CHEMIE A CHEMICKÉ TECHNOLOGIE (N150013) 3.r.

Transkript

1 L A B O R A T O Ř O B O R U CHEMIE A CHEMICKÉ TECHNOLOGIE (N150013) 3.r. Ústav organcké technologe (111) Ing. J. Trejbal, Ph.D. budova A, místnost č. S25b

2 Název práce : Vedoucí práce: Umístění práce: Rektfkace Ing. J. Trejbal, Ph.D. S25b Úvod Rektfkace je nejčastěj používaným procesem pro separac organcký látek. Je šroce využívána v průmyslu u velkokapactních jednotek ale laboratoř v preparatvním měřítku. Technolog chemckých specalt, jako jsou například farmaka, se v poslední době čím dál tím častěj rektfkace používá především k regenerac rozpouštědel (většna syntéz probíhá v rozpouštědle), což je žádoucí z hledska ekologe a snžování nákladů. DESTILACE je jednoduchý, jednostupňový proces založený na rozdílném složení kapalné a parní fáze, které jsou v rovnováze. Částečným odpařením kapalné směs a kondenzací vznklých par získáme destlát obohacený o těkavější složku a zbytek obohacený o složku méně těkavou. Vícenásobné opakování destlace s protproudým uspořádáním toku kapalny a pár je podstatou REKTIFIKACE. Z hledska provedení lze rektfkace rozdělt na kontnuální a vsádkové, přčemž obě tyto varanty mají své výhody a nevýhody. Kontnuální uspořádání je vhodné pro velkokapactní procesy, vsádkové se používá u malých výrob a především v laboratoř. Zařízení pro laboratorní rektfkac a základní pojmy Rektfkační zařízení se skládá z několka částí (obrázek 1). Hlava B1 kolony Kondenzátor Kolona Výplň kolony Pata kolony Vařák Obrázek 1 Základní součást rektfkačního zařízení Vařák je v laboratoř obvykle zastoupen destlační baňkou, opatřenou sondou pro měření teploty a topným hnízdem. Kondenzátor je tvořen zpětným chladčem, který umožňuje částečný odběr destlátu.

3 Kolona je tvořena skleněnou trubkou ve které je umístěna výplň. Obecně se jako výplň používají patra (přepážky které umožňují průchod par a kapalny, obrázek 2), sypaná výplň (kroužky, válečky a další vhodná tělíska s co největším povrchem a co nejmenším odporem prot proudění, obrázek 3) a v poslední době moderní orentovaná výplň (plechy nebo drátěné tkanny slsované do určtých tvarů, obrázek 4) Obrázek 2 Patrová kolona s naznačeným tokem par a kapalny Obrázek 3 Různé druhy sypané výplně Obrázek 4 Orentovaná výplň frmy Sulzer Typ výplně určuje účnnost kolony a tím účnnost rektfkace. Účnnost kolony je udávána v počtu teoretckých pater. Za teoretcké patro kolony považujeme takový úsek v rektfkační koloně, ve kterém dojde k ustavení rovnováhy mez složením kapalné a plynné fáze. Pro stanovení počtu teoretckých pater kolony se používají modelové bnární směs kapaln, pro něž je znám pops rovnováhy kapalna pára nejčastěj ve formě x y dagramů. Účnnost rektfkace dále záleží, také na provozních parametrech jako je zatížení kolony parou, tlak v koloně ale především na refluxním poměru R. Aby rektfkační zařízení správně fungovalo musí se neustále část kondenzátu vracet zpět do kolony. Poměr mez množstvím odebíraného destlátu a množstvím vracejícím se zpět do kolony se nazývá refluxní poměr R. Pokud je R = 0 (nc se nevrací), výplň není smočená, zařízení funguje jako obyčejná destlace. Pokud se R blíží nekonečnu (všechno se vrací) je dělení nejúčnnější, ale

4 neodebírá se žádný destlát. Reálná rektfkace je vždy kompromsem mez rychlostí odběru destlátu a refluxním poměrem. Rektfkační kolona by měla pracovat za adabatckých 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 laboratoř měl kolonu malého průměru a velké výšce, páry by kondenzoval jž v koloně. Kolona by se zahltla kapalnou a přetlakovala. Z tohoto důvodu je nutné kolony tepelně zolovat, nebo ztráty tepla do okolí kompenzovat přídavným vyhříváním pláště kolony. Posledním faktorem který ovlvňuje dělení látek jsou vlastnost separovaného systému látek a tedy rovnováha kapalna pára. Pro složení kapalné a parní fáze za konstantní teploty platí pro složku Raultův zákon ve tvaru: P y = γ x P P celkový tlak systému P parcální tlak složky za dané teploty y x γ molární zlomek složky v parní fáz molární zlomek složky v kapalné fáz aktvtní koefcent Aktvtní koefcent nabývá hodnoty 1 pokud se směs chová deálně (molekuly složek s v kapalné fáz navzájem neovlvňují). Pokud se směs nechová deálně (molekuly se ovlvňují v kapalné fáz například díky rozdílné polartě a tvorbě vodíkových můstků) může aktvtní koefcent nabývat hodnot od 0,01 až do několka tsíc. Závslost parcálního tlaku čsté složky na teplotě je nejčastěj popsována Antoneovou rovncí ve tvaru: ln P B = A ( C + T) A, B a C emprcké konstanty T teplota Úkol 1 Sledování destlační křvky ethanol voda př různých refluxních poměrech Do vařáku kolony se přpraví 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 pláště kolony na stanovené výkony a regulace odběru destlátu se přepne na totální reflux. Od okamžku kdy se pára dostane až do chladče na hlavě kolony se vyčká nejméně 10 mnut na ustálení teplot a koncentrací v koloně. Po ustálení nastavíme refluxní poměr postupně na hodnoty 1, 3 a 6. Destlát odebíráme po frakcích cca 50 ml, které zvážíme a změříme hustotu. U každé frakce zaznamenáváme čas odběru, teploty na začátku a na konc. Po odebrání 300 ml destlátu vypneme topení vařáku, sundáme topné hnízdo a až teplota ve vařáku klesne pod 60 C vrátíme všechen získaný destlát do vařáku a opakujeme měření s jným refluxním poměrem.

5 Výpočty: Ze změřené hustoty spočítáme molární zlomek ethanolu ve frakcích destlátu. Vzhledem k tomu, že koncentrace ethanolu ve frakcích je ntegrální hodnota za určtou dobu je nutné skutečnou koncentrac (okamžtou) získat výpočtem z následujícího vztahu: dx dd Et y Et = D + y Et D x Et x Et okamžtá molární koncentrace ethanolu v destlátu množství destlátu ntegrální molární koncentrace ethanolu v destlátu Dále ze známého množství destlátu za čas a jeho koncentrace spočítejte objemový průtok páry kolonou (L/s). Výsledkem práce je graf závslost okamžté koncentrace ethanolu v destlátu na množství destlátu za různých refluxních poměrů. Zároveň do tohoto grafu na vedlejší osu vyneste závslost objemového průtoku par kolonou na množství destlátu za různých refluxních poměrů. Úkol 2 Měření tepelné ztráty kolony a výkonu vařáku Do vařáku kolony se přpraví 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 destlátu se přepne na totální reflux. Od okamžku kdy se pára dostane až do chladče na hlavě kolony se vyčká nejméně 10 mnut 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 kádnky změří hmotnostní tok chladící vody. Pak se zapne horní část topení vařáku a po ustálení nejméně 10 mnut se celý postup zopakuje. Nakonec se zapne topení pláště kolony a opět se celý postup opakuje. Př každém expermentu je nutné znovu měřt průtok chladící vody, neboť tlak vody v sít 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 destlátu odebraného za určtý čas a jeho koncentrace spočítejte výkon potřebný na získání tohoto destlátu (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 koefcentu prostupu tepla ve vařáku př kompenzac ztrát tepla do okolí podle vztahu: Q = k( T t Tv) Q je tepelný tok (W m -2 ) k koefcent prostupu tepla (W m -2 K -1 )

6 T t T v teplota topení (K) teplota ve vařáku (K) Otápěnou plochu baňky spočítejte podle vztahu pro kulový vrchlík: S = 2 π r v S plocha vrchlíku r poloměr baňky v výška otápěné část baňky Úkol 3 - Vlv zatížení kolony param př konstantní refluxním poměru na destlační křvku směs heptan toluen Do vařáku kolony se přpraví 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 pláště kolony na stanovené výkony a regulace odběru destlátu se přepne na totální reflux. Od okamžku kdy se pára dostane až do chladče na hlavě kolony se vyčká nejméně 10 mnut na ustálení teplot a koncentrací v koloně. Po ustálení nastavíme refluxní poměr na hodnotu 2. Destlát odebíráme po frakcích cca 50 ml, které zvážíme a analyzujeme na refraktometru. U každé frakce zaznamenáváme čas odběru, teploty na začátku a na konc. Po odebrání 300 ml destlátu vypneme topení vařáku, sundáme topné hnízdo a až teplota ve vařáku klesne pod 60 C vrátíme všechen získaný destlát do vařáku a opakujeme měření s jným výkonem ve vařáku. Výpočty: Data změřená na refraktometru přepočítáme podle kalbrace na molární zlomky. Vzhledem k tomu, že koncentrace heptanu ve frakcích je ntegrální hodnota za určtou dobu je nutné skutečnou koncentrac (okamžtou) získat výpočtem z následujícího vztahu: dx Hep y Hep = D + y Hep D x Hep dd x Hep okamžtá molární koncentrace ethanolu v destlátu množství destlátu ntegrální molární koncentrace ethanolu v destlátu Dále ze známého množství destlátu za čas a jeho koncentrace spočítejte objemový průtok páry kolonou (L/s). Výsledkem práce je graf závslost okamžté koncentrace heptanu v destlátu na množství destlátu př různých výkonech ve vařáku. Zároveň do tohoto grafu na vedlejší osu vyneste závslost objemového průtoku par kolonou na množství destlátu př různých výkonech ve vařáku. Úkol 4 Stanovení složení azeotropckého bodu směs voda sopropylalkohol

7 Do vařáku kolony se přpraví směs sopropylalkohol voda o hmotnostní složení 95 % sopropylalkoholu a 5 % vody. Před zapnutím topení se PUSTÍ VODA DO CHADIČE na hlavě kolony!!! Poté se zapne topení vařáku pláště kolony na stanovené výkony a regulace odběru destlátu se přepne na totální reflux. Od okamžku kdy se pára dostane až do chladče na hlavě kolony se vyčká nejméně 20 mnut 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 destlát. Destlát odebíráme po frakcích cca 50 ml, které zvážíme a změříme hustotu. U každé frakce zaznamenáváme čas odběru, teploty na začátku a na konc. Po odebrání 300 ml destlátu 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 % sopropylalkoholu a 95 % vody. Opakujeme celý postup měření. Výpočty: Ze změřené hustoty spočítáme molární zlomek sopropylalkoholu ve frakcích destlátu. Vzhledem k tomu, že koncentrace sopropylalkoholu ve frakcích je ntegrální hodnota za určtou dobu je nutné skutečnou koncentrac (okamžtou) získat výpočtem z následujícího vztahu: dx Ipol y Ipol = D + y Ipol D x Ipol dd x Ipol okamžtá molární koncentrace sopropylalkoholu v destlátu množství destlátu ntegrální molární koncentrace sopropylalkoholu v destlátu Dále ze známého množství destlátu za čas a jeho koncentrace spočítejte objemový průtok páry kolonou (L/s). Výsledkem práce je graf závslost okamžté koncentrace sopropylalkoholu v destlátu na množství destlátu př různých násadách. Zároveň do tohoto grafu na vedlejší osu vyneste závslost objemového průtoku par kolonou na množství destlátu př různých násadách. První odebírané vzorky by měly složením odpovídat azeotropckému bodu. Data pro výpočty Šířka kolony 30 mm Závslost molárního zlomku heptanu ve směs heptan toluen je popsána tímto vztahem: y = -124,02 x ,37 x 2 689,97 x + 302,49 y molární zlomek heptanu x ndex lomu Tabulka 1 Závslost tepelné kapacty vody na teplotě C J/kg-K

8 0 3706, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2

9 Tabulka 2 Závslost výparných tepel na teplotě WATER IPOL ETHANO L HEPTAN TOLUEN E C kj/kmol kj/kmol kj/kmol kj/kmol kj/kmol 70, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Tabulka 3 Normální body varu látek ETHANO TOLUEN WATER IPOL L HEPTAN E C ,3 78,2 98,4 110,6

10 Tabulka 4 Hustoty systému voda ethanol pro různé teploty

11 Tabulka 5 Hustoty systému voda sopropylalkohol pro různé teploty