VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Fakulta technologie ochrany prostředí
Ústav technologie ropy a alternativních paliv
VYSOKOÚČINNÁ DESTILACE DVOUSLOŽKOVÉ SMĚSI, VÝPOČET ÚČINNOSTI Laboratorní cvičení
ÚVOD Destilace je nejčastěji používaným procesem pro separaci organických látek. Je široce využívána jak v chemické laboratoři, tak i v průmyslu. S teoretickými základy destilace jsou studenti seznamováni ve fyzikální chemii a chemickém inženýrství a pro tuto práci jsou předpokládány znalosti získané v těchto předmětech. Destilace je jednoduchý proces založený na rozdílném složení kapalné a parní fáze, které jsou v rovnováze. Částečným odpařením kapalné směsi a kondenzací takto vzniklých par získáme destilát obohacený o těkavější složku a zbytek obohacený o složku méně těkavou. Vícenásobné opakování tohoto pochodu s protiproudým uspořádáním toku kapaliny a par je podstatou vysokoúčinné destilace. Pro provedení vysokoúčinné destilace je zapotřebí použít některý druh destilační kolony. Je třeba si uvědomit, že na každém patře destilační kolony musí být odebráno kondenzační teplo par přicházejících z předešlého patra. Druhy destilačních kolon Patrová – válcová nádoba s řadou pater, jejichž provedení je různé (přepadová, kloboučková patra atd.). Patra slouží k zadržení kapaliny a k zvýšení stykové plochy mezi kapalinou a párou, kde probíhá vlastní dělení směsi. Náplňová – funkce obdobná jako u patrových, ale místo pater je zde náplň např. z Raschingových, uložená na roštech. Části ochuzovací a obohacovací jsou od sebe odděleny, po náplni stéká kapalina proti parám, které stoupají vzhůru. Filmová – obdoba odparky s kapalinovým filmem. Nástřik se přivádí na rotující kotouč, který jej rozstříkne na stěnu pláště, kde se pomocí rotujících stíracích lopatek vytvoří rovnoměrný kapalinový film. Vzniklé páry se stýkají s kapalinovým filmem, který se obohacuje o méně prchavou látku a odtéká jako destilační zbytek. Terminologie nutná k pochopení problematiky Průtok par kolonou – množství par (m3) vstupujících do kolony za jednotku času (s). Maximální průtok par kolonou je takový, kdy kolona pracuje v ustáleném režimu bez zahlcování. Při totálním refluxu je průtok par kolonou roven toku refluxu. Teplota destilace – teplota par měřená na hlavě destilační kolony. Dynamická zádrž kolony – množství kapaliny (m3) zadržené za normálních podmínek destilace v destilační koloně. Refluxní poměr – poměr refluxu a odcházejícího destilátu. Páry, které dosáhnou hlavy kolony, kondenzují a vzniklá kapalina je rozdělena do dvou částí. Reflux (L) je vracen zpět do kolony a destilát (D) je odebírán jako produkt z kolony. Refluxní poměr (R = L/D) nabývá hodnot od nuly při nulovém refluxu (L = 0) do nekonečna při totálním refluxu (D = 0). Průtok destilátu – množství destilátu (m3) opouštějící destilační kolonu za jednotku času (s). Teoretické patro - kvalitu destilační kolony vyjadřujeme počtem teoretických pater (NT), což je počet kroků, které jsme provedli na rovnovážném diagramu 1
kapalina – pára (viz obr. 1). Jinými slovy, počet teoretických pater je počet ideálních destilací, které vedou ke stejnému rozdělení směsi, jaké bylo dosaženo na dané koloně za daných podmínek. Je však třeba poznamenat, že na skutečných patrech nedochází k ustavení ideální rovnováhy, což zapříčiňuje zejména trvalý odběr kondenzátu. Tím je počet teoretických pater poněkud nižší, než počet pater skutečných. Platí, že čím blíže jsou teploty varu jednotlivých směsí, tím větší počet teoretických pater je potřeba k dokonalému oddělení, jednotlivých složek.
Obr.1: Srovnání rovnovážných křivek a patrové kolony s ideálně pracujícími patry Účinnost skutečného patra (Ec)
𝐸𝐶 =
𝑁𝑇 𝑁𝑆
vzorec 1
NT – počet teoretických pater kolony NS - počet skutečných pater kolony Určování počtu teoretických pater kolony Nejběžnější způsob určení počtu teoretických pater destilační kolony je grafický za pomocí rovnovážných diagramů kapalina – pára. Vstupní kapalina o složení x1 na prvním teoretickém patře (TP) odpaří páru o složení y1. Ta zkondenzuje na kapalinu na druhém patře o složení x 2, přičemž x2 = y1. Znovu se odpaří a zkondenzuje, což pokračuje pravoúhlými kroky, až z vrcholu kolony odejde pára destilátu o složení yn. Počet pravoúhlých kroků udává 2
počet teoretických pater kolony. Postup je naznačen na obr. 2. Výhoda grafického způsobu spočívá v jeho obecné platnosti pro všechny typy roztoků, je však nutné znát rovnovážné údaje pro konstrukci diagramů.
1
yn
4. TP 3. TP
0,8
y1
y2
2. TP
1. TP
0,6
%) → y (mol. y→
0,4
0,2
0 0
0,2
0,4 x →x (mol. %) →
x1
0,6
x2
0,8
xn
1
Obr. 2: Grafický způsob určení počtu teoretických pater destilační kolony
Zatížení kolony (F-faktor) Ustavení rovnováhy mezi fázemi závisí na hydrodynamických podmínkách. Účinnost destilační kolony, tj. počet teoretických pater, není tedy jen konstantou, ale závisí na zatížení kolony parami. Tento vliv se vyjadřuje ve formě závislosti účinnosti
3
patra (u patrových kolon) resp. počtu teoretických pater na jednotku výšky výplně (u kolon s výplní) na F-faktoru, který je definován:
F W . G
vzorec 2
kde W je rychlost průtoku par vztažená na celý průřez kolony (m.s -1) a G (kg.m-3) je hustota par. Rychlost toku par můžeme vypočítat ze vztahu:
W
V S
vzorec 3
Kde V je průtok par v m3s-1 a S je průřez kolony v m2. Průtok par kolonou lze spočítat z průtoku kapaliny kolonou, hustoty par získané dle vzorce 6 a hustoty kapaliny získané dle vzorce 6. Hustotu par (kg.m-3) můžeme vyjádřit ze stavové rovnice ideálního plynu:
G
p.MS R.T .1000
vzorec 4
kde p je atmosférický tlak udávaný v Pa, MS je střední molární hmotnost směsi v g/mol, R je molární plynová konstanta, T je teplota par na hlavě kolony v Kelvinech. Střední molární hmotnost směsi je pro dvousložkový systém počítána ze vztahu:
M S x1 .M 1 x2 .M 2
vzorec 5
kde x1, a x2 jsou molární zlomky první resp. druhé složky ve směsi a M1, a M2, jsou molární hmotnosti v g/mol. Směsí se rozumí roztok odebraný na hlavě destilační kolony za ustáleného stavu destilace. Hustotu kapaliny o známém složení odhadněte podle vzorce 6. Pro zjednodušení uvažujte pro kapalnou fázi složení stejné jako složení směsi odebrané z destilační baňky. 𝜌𝑠 = 𝑥1 𝜌1 + 𝑥2 𝜌2
vzorec 6
Kde s je hustota směsi, x1 a x2 molární zlomky první resp. druhé složky a a jsou hustoty složek. Pro zjednodušení ve výpočtu použijte hustoty složek při 20 °C (683,8 kg.m-3 pro n-heptan a 867,0 kg.m-3 pro toluen) Na hodnotu F-faktoru má tedy vliv především množství par, které procházejí kolonou.
4
ZADÁNÍ PRÁCE 1)
Proveďte experimenty dělení standardní směsi na kloboučkové destilační koloně s různým zatížením.
2)
Vypočtěte počet teoretických pater kolony ze získaných experimentálních dat při různých zatíženích. Vytvořte tabulku výsledků a graf závislosti počtu teoretických pater na F-faktoru.
3)
Z počtu teoretických pater spočítejte účinnost skutečného patra použité destilační kolony v závislosti na zatížení kolony (F-faktoru). Vytvořte tabulku i grafickou závislost.
4)
Doplňující otázka: Jaký by byl potřeba počet teoretických pater pro dokonalé (úplné) rozdělení směsi?
PRACOVNÍ POSTUP 1)
Baňku pod destilační kloboučkovou kolonou naplňte 750 ml vzorku (přibližný poměr n-heptan/toluen = 50/50 obj.%). Do baňky vložte nový varný kamínek a opatrně nasaďte baňku na konec kolony a spojte svorkou. Pomalu a opatrně přibližte topné hnízdo k destilační baňce pomocí zvedáku. Během zvedání topného hnízda dbejte na to, aby baňka a hnízdo do sebe dobře zapadaly. Zasaďte do zábrusů v hlavě kolony a na destilační baňce teploměry a zkontrolujte uzavření kohoutu na výstup destilátu (= totální reflux). Pusťte chladící vodu do zpětného chladiče a zkontrolujte těsnost spojů.
2)
Zapněte topné hnízdo na výkon zadaný vedoucím práce. Počkejte, dokud nedojde k zahlcení kolony. Pomalu snižujte výkon hnízda, dokud nepřestane zahlcování kolony. Sledujte pokles tlakové ztráty na koloně a při zadaném výkonu topení udržujte destilaci. Zaznamenejte průtok par kolonou za těchto podmínek stopováním naplnění kalibrační baňky (=stanovení toku refluxu).
3)
Udržujte destilaci za nastavených podmínek po dobu 30 minut. Průběžně kontrolujte tok refluxu, tlakovou ztrátu na koloně a teploty na baňce a na hlavě kolony, případně jemně dolaďte výkon topení. Změřené hodnoty si zapisujte!!!
4)
Připravte si referenční směsi n-heptan/toluen o molárních koncentracích n-heptanu 100, 75, 50, 25 a 0 %. Změřte indexy lomu těchto směsí a pomocí počítače vytvořte závislost molárního zlomku n-heptanu ve směsi na indexu lomu. Vytvořte regresní rovnici, kterou budete používat v dalších bodech této práce.
5)
Po 30 minutách ustalování toku refluxu odeberte čistou injekční stříkačkou vzorek z destilační baňky (cca 0,2 ml) a současně i vzorek destilátu otevřením kohoutu na výstup destilátu. Na výstupu destilátu musí být připravena čistá injekční stříkačka. Před odběrem vždy změřte tok refluxu, tlakovou ztrátu na koloně a zaznamenejte teploty na baňce a na hlavě kolony a výkon topení destilační baňky. Nezapomeňte změřené výsledky zapisovat!!! U odebraných vzorků změřte index lomu (I) a pomocí regresní rovnice z bodu 4) stanovte molární zlomek n-heptanu. Tento postup opakujte tak dlouho v intervalech
5
15 minut, dokud nedojde k ustálení rovnováhy v destilační koloně (= složení obsahu baňky a složení destilátu se s časem nebude dále měnit). 6)
Zopakujte body 3) – 5) s jinými zátěžemi kolony (toky reflexu, tlakové ztráty kolony nebo výkon topení budou zadány na místě vedoucím práce).
7)
Po skončení práce vypneme pouze topení hnízda a pláště kolony. Jakmile klesne teplota na hlavě kolony na cca 40 °C, uzavřeme přívod chladící vody.
ZPRACOVÁNÍ PROTOKOLU Protokol bude členěn do následujících částí: 1)
Vytvoření závislosti obsahu n-heptanu (mol. %) ve směsi n-heptan/toluen na indexu lomu – vygenerování regresní rovnice.
2)
Tabulka změřených hodnot při různých zatíženích kolony. Tabulka bude obsahovat změřené indexy lomu a přepočtené složení odebíraných vzorků (molární zlomek n-heptanu), teploty na baňce a hlavě kolony a tok refluxu v ustáleném stavu kolony při dané tlakové ztrátě na koloně a použitém výkonu topení destilační baňky.
3)
Výpočet počtu teoretických pater kolony z experimentálních dat. V této části práce pomocí rovnovážného x-y diagramu vypočítejte počet teoretických pater kolony při různých zatíženích kolony. Výsledkem pro každé zatížení bude tabulka výsledků (složení kapalné a parní fáze na každém patře xi a yi) i graf obsahující rovnovážný x-y diagram a „schody“ dle obr. 2.
4)
Výpočet účinnosti použité destilační kolony v závislosti na zatížení kolony z počtu teoretických pater. Vytvořte tabulku i grafickou závislost.
5)
Zodpovězení doplňující otázky.
6
POSKYTNUTÁ DATA Tab. 1: Konstanty Antoinovy rovnice pro jednotlivé složky A B C
n-heptan 13,8744 2895,51 -53,97
toluen 13,9987 3096,52 -53,67
Tab. 2: Data k rovnovážnému x-y diagramu směsi n-heptan/toluen Molární zlomek n-heptanu (mol. %) Kapalná fáze (x) Plynná fáze (y) 0,0 0,0 2,5 4,8 6,2 10,7 12,9 20,5 18,5 27,5 23,5 33,3 25,0 34,9 28,6 39,6 35,4 45,4 41,2 50,4 44,8 54,1 45,5 54,0 49,7 57,7 56,8 63,7 58,0 64,7 69,2 74,2 84,3 86,4 94,0 94,8 97,5 97,6 99,4 99,3 100,0 100,0
Teplota (°C) 110,62 110,75 108,60 106,80 105,65 104,80 104,50 103,83 102,95 102,25 101,78 101,72 101,35 100,70 100,60 99,73 98,90 98,50 98,40 98,33 98,30
Okolní tlak = atmosférický tlak = 101325 Pa Vnitřní průměr kolony 22 mm. Počet skutečných pater kolony 40
7
