LABORATOŘ
OBORU
CHEMIE A CHEMICKÉ TECHNOLOGIE (N150013) – 3.r.
Ústav organické technologie (111) Ing. J. Trejbal, Ph.D. budova A, místnost č. S25b
Název práce :
Rektifikace
Vedoucí práce: Umístění práce:
Ing. J. Trejbal, Ph.D. S25b
Úvod Rektifikace je nejčastěji používaným procesem pro separaci organický látek. Je široce využívána v průmyslu u velkokapacitních jednotek ale i laboratoři v preparativním měřítku. Technologii chemických specialit, jako jsou například farmaka, se v poslední době čím dál tím častěji rektifikace používá především k regeneraci rozpouštědel (většina syntéz probíhá v rozpouštědle), což je žádoucí z hlediska ekologie a snižování nákladů. DESTILACE je jednoduchý, jednostupňový proces založený na rozdílném složení kapalné a parní fáze, které jsou v rovnováze. Částečným odpařením kapalné směsi a kondenzací vzniklých par získáme destilát obohacený o těkavější složku a zbytek obohacený o složku méně těkavou. Vícenásobné opakování destilace s protiproudým uspořádáním toku kapaliny a pár je podstatou REKTIFIKACE. Z hlediska provedení lze rektifikace rozdělit na kontinuální a vsádkové, přičemž obě tyto varianty mají své výhody a nevýhody. Kontinuální uspořádání je vhodné pro velkokapacitní procesy, vsádkové se používá u malých výrob a především v laboratoři. Zařízení pro laboratorní rektifikaci a základní pojmy Rektifikační zařízení se skládá z několika částí (obrázek 1).
Hlava B1 kolony
Kolona
Kondenzátor
Výplň kolony
Pata kolony
Vařák
Obrázek 1 Základní součásti rektifikačního zařízení Vařák je v laboratoři obvykle zastoupen destilační baňkou, opatřenou sondou pro měření teploty a topným hnízdem. Kondenzátor je tvořen zpětným chladičem, který umožňuje i částečný odběr destilátu.
Kolona je tvořena skleněnou trubkou ve které je umístěna výplň. Obecně se jako výplň používají patra (přepážky které umožňují průchod par a kapaliny, obrázek 2), sypaná výplň (kroužky, válečky a další vhodná tělíska s co největším povrchem a co nejmenším odporem proti proudění, obrázek 3) a v poslední době moderní orientovaná výplň (plechy nebo drátěné tkaniny slisované do určitých tvarů, obrázek 4)
Obrázek 2 Patrová kolona s naznačeným tokem par a kapaliny
Obrázek 3 Různé druhy sypané výplně
Obrázek 4 Orientovaná výplň firmy Sulzer Typ výplně určuje účinnost kolony a tím i účinnost rektifikace. Účinnost kolony je udávána v počtu teoretických pater. Za teoretické patro kolony považujeme takový úsek v rektifikační koloně, ve kterém dojde k ustavení rovnováhy mezi složením kapalné a plynné fáze. Pro stanovení počtu teoretických pater kolony se používají modelové binární směsi kapalin, pro něž je znám popis rovnováhy kapalina – pára nejčastěji ve formě x – y diagramů. Účinnost rektifikace dále záleží, také na provozních parametrech jako je zatížení kolony parou, tlak v koloně ale především na refluxním poměru R. Aby rektifikační zařízení správně fungovalo musí se neustále část kondenzátu vracet zpět do kolony. Poměr mezi množstvím odebíraného destilátu a množstvím vracejícím se zpět do kolony se nazývá refluxní poměr R. Pokud je R = 0 (nic se nevrací), výplň není smočená, zařízení funguje jako obyčejná destilace. Pokud se R blíží nekonečnu (všechno se vrací) je dělení nejúčinnější, ale
neodebírá se žádný destilát. Reálná rektifikace je vždy kompromisem mezi rychlostí odběru destilátu a refluxním poměrem. Rektifikační kolona by měla pracovat za adiabatických podmínek a nemělo by tedy docházet k výměně tepla s okolím – ke ztrátám tepla. Toho nelze samozřejmě dosáhnout, ale některé průmyslové kolony se tomuto požadavku blíží. Pokud bychom v laboratoři měli kolonu malého průměru a velké výšce, páry by kondenzovali již v koloně. Kolona by se zahltila kapalinou a přetlakovala. Z tohoto důvodu je nutné kolony tepelně izolovat, nebo ztráty tepla do okolí kompenzovat přídavným vyhříváním pláště kolony. Posledním faktorem který ovlivňuje dělení látek jsou vlastnosti separovaného systému látek a tedy rovnováha kapalina – pára. Pro složení kapalné a parní fáze za konstantní teploty platí pro složku i Raultův zákon ve tvaru:
P yi = γ i xi P°i kde P
celkový tlak systému
P°i
parciální tlak složky za dané teploty
yi
molární zlomek složky v parní fázi
xi
molární zlomek složky v kapalné fázi
γi
aktivitní koeficient Aktivitní koeficient nabývá hodnoty 1 pokud se směs chová ideálně (molekuly složek s v kapalné fázi
navzájem neovlivňují). Pokud se směs nechová ideálně (molekuly se ovlivňují v kapalné fázi například díky rozdílné polaritě a tvorbě vodíkových můstků) může aktivitní koeficient nabývat hodnot od 0,01 až do několika tisíc. Závislost parciálního tlaku čisté složky na teplotě je nejčastěji popisována Antoineovou rovnicí ve tvaru:
ln P°i = Ai −
Bi (Ci + T )
kde Ai, Bi a Ci
empirické konstanty
T
teplota
Úkol 1 – Sledování destilační křivky ethanol – voda při různých refluxních poměrech Do vařáku kolony se připraví směs ethanol – voda o hmotnostní složení 10 % ethanolu a 90 % vody. Před zapnutím topení se PUSTÍ VODA DO CHADIČE na hlavě kolony!!! Poté se zapne topení vařáku i pláště kolony na stanovené výkony a regulace odběru destilátu se přepne na totální reflux. Od okamžiku kdy se pára dostane až do chladiče na hlavě kolony se vyčká nejméně 10 minut na ustálení teplot a koncentrací v koloně. Po ustálení nastavíme refluxní poměr postupně na hodnoty 1, 3 a 6. Destilát odebíráme po frakcích cca 50 ml, které zvážíme a změříme hustotu. U každé frakce zaznamenáváme čas odběru, teploty na začátku a na konci. Po odebrání 300 ml destilátu vypneme topení vařáku, sundáme topné hnízdo a až teplota ve vařáku klesne pod 60 °C vrátíme všechen získaný destilát do vařáku a opakujeme měření s jiným refluxním poměrem.
Výpočty: Ze změřené hustoty spočítáme molární zlomek ethanolu ve frakcích destilátu. Vzhledem k tomu, že koncentrace ethanolu ve frakcích je integrální hodnota za určitou dobu je nutné skutečnou koncentraci (okamžitou) získat výpočtem z následujícího vztahu:
yEt = D
dxEt + xEt dD
kde yEt
okamžitá molární koncentrace ethanolu v destilátu
D
množství destilátu
xEt
integrální molární koncentrace ethanolu v destilátu
Dále ze známého množství destilátu za čas a jeho koncentrace spočítejte objemový průtok páry kolonou (L/s). Výsledkem práce je graf závislosti okamžité koncentrace ethanolu v destilátu na množství destilátu za různých refluxních poměrů. Zároveň do tohoto grafu na vedlejší osu vyneste závislost objemového průtoku par kolonou na množství destilátu za různých refluxních poměrů. Úkol 2 – Měření tepelné ztráty kolony a výkonu vařáku Do vařáku kolony se připraví směs ethanol – voda o hmotnostní složení 5 % ethanolu a 95 % vody. Před zapnutím topení se PUSTÍ VODA DO CHADIČE na hlavě kolony!!! Poté se zapne spodní část topení vařáku, horní část a topení pláště kolony se zatím nechá vypnuté a regulace odběru destilátu se přepne na totální reflux. Od okamžiku kdy se pára dostane až do chladiče na hlavě kolony se vyčká nejméně 10 minut na ustálení teplot a koncentrací v koloně. Po ustálení se přepne regulátor refluxu na totální odběr a odebírá se vzorek cca 10 až 20 ml a měří se čas odběru. Zapíší se všechny hodnoty teplot včetně teplot chladící vody. Pak se pomocí kádinky změří hmotnostní tok chladící vody. Pak se zapne horní část topení vařáku a po ustálení nejméně 10 minut se celý postup zopakuje. Nakonec se zapne i topení pláště kolony a opět se celý postup opakuje. Při každém experimentu je nutné znovu měřit průtok chladící vody, neboť tlak vody v síti může kolísat. U každého odebraného vzorku změřte hustotu. Výpočty: Ze známého množství chladící vody a rozdílu jejích teplot na vstupu a na výstupu spočítejte výkon odevzdaný v kondenzátoru (W). Z množství destilátu odebraného za určitý čas a jeho koncentrace spočítejte výkon potřebný na získání tohoto destilátu (W). Tento výpočet proveďte postupně pro všechna zapnutá topení. Výsledkem práce jsou změřené výkony dvou topení vařáku a tepelná ztráta kolony a to jednak měřením teploty chladící vody na výstupu a jednak měřením průtoku par kolonou. Výsledky porovnejte a pokuste se odhadnou ztráty tepla do okolí u kondenzátoru. Konečným výsledkem práce je výpočet koeficientu prostupu tepla ve vařáku při kompenzaci ztrát tepla do okolí podle vztahu:
Q = k (Tt − Tv ) kde Q
je tepelný tok (W m-2)
k
koeficient prostupu tepla (W m-2 K-1)
Tt
teplota topení (K)
Tv
teplota ve vařáku (K)
Otápěnou plochu baňky spočítejte podle vztahu pro kulový vrchlík: S=2πrv kde S
plocha vrchlíku
r
poloměr baňky
v
výška otápěné části baňky
Úkol 3 - Vliv zatížení kolony parami při konstantní refluxním poměru na destilační křivku směsi heptan – toluen Do vařáku kolony se připraví směs heptan – toluen o hmotnostní složení 10 % heptan a 90 % toluen. Před zapnutím topení se PUSTÍ VODA DO CHADIČE na hlavě kolony!!! Poté se zapne topení vařáku i pláště kolony na stanovené výkony a regulace odběru destilátu se přepne na totální reflux. Od okamžiku kdy se pára dostane až do chladiče na hlavě kolony se vyčká nejméně 10 minut na ustálení teplot a koncentrací v koloně. Po ustálení nastavíme refluxní poměr na hodnotu 2. Destilát odebíráme po frakcích cca 50 ml, které zvážíme a analyzujeme na refraktometru. U každé frakce zaznamenáváme čas odběru, teploty na začátku a na konci. Po odebrání 300 ml destilátu vypneme topení vařáku, sundáme topné hnízdo a až teplota ve vařáku klesne pod 60 °C vrátíme všechen získaný destilát do vařáku a opakujeme měření s jiným výkonem ve vařáku. Výpočty: Data změřená na refraktometru přepočítáme podle kalibrace na molární zlomky. Vzhledem k tomu, že koncentrace heptanu ve frakcích je integrální hodnota za určitou dobu je nutné skutečnou koncentraci (okamžitou) získat výpočtem z následujícího vztahu:
yHep = D
dxHep + xHep dD
kde yHep
okamžitá molární koncentrace ethanolu v destilátu
D
množství destilátu
xHep
integrální molární koncentrace ethanolu v destilátu
Dále ze známého množství destilátu za čas a jeho koncentrace spočítejte objemový průtok páry kolonou (L/s). Výsledkem práce je graf závislosti okamžité koncentrace heptanu v destilátu na množství destilátu při různých výkonech ve vařáku. Zároveň do tohoto grafu na vedlejší osu vyneste závislost objemového průtoku par kolonou na množství destilátu při různých výkonech ve vařáku.
Úkol 4 – Stanovení složení azeotropického bodu směsi voda – isopropylalkohol
Do vařáku kolony se připraví směs isopropylalkohol – voda o hmotnostní složení 95 % isopropylalkoholu a 5 % vody. Před zapnutím topení se PUSTÍ VODA DO CHADIČE na hlavě kolony!!! Poté se zapne topení vařáku i pláště kolony na stanovené výkony a regulace odběru destilátu se přepne na totální reflux. Od okamžiku kdy se pára dostane až do chladiče na hlavě kolony se vyčká nejméně 20 minut na ustálení teplot a koncentrací v koloně. Po ustálení se přepne regulátor refluxu na totální odběr a odebírá se vzorek cca 10 až 20 ml u kterého se změří hustota. Pak nastavíme na regulátoru refluxní poměr 2 a odebíráme destilát. Destilát odebíráme po frakcích cca 50 ml, které zvážíme a změříme hustotu. U každé frakce zaznamenáváme čas odběru, teploty na začátku a na konci. Po odebrání 300 ml destilátu vypneme topení vařáku, sundáme topné hnízdo a až teplota ve vařáku klesne pod 50 °C obsah vařáku vylejeme do odpadních rozpouštědel a namícháme novou směs o hmotnostním složení 5 % isopropylalkoholu a 95 % vody. Opakujeme celý postup měření. Výpočty: Ze změřené hustoty spočítáme molární zlomek isopropylalkoholu ve frakcích destilátu. Vzhledem k tomu, že koncentrace isopropylalkoholu ve frakcích je integrální hodnota za určitou dobu je nutné skutečnou koncentraci (okamžitou) získat výpočtem z následujícího vztahu:
yIpol = D
dxIpol + xIpol dD
kde yIpol
okamžitá molární koncentrace isopropylalkoholu v destilátu
D
množství destilátu
xIpol
integrální molární koncentrace isopropylalkoholu v destilátu
Dále ze známého množství destilátu za čas a jeho koncentrace spočítejte objemový průtok páry kolonou (L/s). Výsledkem práce je graf závislosti okamžité koncentrace isopropylalkoholu v destilátu na množství destilátu při různých násadách. Zároveň do tohoto grafu na vedlejší osu vyneste závislost objemového průtoku par kolonou na množství destilátu při různých násadách. První odebírané vzorky by měly složením odpovídat azeotropickému bodu. Data pro výpočty Šířka kolony
30 mm
Závislost molárního zlomku heptanu ve směsi heptan – toluen je popsána tímto vztahem: y = -124,02 x3 + 509,37 x2 – 689,97 x + 302,49 kde y
molární zlomek heptanu
x
index lomu
Tabulka 1 Závislost tepelné kapacity vody na teplotě C
J/kg-K
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60
3706,0 3722,6 3739,7 3757,1 3774,8 3793,0 3811,5 3830,4 3849,8 3869,5 3889,6 3910,1 3931,1 3952,4 3974,2 3996,4 4019,1 4042,2 4065,7 4089,8 4114,2
Tabulka 2 Závislost výparných tepel na teplotě
C 70,0 71,3 72,5 73,8 75,0 76,3 77,5 78,8 80,0 81,3 82,5 83,8 85,0 86,3 87,5 88,8 90,0 91,3 92,5 93,8 95,0 96,3 97,5 98,8 100,0 101,3 102,5 103,8 105,0 106,3 107,5 108,8 110,0 111,3 112,5 113,8 115,0 116,3 117,5 118,8 120,0
ETHANO TOLUEN L WATER IPOL HEPTAN E kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol 42127 40593 39545 33820 35688 42075 40472 39454 33737 35620 42022 40351 39363 33653 35552 41969 40229 39271 33569 35483 41916 40107 39179 33485 35415 41862 39984 39087 33400 35346 41809 39860 38994 33315 35277 41755 39736 38900 33230 35208 41701 39611 38806 33144 35139 41646 39486 38712 33058 35069 41592 39359 38617 32971 34999 41537 39233 38522 32884 34929 41482 39105 38425 32797 34859 41426 38978 38329 32710 34789 41371 38849 38232 32622 34718 41315 38720 38134 32534 34647 41259 38590 38036 32445 34576 41202 38459 37937 32356 34504 41145 38328 37838 32266 34432 41088 38196 37738 32177 34360 41031 38063 37638 32086 34288 40974 37929 37536 31996 34216 40916 37795 37435 31905 34143 40858 37660 37332 31813 34070 40799 37525 37230 31721 33997 40741 37388 37126 31629 33923 40682 37251 37022 31536 33849 40622 37113 36917 31443 33775 40563 36974 36811 31349 33701 40503 36834 36705 31255 33627 40443 36694 36598 31161 33552 40382 36552 36491 31066 33477 40322 36410 36383 30971 33401 40260 36267 36274 30875 33326 40199 36123 36164 30778 33250 40137 35979 36054 30682 33173 40075 35833 35942 30584 33097 40013 35686 35830 30487 33020 39951 35539 35718 30388 32943 39888 35390 35604 30289 32865 39824 35241 35490 30190 32788
Tabulka 3 Normální body varu látek
°C
WATER 100
IPOL 82,3
ETHANO L HEPTAN 78,2 98,4
TOLUEN E 110,6
Tabulka 4 Hustoty systému voda – ethanol pro různé teploty
Tabulka 5 Hustoty systému voda – isopropylalkohol pro různé teploty
