett háromnyakú gömblombikból (fonalóeclény), az ehhez csatlakozó gőz mintavevöből és h(ítőből áll. A kiforralóha merül be a folyaclék-mintavevő és a forráspont meghatározására szolgáló hőmérő. Adott nyomáson az egyensúlyi görbe meghatározásához minclen egyes egyensúlyi állaputban három adat: .x1, Yi és T8 összetartozó értékeit kell ismerni. Különös figyelmet kell fordítanunk arra, hogy az adatok meghatározásakor a gőz és a folyadék valóban egyensúlyban legyen egymással. A folyadékfázis és a (kondenzált) gőz összetétele refraktométenel követhető. Két büretta segítségével készítsünk V 1+V2 =50 cm 3 összes térfogatú folyadékelegyeket Er-
,,
'
q·
75
lenmeyer-lombikokba úgy, hogy azok az illékonyabb komponensre nézve a gyakorlatvezető által megadott összetételűek (célszerűen O, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 1 , tf%) legyenek. Ha megkaptuk a 7 .3.2.1 részfeladatot, akkor most határozzuk meg az ismert összetételű folyadékelegyek törésmutatóit. Ezután nyissuk meg hütővizet, és a fonalóedénybe töltsünk a vizsgálandó mintából a méréshez elegendő mennyiségü (kb. 50 cnl) folyadékot, tegyünk bele forrkövet és kezdjük el melegíteni. Az elegy forráspontjának elérésekor a képződő gőzbuboré koknak át kell haladniuk a folyadék teljes térfogatán, hogy lehetőség nyíljon az egyensúly elérésére. Ameddig a folyadék nem forr egyenletesen (kb. 3-4 perc), a kondenzálódó gőzöket a gőz-mintavevő csap elzárásával vezessük vissza a fonalóedénybe. Az egyenletes fonás állapotának elérése után olvassuk le a hőmérőt; majd a mintavevő csapot el3 fordítva vegyünk kb. l cm mintát a konclenzátumból, és mérjük meg a törésmutatóját (szobahőmérsékleten). Hagyjuk hűlni a készüléke!, és a folyadékfázisból is vegyünk mintát; ennek szintén mérjük meg a törésmutatóját, s a kalibrációs görbe alapján hatá7.7. ábra: Gőz-folyadék egyensúlyi rozzuk meg az összetartozó .x1, Yi kancentkészülék rációkat Ezután szárítsuk ki a készüléke!, és a többi eleggyel is végezzük el a mérést. A tiszta komponensek forráspontjaként ne az irodalmi értéket fogadjuk el, hanem az adott berendezésben ezt is határozzuk meg. Az egyensúlyi méréseket minden kiadott folyadékpánal végezzük el. Az eredményeket célszerü a 7 .2. mintatáblázatban megadott módon rendszerezni A táblázatban az l. index az illékonyabb folyadékkomponenst azonosítja. A táblázat utolsó oszlopában szerepel az illékonyabb komponensnek a lecsapott egyensúlyi gőz fázisbeli móltörtje, amit a mért no,göz értékből az előbb meghatározott refraktometriás kalibráló görbe segítségével számolunk ki.
,,' ~<
,,
;,
7.3.2.3. Biner elegyek gőz-folyadék egyensúlyi görbéjének számítása
l
v FJ
v
~~:-
i::
r
!'
1
A részfeladat során a gyakorlatvezető által kijelölt biner elegy komponenseinek fonáspontjai (ld. 7 .l. táblázat) alapján, a Rose-összefüggés segítségével (7. 9 egyenlet) kiszámítjuk az a relatív illékonyságot, majd a 7.8 összefüggést használva megszerkesztjük
l 76
DESZTILLÁCIÓ
a gőz-folyadék egyensúlyi görbét. 7.3.2.4. Szakaszos rektifikáló oszlop elméleti tányérszámának meghatározása
A 7.2. ábrán látható berendezés (töltetes rektifikáló berendezés) lombikmelegítőből, az (A) kifonalóedényből, amelybe az (E) folyadék-mintavevő nyúlik be, a cserélhető rektifikáló oszlopból és hütőkből, a (H) reflux-szabályzó szelepből, az (S) gőz-mintavevőből és az (M) clesztillátum-recirkulációs egységből áll. A kolonna fejhőmérsékletének mérésére szolgál a benyúló hőmérő, míg a (B) levegőztető szelep a rendszer nyitottságát biztosítja. Első lépésként a kifonalóedénybe töltsünk kb. 500 cn/ folyadékot úgy, hogy az illékonyabb komponens x8 koncentrációja célszerüen 0,3 - 0,4 körül legyen. Ezután ellenőrizzük a készülék összeszerelését, majd a hütővíz megnyitása után a kifonalóeclényben lévő elegy melegítésével indítsuk el a rektifikálást. Az oszlop elméleti tányérszámát először teljes reflux mellett határozzuk meg. Ilyenkor a (H) szelepet teljesen zárjuk el. A stacionárius üzemmód beállta után (kb. 60 perc) vegyünk mintát a kifonalóedényből a (E) mintavevővel, a desztillátumból pedig az (S) mintavevővel, úgy hogy a (H) szelepet megnyitjuk. A desztillációs maradék és a desztillátum összetételét refraktometriásan határozzuk meg, az előzőekben felvett kalibrációs görbe alapján. Ezután a (H) szelep nyitásával állítsunk be R = 10, majd R = 5 refluxot, és a stacionárius állapot elérése után ilyen körülményele között is határozzuk meg az x 0 és az xs értékét A refluxarány mérését cseppszámlálással végezhetjük, s ezen méréseknél az (S) mintavevőt úgy kell fordítani, hogy a desztillátum visszafolyhasson a kifonalóedénybe. Ezután a készüléket hagyjuk kihálni, majd a töltetes oszlopot cseréljük ki egy ugyanolyan hosszúságú üres kolonnára, és teljes reflux mellett az előzőekben ismertetett módon végezzük el a méréseket. 7.3.2.5. Stacianer állapot elérésének vizsgálata
Valamennyi folyamatos ipari technológia kritikus szakasza a berendezés indítása és felfuttatása a stacianer állapotig. Vizsgáljuk meg, hogy hogyan változik a desztillálóberendezésünk fejtermékének összetétele az idő függvényében! Ehhez a 7.3.2.4. szerint indítsuk el a rektifikálást, majd 5 percenként vegyünk mintát a fejtermékbőL A min. ták összetételét refraktometriásan határozzuk meg és ábrázoljuk az indítástól eltelt idő függvényében. A mintavételezést addig folytassuk, amíg 3 egymást követő fejtermék összetétel a mérés hibáján belül meg nem egyezik. Végezzük el a mérést teljes (R= oo) és véges (R- 5) reflux mellett is. Ábrázoljuk mindkét görbét, vizsgáljuk meg hogy a reflux változtatása hogyan befolyásolja a staeionaritás eléréséhez szükséges időt! 7.3.2.6. A rektifikáló oszlop anyagforgalmának vizsgálata
A 7.2. ábra szerinti desztilláló berendezés anyagforgalma a kifonaló üst fütőkö penyének elektromos teljesítményével befolyásolható. Állítsuk a szabályozó transzfor-
DESZTILLÁCIÓ
77
mátor kimenő teljesítményét a gyakorlatvezető által megaelott értékekre (pl. 40, 60 és RO %) és vizsgáljuk meg. hogy a nagyobb folyadék- és gőzáramok hatással vannak-e az oszlop elméleti tányérszámára. Ez a mérés mincl teljes, mind véges nagy reflux mellett elvégezhető. Ez a kísérlet jól kombinálható a 7.3.2.5. szerinti időfüggés-vizsgálattal is. A gyakorlat során fokozottan oda kell figyelni a kondenzátor megfelelő hütővíz ellátására. 7.3.3. A mérési eredmények értékelése
Az egyensúlyi mérések során kapott adatokat foglaljuk táblázatba, és ezek alapján szerkesszük meg az ideális és a nemideális elegy (l) kalibrációs görbéjét, (2) forráspont és harmatpont görbéjét, (3) egyensúlyi görbéjét.
A rektifikálásnál kapott adatokat is foglaljuk táblázatba, és az adott elegy egyensúlyi diagramjában szerkesszük meg a McCabe-Thiele féle lépcsőket, azaz határozzuk meg a töltetes és az üres oszlopoknál az egyes refluxokhoz tartozó ne elméleti tányérszámot, és az oszlopok hosszának ismeretében a HETP értékeket is.
7.4. Felhasznált és ajánlott irodalom a 7. fejezethez Földes P.- Fonyó Zs.: Rektifikálás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. Sattler, K.: Termikus elvcílasztcísi módszerek, Müszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. HalászJ.-Hannus I.: A vegyipari és környezettechnikai miíveletek alapjai, JATEPress Kiadó, Szeged, 2005.
