215.1.9 - REKTIFIKACE DVOUSLOŽKOVÉ SMĚSI, VÝPOČET ÚČINNOSTI ÚVOD Rektifikace je nejčastěji používaným procesem pro separaci organických látek. Je široce využívána jak v chemické laboratoři, tak i v průmyslu. Destilace je založená 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 rektifikace. Zařízení, na kterém vlastní dělení složek probíhá, se nazývá rektifikační věž (kolona). Druhy rektifikačních 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. Raschingovy kroužky) 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 těkavou látku a odtéká jako destilační zbytek. Způsoby provozování rektifikace Kontinuální rektifikace je nejčastější způsob provozování destilace. Nástřik je přiváděn na kolonu do nástřikového patra, které rozděluje kolonu na ochuzovací a obohacovací část. Ochuzovací část je ukončena vařákem a obohacovací část je ukončena kondenzátorem. Vsádková rektifikace je používána na menší množství suroviny například v laboratořích a malých provozech. Směs je na počátku destilace vložena přímo do vařáku (destilační baňky). Rektifikační věž má tudíž pouze obohacovací část a objem vařáku je větší než u kontinuální rektifikace, protože obsahuje zásobu kapaliny na celou dobu procesu. Teorie nutná k pochopení problematiky vsádkové rektifikace Páry vznikající ve vařáku probublávají na jednotlivých patrech kapalinou přiváděnou z kondenzátoru. Výsledek kontaktu fází je ten, že směrem vzhůru v rektifikační věži roste koncentrace těkavější složky a klesá teplota fází. Celý proces je naznačený na obr. 1. Vstupní kapalina o složení x 1 (molární zlomek složky 1 v kapalné fázi) na prvním teoretickém patře (TP) odpaří páru o složení y 1 (molární zlomek složky 1 v parní fázi). Ta zkondenzuje na kapalinu na druhém patře o složení x 2, přičemž x 2 = y 1. Znovu se odpaří a zkondenzuje, což pokračuje pravoúhlými kroky, až z vrcholu kolony odejde pára destilátu o složení y n. 0
1 y1 y2 yn 0,8 1. TP 2. TP 3. TP 4. TP 0,6 0,4 y (mol. %) y 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 x x (mol. %) Obr. 1: Grafické řešení vsádkové rektifikace Refluxní poměr poměr refluxu (zpětného toku) 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 par kolonou množství par (m 3 ) 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 (m 3 ) zadržené za normálních podmínek destilace v destilační koloně. Průtok destilátu množství destilátu (m 3 ) opouštějící destilační kolonu za jednotku času (s). Určování počtu teoretických pater kolony při totálním refluxu Kvalitu destilační kolony vyjadřujeme počtem teoretických pater (N T), což je počet kroků, které jsme provedli na rovnovážném diagramu kapalina pára (viz obr. 1), abychom získali destilát o stejném složení, jaký odebíráme na hlavě kolony. Jinými slovy, počet teoretických pater je počet ideálních destilací, které vedou ke stejnému rozdělení směsi, jaké bylo dosaženo na dané koloně za x 1 x 2 x n 1
daných podmínek. Platí, že čím blíže jsou teploty varu jednotlivých směsí, tím větší počet teoretických pater je potřeba k dokonalému oddělení, jednotlivých složek. Nejběžnějším způsobem určení počtu teoretických pater destilační kolony je grafický výpočet za pomocí rovnovážných diagramů kapalina pára (viz obr. 1). Počet pravoúhlých kroků udává počet teoretických pater kolony. Výhoda grafického způsobu spočívá v jeho obecné platnosti pro všechny typy roztoků, je však nutné znát rovnovážné údaje pro konstrukci diagramů. Účinnost patra kolony Z počtu skutečných a teoretických pater destilační kolony lze podle rovnice 1 vypočítat účinnost patra kolony (E c). E C = N T N S, (1) kde NT počet teoretických pater kolony NS - počet skutečných pater kolony Zatížení kolony (F-faktor) Ustavení rovnováhy mezi fázemi závisí na hydrodynamických podmínkách v destilační koloně. Účinnost destilační kolony, resp. počet teoretických pater závisí na zatížení kolony parami. Zatížení kolony je závislé na podmínkách destilace a složení nástřiku a vyjadřuje se prostřednictvím F-faktoru, který je definován rovnicí 2: F W., (2) G 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 podle rovnice 3: V W, (3) S kde V je průtok par v m 3 s -1 a S je průřez kolony v m 2. Průtok par kolonou lze spočítat z průtoku kapaliny kolonou, hustoty par získané dle rovnice 4 a hustoty kapaliny získané také dle rovnice 6. Hustotu par (kg.m -3 ) můžeme vyjádřit ze stavové rovnice ideálního plynu rovnicí 4: p.m S G RT..1000, (4) kde p je atmosférický tlak udávaný v Pa, M S 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 z rovnice 5: x. M x M (5) M S 1 1 2. 2 kde x 1, a x 2 jsou molární zlomky první resp. druhé složky ve směsi a M 1, a M 2, jsou molární hmotnosti v g/mol. Směsí se rozumí roztok odebraný na hlavě destilační kolony za ustáleného stavu destilace. Hustotu kapaliny o známém složení lze odhadnout pomocí rovnice 6. Pro zjednodušení uvažujte pro kapalnou fázi složení stejné jako složení směsi odebrané z destilační baňky. ρ s = x 1 ρ 1 + x 2 ρ 2 (6) kde s je hustota směsi, x 1 a x 2 molární zlomky první resp. druhé složky a 1a 2 jsou hustoty složek. Pro zjednodušení ve výpočtu použijte hustoty složek při teplotě 100 C (612,4 kg m -3 pro n-heptan a 789,9 kg m -3 pro toluen). 2
ZADÁNÍ PRÁCE - Nalezněte závislosti indexu lomu směsi n-heptanu a toluenu na obsahu n-heptanu ve směsi. - Proveďte experimenty dělení standardní směsi n-heptanu a toluenu na kloboučkové destilační koloně s různými výkony topení. - Ze získaných experimentálních dat vypočtěte počet teoretických pater kolony při různých zatíženích. Z počtu teoretických pater spočítejte účinnost skutečného patra použité destilační kolony. Vytvořte tabulku výsledků a graf závislosti účinnosti patra na zatížení kolony (F-faktoru). - Rozhodněte, jaký by byl potřeba počet teoretických pater pro dokonalé (úplné) rozdělení směsi? POTŘEBY PRO PRÁCI Aparatura rektifikační kolona destilační baňka 1000 ml, zábrus NZ 29/32 kalibrovaný nástavec na destilační baňku destilační hlava teploměr topné hnízdo 1000 ml regulátor topného hnízda regulátor vytápění kolony střička na toluen střička na n-heptan refraktometr vialky se šroubovacími víčky injekční stříkačky 2 ml buničitá vata a/nebo papírové čistící ubrousky Chemikálie toluen p.a. n-heptan p.a. 2 ks asi 500 ml asi 500 ml PRACOVNÍ POSTUP Příprava aparatury: Destilační baňku naplňte 750 ml vzorku (přibližný poměr n-heptan/toluen = 50/50 v/v). Do baňky vložte nový varný kamínek, opatrně ji nasaďte na spodní konec kolony a spojte svorkou. Pomalu a opatrně přibližte topné hnízdo k destilační baňce pomocí zvedáku. Zasaďte do zábrusů na hlavě kolony a na destilační baňce teploměry a zkontrolujte uzavření kohoutu na výstupu destilátu. Pusťte chladící vodu do zpětného chladiče a zkontrolujte těsnost spojů. Referenční měření indexů lomu: Tento bod začněte provádět až po spuštění kolony. Připravte si referenční směsi n-heptan/toluen o molárních koncentracích n-heptanu 100, 75, 50, 25 a 0 % obj. Změřte indexy lomu těchto směsí a vytvořte závislost molárního zlomku n-heptanu ve směsi s toluenem na indexu lomu. Vytvořte regresní rovnici, kterou budete používat v dalších bodech této práce. Spuštění kolony: Zapněte topné hnízdo na výkon zadaný vedoucím práce a zapněte topení pláště kolony. Sledujte průběh destilace a zabraňte zahlcení kolony postupným snižováním výkonu hnízda. Odběry vzorků: V okamžiku počátku kondenzace destilátu na hlavě kolony odeberte čistou injekční stříkačkou vzorek z destilační baňky (cca 0,2 ml) a současně i vzorek destilátu otevřením kohoutu na výstupu destilátu. U odebraných vzorků změřte index lomu (I). Pomocí lineární regrese 3
vytvořené na základě referenčních indexů lomu stanovte molární zlomek n-heptanu. Tento postup opakujte v intervalech 10 minut tak dlouho, dokud nedojde k ustálení rovnováhy v destilační koloně (tj. složení obsahu baňky a složení destilátu se s časem nemění). Po ustálení rovnováhy destilace změřte tok kapaliny z kondenzátoru, tlakovou ztrátu na koloně a zaznamenejte teploty v baňce a na hlavě kolony a výkon topení hnízda. Nezapomeňte změřené výsledky zapisovat. Změna zatížení kolony: Změňte výkony topení kolony podle pokynů vedoucího práce a zopakujte odběry vzorků s jiným zatížením kolony. Ukončení měření: Po skončení práce vypněte pouze topení hnízda a pláště kolony. Jakmile klesne teplota na hlavě kolony na cca 40 C, uzavřete přívod chladící vody. POŽADAVKY NA PROTOKOL 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 průběžné změřené indexy lomu a přepočtené složení odebíraných vzorků (molární zlomek n-heptanu) při ustalování rovnováhy destilace, teploty v baňce a na hlavě kolony a tok refluxu v ustáleném stavu destilace 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 (viz data v tab. 1) vypočítejte počet teoretických pater kolony při různých zatíženích kolony v ustáleném stavu destilace. Výsledkem pro každé zatížení bude tabulka výsledků (složení kapalné a parní fáze na každém patře x i a y i) i graf obsahující rovnovážný x-y diagram a schody dle obr. 1. 4) Výpočet účinnosti použité destilační kolony v závislosti na zatížení kolony z počtu teoretických pater. Vytvořte tabulku i grafickou závislost. 5) Zodpovězení otázky ze zadání. 4
POSKYTNUTÁ DATA Tab. 1: Data k rovnovážnému x-y diagramu směsi n-heptan/toluen Molární zlomek n-heptanu (mol. %) Kapalná fáze (x) Plynná fáze (y) Teplota ( C) 0,0 0,0 110,62 2,5 4,8 110,75 6,2 10,7 108,60 12,9 20,5 106,80 18,5 27,5 105,65 23,5 33,3 104,80 25,0 34,9 104,50 28,6 39,6 103,83 35,4 45,4 102,95 41,2 50,4 102,25 44,8 54,1 101,78 45,5 54,0 101,72 49,7 57,7 101,35 56,8 63,7 100,70 58,0 64,7 100,60 69,2 74,2 99,73 84,3 86,4 98,90 94,0 94,8 98,50 97,5 97,6 98,40 99,4 99,3 98,33 100,0 100,0 98,30 Okolní tlak = atmosférický tlak = 101325 Pa Vnitřní průměr kolony 22 mm Počet skutečných pater kolony 40 5