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
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.
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
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.
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 )
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
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 3 + 509,37 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
0 3706,0 3 3722,6 6 3739,7 9 3757,1 12 3774,8 15 3793,0 18 3811,5 21 3830,4 24 3849,8 27 3869,5 30 3889,6 33 3910,1 36 3931,1 39 3952,4 42 3974,2 45 3996,4 48 4019,1 51 4042,2 54 4065,7 57 4089,8 60 4114,2
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 70,0 42127 40593 39545 33820 35688 71,3 42075 40472 39454 33737 35620 72,5 42022 40351 39363 33653 35552 73,8 41969 40229 39271 33569 35483 75,0 41916 40107 39179 33485 35415 76,3 41862 39984 39087 33400 35346 77,5 41809 39860 38994 33315 35277 78,8 41755 39736 38900 33230 35208 80,0 41701 39611 38806 33144 35139 81,3 41646 39486 38712 33058 35069 82,5 41592 39359 38617 32971 34999 83,8 41537 39233 38522 32884 34929 85,0 41482 39105 38425 32797 34859 86,3 41426 38978 38329 32710 34789 87,5 41371 38849 38232 32622 34718 88,8 41315 38720 38134 32534 34647 90,0 41259 38590 38036 32445 34576 91,3 41202 38459 37937 32356 34504 92,5 41145 38328 37838 32266 34432 93,8 41088 38196 37738 32177 34360 95,0 41031 38063 37638 32086 34288 96,3 40974 37929 37536 31996 34216 97,5 40916 37795 37435 31905 34143 98,8 40858 37660 37332 31813 34070 100,0 40799 37525 37230 31721 33997 101,3 40741 37388 37126 31629 33923 102,5 40682 37251 37022 31536 33849 103,8 40622 37113 36917 31443 33775 105,0 40563 36974 36811 31349 33701 106,3 40503 36834 36705 31255 33627 107,5 40443 36694 36598 31161 33552 108,8 40382 36552 36491 31066 33477 110,0 40322 36410 36383 30971 33401 111,3 40260 36267 36274 30875 33326 112,5 40199 36123 36164 30778 33250 113,8 40137 35979 36054 30682 33173 115,0 40075 35833 35942 30584 33097 116,3 40013 35686 35830 30487 33020 117,5 39951 35539 35718 30388 32943 118,8 39888 35390 35604 30289 32865 120,0 39824 35241 35490 30190 32788 Tabulka 3 Normální body varu látek ETHANO TOLUEN WATER IPOL L HEPTAN E C 100 82,3 78,2 98,4 110,6
Tabulka 4 Hustoty systému voda ethanol pro různé teploty
Tabulka 5 Hustoty systému voda sopropylalkohol pro různé teploty