Rektifikace 1.
Úvod
Rektiíikace j e nejEastEji pouiívanfm procesem pro separaci organickf ch látek. Je Siroce vyuiívjna jak v chemické laboratoii, tak i v prbmyslu. S teoretickymi základy rektifikace jsou studenti seznamováni ve fyzikální chemii a chemickém inienfrství a pro tuto práci j sou piedpokládány znalosti získané v techto piedmetech. DESTILACE j e jednoduchy proces zaloieny na rozdílném slo2ení kapaliny a parní fáze, které jsou v rovnováze. CásteEnf ni odpaiením kapalné smgsi a koiidenzací takto vzniklych par získáme destilát obohaceny o tEkavEjSí sloiku a zbytek obohaceny o sloiku ménE tekavou. Vícenásobné opakování tohoto pochodu s protiproudym uspofádáníni toku kapaliny a par j e podstatou REKTIFIKACE. Je tieba si uvEdoniit, i e na kaidém patie kolony musí bft odebráno kondenzahí teplo par piicházejících z piedeSlého patra.
I. I. ÚCinnost rektifikace Na ÚEinnost oddElování látek rektifikací má vliv Fada parametrb, které mbieme rozdElit do tPí skupin:
1) vlastnosti separovaneho systému látek 2) ÚCinnost rektifikaEní kolony 3) teclmologické (provozní) parametry 1.1.I.Vlastnosti separovaného systému Iátek Rovnovciha kapalina-pára Mezi sloiením kapalné a parní fáze za konstantní teploty platí pro sloiku i obecnq vztah: O
p . = p I. 1
' 0I . =
p .O y . * x i 1
*
1
kde pi je parciální tlak par sloiky i, pio je tlak nasycenfch par Cisté sloiky i, a, je aktivita, yi je aktivitní koeficient, xi niolcirní zlomek sloiky i v kapaling.
Za pfedpokladu ideálního chování smi!si v parní fázi, kteIj je dobfe splnEn za neplíliS vysokych tlakb, platí Daltondv zákon:
Pi = P ' Y i rovnice II
kde p j e celkovy tlak, yi je molárni zlomek sloiky i v parní fázi. VgSe uvedeny vztah (1) pak nabyvá tvaru:
Pa y . * x y I. = 2. p i i rovnice III
V pfípadi! ideálního chování kapalné smEsi (yi = 1) pak dostáváme: O yi - -Pi* x i P
rovnice IV
K ~ p o C t utlaku nasycenych par Cisté látky pio se obvykle pouiívá Antoineova rovnice :
lnplo = Ai-
Bdci+t,
rovnice V
K urEení aktivitních koeficientfi se pouiívá iada empirickych rovnic nap?. Wilsonova, NRTL aj. Pro fadu binárních systémb je rnoiné parametry @Se uvedenych rovnic najít v literatuie. PIi popisu rovnováiného chování látek se setkáváme s pojmem relativní tekavost (a,,), která j e definovaná vztahem:
rovnice VI
kde A j e tekavEjSí sloika. Pro ideální chování je relativní tekavost rovna porneru tlakb nasycenych par Cistych sloiek pao/pno.Aby niohla byt separace látek rektifikací
uskuteEnGna, musí byt relativní tgkavost v&tSínei 1. ObecnE platí, i e Eím VySSí je relativní tEkavost, tim snazSí j e d&lenílátek rektifikací. Tlak v kolonE Tlak, kterj se pii konkrétní rektifikaci pouiívá, závisí na vlastnostech separovanfch látek. Pochopiteh& nejjednodugSí j e rektifikace za normálního tlaku. Ngkdy j e vSak vhodné pracovat za tlaku niigího, neb0 naopak VySSího. Hlavním kriteriem pro volbu tlaku je bod varu iádané látky a tepelná stabilita látek. V nEkterjch piípadech j e relativní tekavost látek závislá na teplote, respektive na tlaku pii rektifikaci. Potom lze volit vhodnf tlak i s ohledem na separovatelnost látek ve smEsi.
1.I .2.
ÚCinnost rektifikaeni koiony
PoEet teoretickqch pater Prdmyslové kolony lze rozdelit do dvou skupin - na kolony patrové a kolony s @plní. U patroech kolon se nejEast5ji pouiívají ventilová patra. Kolony s e p l n í mohou byt bud' se sypanou e p l n í napi. z Raschigovjch krouikfi, anebo s orientovanou vjplní napi. Mellapak. Uvedené vestavby zaj iSt'ují intenzivní e m g n u hmoty pi-i ustalování fázové rovnováhy. Za teoretické patro kolony povaiujeme t a k o e úsek v rektifikaEní kolone, ve kterém dojde k ustavení rovnováhy mezi sloiením kapalné a plynné fáze. PoEet teoretickych pater pak pi-edstavuje její ÚEinnost. Pro stanovení poEtu teoretickych pater kolony se pouiívají modelové binámí smgsi kapalin, pro nei j e znám popis rovnováhy kapalina - para nejEasteji ve form6 x - y diagramb. Zatíiení kolony (F-faktor) Ustavení rovnováhy mezi fázemi závisí na hydrodynamickjch podmínkách. ÚEinnost rektifikacní kolony, tj. poEet teoretickych pater, není tedy jen konstantou, ale závisí na zatíiení kolony parami. Tento vliv se vyjadiuje ve form& závislosti ÚEinnosti patra (u patroljch ko!on) resp. PoCtu teoretickych pater na jednotku @Sky vjpln& (u kolon s vjplní) na F-faktoru, ktery j e definován:
F =W - J P , rovnice VII kde W je rychlost prdtoku par vztaiená na cel9 pnZez kolony (m . s-') a pc je hustota par. Rychlost toku par mdieme vypoEítat ze vztahu W=V/S (V j e objem v m3 za jednotku Easu a S j e prdfez kolony v m2) a hustotu par mfiieme vyjádiit ze stavové rovnice ideálního plynu pG=p .Ms@ . T .1000) Tlak p je udáván v Pa, M, je stiední molární hmotnost smEsi v g/mol, R j e molární plynová konstanta, T je teplota par na hlav-5 kolony v Kelvinech. Sti-ední molární hmotnost smEsi j e pro dvousloikovy systém potítána ze vztahu M,=x, . M I + x2 . M,;
x, a x2 jsou molární zlomky první resp. druhé sloiky ve smEsi a M, a M, jsou molární hmotnosti v g/mol. Na hodnotu F-faktoru má tedy vliv piedevSím mnoiství par, které procházeji kolonou. I.I .3. Technologické parametry Pii provozování existující rektifikaEní kolony o urEité ú h n o s t i je m o k é ovlivnit delení látek refluxním pomzrem (R) a relativním mnoistvím destilátu (D/F).U kontinuálních kolon pak také polohou nastfikovaného patra.
1.2. Sdílení tepla s okolím RektifikaEní kolona by m d a pracovat za adiabatickfch podmínek a nemzlo by tedy docházet k .cjmenE tepla s okolím - ke ztrátám tepla. Toho nelze samozfejrng dosáhnout, ale nekteré priimy slové kolony se tomuto poiadavku blíií. Pokud bychom mEli v laboratoii kolonu o malém priimGru a velké vySce, páry by destilovali j i i v kolon5. Kolona by se zahltila a natlakovala. Z tohoto dfivodu je nutné kolonu tepelng izolovat, nebo ztráty tepla do okolí kompenzovat piídavnym vyhiíváním pláSti5 kolony.
2.
Cil práce 1) Seznámit se standardním laboratorním zaiízení pro periodickou rektifikaci organickych látek (toluen - n-heptan) za normálního tlaku pii tiech riiznych hodnotách F-faktoru za podmínek totálního refluxu. 2) Na základE rektifikace binární smesi toluen - n-heptan urCit poEet teoretickpch pater koíony s pouiitím programu MATLAB.
3.
Popis zafízení pro rektifikaci
Zaiízení se skládá z náplñové kolony, která je opatiena elektricky vyhFívanym topnym piáSt5m. Teplota v pláSti kolony je mclena eíektronickyrn teplorngrem s termoClánkem. Piíkon topného pláStE je regulován tyristoro\jm regulátorem. Kolona je spojena zábrusem s varnou balikou o objemu 2 1, která je opatlena teplomErem a zaiízením pro odbgr vzorku. Ohiev varné baizky je zajiSt’ován elektricky vyhiívanym topnym hnízdem, jehoi pfíkon j e regulován tyristorovym regulátorem. Na horni Eást kolony je piipojena hlava koíony s teplomerem a s elektromagnetickym lízením refluxního pomcru. Destilát se odebírá do bañky.
Elektromagnetick9 regulátor refluxniho pomgru sestává ze zdroje napetí 24 V, elektromagnetu, dvou piepinatid a dvou Easovych relé. Od site se odpojuje vypnutím jistiCe na rozvodné desce. PiepínaCe ovládají nastavení totálniho refluxu, totálního odbgru destilátu a piepnutí na urCitou hodnotu refluxniho pomgru, která se vSak nastavuje pomocí EasoTjch relé. Levé Easové relé ovládá interval z,, behem nehoi se kapalina z chladiEe odebírá jako destilát do ptedloiené bafíky. Pravé Casové relé ovládá interval z2, kdy kapalina z chladiCe stéká zpet do kolony jako reflux. Pro refluxní pomer R pak platí R=z2/z1.Intervaly z1 a z2 lze m h i t tak, i e je moino R nastavit v rozsahu cca 0,6 a i 100. Nastavená hodnota refluxního pomeru se porovná s hodnotou stanovenou z odberu destilátu pii nastaveném pomEru z,a z, 'a pi-i totálním odbEru destilátu.
4.
-
Systém toluen n-heptan
Pro sloiení kapalné a plynné fáze v systému toluen - n-heptan je na obr.1, kde je uvedena i rovnice popisující rovnováhu. ~ _ _ _ _ _ _ _ _
Rovnováha kapalina-pira pro systém n-heptan - toluen
obrázek 1: Rovnováha toluen - n-heotan za normálního tlaku
5.
Analyza vzorkfi
Analpza odebranych vzorkd pode provádgna refraktometricky . Index lomu smgsi látek závisí na charakteru a koncentracích jednotliy?ch látek. Indexy lome smgsí o riimém sloiení jsou uvedeny na obrázku 2.
Závislost indexu lomu na koncentraci toluenu 1 o99 0,8 0;7 0,6
-
y = -124,022 + 509,372 - 685,97x+ 302,49
-
obrázek 2: Zdvislost indexu lomu nu molárním zlomku toluenu
6.
Postup mi3ení /r
6.1. UrEení poetu teoretickych pater PoEet teoretickych pater se stanoví ze sloiení destilátu a obsahu vafáku kolony v ustáleném stavu pEi totáiním refluxu kolony . MEením se zjist’uje závislost poEtu teoretickych pater na zatíiení kolony parami, vyjádi-ené ve forme F-faktoru. Hodnota F-faktoru závisí na innoiství par, procházejících kolonou, které mhieme ovlivnit mnoistvím tepla dodanym do varné baiky topnfm hnízdem.
Varná bai% obsahuje na poEátku smEs o sloiení cca 90 YOtoluenu a 10 YOn-heptanu. K zabrán6ní utajeného varu musí byt ve varné bance varng kamínek, vidy n o e pied zaeátkem pokusu. VSechna hrdla varné bañky musí byt uzaviena. Po naplncní a uzavfení kolony se zapne topení pláStE kolony. Regulátor se nastaví tak, aby se teplota v pláSti ustálila asi na 100 O C . Behem ustalování teploty pláStE se pi-ezkouSí funkce magnetického regulátoru refluxního pomgru a nastaví se na totální reflux. Po ustálení teploty pláStG na poiadované teplot6 se pustí voda do chladiEe a zaEne se s oh?evem vai-&u. Regulátor pfíkonu topení nesmí byt nastaven na maximální hodnotu, nebot' by se smGs vaiila piíliS intenzivnE. Konkrétní hodnoty nastavení piíkonu topení budou sdEleny pii vlastním mefeni. Kdyi zaEne smEs ve varné bance vPít, páry postupng pronikají kolonou, ai se dostanou k chladiCi na hlav6 kolony. Pii ustalováni kolony se jednak ustavuje profil koncentrací látek podél kolony, jednak se ustaluje tepelny reiim kolony. Asi PO 30 minutách, kdy se ustavilo mnoiství par kondenzujících na hlav6 kolony, zm6ií se zatíiení kolony parami a odeberou se vzorky desíilátu a obsahu vaiáku. Magneticky regulátor refluxu se nastaví do polohy, pii n í i se veSkerj destilát odebírá do piedem zvá5ené bañky a to PO dobu 20 a i 60 s. - Regulátor se piepne zpgt do polohy totálního refluxu. Z hmotnosti odebraného destilátu se VypoEte zatíiení kolony parami (g . s-'). Takto odebran? destilát slouií souEasnE jako vzorek. InjekEní stEíkaEkou se pomocí zaiízení pro odbgr vzorkd odebere vzorek obsahu vafáku. Po 30 minutách se mEiení zopakuje. Jestliie vysledky analfz vzorkd vykazují shodu, pokraEuje se v mcieni pii dalSí hodnot6 topení vaiáku. Uvedeny postup se zopakuje tak, aby bylo zm6ieno d6lení pfi tfech rdznych zatíieních kolony parami. Stanovení poEtu pater pfi rdmém zatiiení kolony a pPi totálním refluxu se urEí s pomocí programu MATLAB. Do hlavního menu programu napíSeme zadání ve tvaru: n=rektifikace(molárni zlomek heptanu ve vakiku, molárni zlomek heptanu v destilátu)
6.2. Odstavení aparatury Po ukonEení mEiení neb0 v piípad6 potieby ,,havarijního odstavení kolony - napf. pPi zahlcení koiony - j e tieba kromc vypnutí topného hnízda, topné hnízdo oddálit od varné bañky pomocí zvedáku. Pfi ukonEení mefeni se dále vypne topení pláSt5 kolony. Regulátor refluxniho pomcru se piepne na totální reflux a pak se vypne vypnutím jistiEe. Po ochladnutí hlavy kolony asi na 40 O C j e moiné uzaviít piívod vody do chladiEe.
7. Zpracováni dat Pro kaidy nastavenq pfíkon topného hnízda uved'te alespofi dvc hodnoty sloiení destilátu odebranfch v intervalu 30 minut, které se od sebe vyznamne neliSí. Uved'te poEet teoretickych pater a odevzdejte spolu s grafem z programu MATLAB.
Pracovní postup a vysledky odevzdejte ve formátu dokumentu WORD.
8.
Data
tabulka 1 M (g/moi)
n.b.v. (“C)
Vniifníprhnt!r kolony 28 m m
Tohen
c7H8
92,1401
110,58
n-heptan
C7Hl6
100.2034
98,4
