Ćw. nr 11

„Destylacja z parą wodną”

Oznaczenia symboli:

E_dosw- stopień nasycenia doświadczalny

E_obl- stopień nasycenia obliczeniowy

P_A- prężność pary nasyconej toluenu w temp. destylacji [Pa]
P_w- prężność pary nasyconej wody w temp. destylacji [Pa]

p_A- prężność cząstkowa toluenu w fazie gazowej [Pa]

Pc- ciśnienie zewnętrzne [Pa]

y_A- ułamek molowy toluenu

M_A- masa cząsteczkowa toluenu [kg/kmol]

m_A- masa toluenu [kg]

M_W- masa cząsteczkowa pary wodnej [kg/kmol]

m_W- masa pary wodnej [kg]

Fr- liczba Frouda

w- prędkość wypływu pary z dyszy bełkotki [m/s]

g- przyciąganie ziemskie [m/s²]

D- średnica aparatu [m]

d₀- średnica dyszy [m]

C- liczba C

n- liczba dysz

f- pole powierzchni przekroju dyszy [m²]
h- wysokość słupa cieczy nad bełkotką [m]
A- pole powierzchni przekroju aparatu [m²]

δ_pw- gęstość pary wodnej w kolbie destylacyjnej [kg/m³]

τ- czas, w którym w destylacie odebrano masę wody [s]

p- ciśnienie [Pa]

M_H2O- masa cząsteczkowa wody [kg/kmol]

R- stała gazowa [J/mol*K]

T₃- temp. pary [K]

T₂- temp. wrzącej mieszaniny [K]

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze sposobem wykonywania destylacji z parą wodną oraz wyznaczenie stopnia nasycenia pary wodnej substancją destylowaną, przy różnych prędkościach wypływu pary wodnej z dyszy bełkotki.

Schemat aparatury oraz przebieg ćwiczenia:

Przeprowadziliśmy 3 pomiary dla trzech różnych napięć. W każdym z nich odpieraliśmy 100ml destylatu (toluenu+wody) i mierzyliśmy czas w jakim się napełnił cylinder.

1- wytwornica pary

2- regulator poziomu wody

3- kolba destylacyjna

4- nasadka

5- chłodnica

6- bełkotka

7- odbieralnik destylatu

T2- temp. cieczy w wyparce

T3- temp. pary opuszczającej wyparkę

A1, A2- autotransformatorem

Wyniki pomiarów:

Nr pomiaru	U [V]	T2 [۫C] T.cieczy	T3 [۫C] T.pary	VH2O [cm^3]	VA [cm^3]	τ [s]
1	170	90,5/363,65K	86,0/359,15K	17,0	83,0	412
2	190	93,0/366,15K	85,0/358,15K	18,0	82,0	333
3	210	96,0/369,15K	89,0/362,15K	24,0	76,0	294

Wartości konieczne do obliczeń:

gęstość wody δ_W=1000 [kg/m³]

ciśnienie zewnętrzne p= Pc= 101325 [Pa]

gęstość toluenu δ_A=873 [kg/m³]

przyspieszenie ziemskie g = 9,81 [m/s²]

stała gazowa R = 8314 [J/kmol*K]

średnica dyszy d₀= 0,0015 [m]

liczba dysz n = 5

średnica aparatu D = 0,125 [m]

wysokość słupa cieczy nad bełkotką h = 0,062 [m]

masa cząsteczkowa toluenu M_A= 92,13 [kg/kmol]

masa cząsteczkowa pary wodnej M_W= 18 [kg/kmol]

Tabela zależności T do P:

	T [۫C]	T [K]	P [mmHg]	P [Pa]
a	90	363,15	407,38	54311,90
b	95	368,15	478,63	63657,79
c	100	373,15	562,34	74791,22

Obliczenia:

1. Obliczenie δ_pw- gęstości pary wodnej w kolbie destylacyjnej:

2. Obliczenie f- pola powierzchni przekroju dyszy:

3. Obliczenie m_A- masa toluenu i m_W- masa pary wodnej:

4. Obliczenie w- prędkości wypływu pary z dyszy bełkotki:

5. Obliczenie A- pola powierzchni przekroju aparatu:

6. Obliczenie Fr- liczby Frouda:

7. Obliczenie P_A- prężności pary nasyconej toluenu w temp. destylacji z tabeli

Obliczenie P_A- prężności pary nasyconej toluenu w temp. destylacji z tabeli (interpolacja) i przeliczenie [mmHg na Pa]:

(T_b-T_a) - (P_b-P_a) => (P_A-P_a)= {(T₃-T_a)* (P_b-P_a)}/ (T_b-T_a) => P_A= [{(T₃-T_a)* (P_b-P_a)}/ (T_b-T_a)] + P_a

(T₃-T_a) - (P_A-P_a)

P_A= [{(359,15-363,15)*(74791,22-54311,90)}/(373,15-363,15)]+54311,90= 46120,17

8. Obliczenie P_w- prężność pary nasyconej wody w temp. destylacji:

9. Obliczenie liczby C- liczby C:

10. Obliczenie E_teor.- obliczeniowego stopnia nasycenia:

a) przepływ pojedynczy dla C>0,84

E_teor=1 ;

b) przepływ pianowy dla 0,84>c>0,735

c) przepływ strumieniowy dla C<0,735

11. Obliczenie y_A- ułamka molowego toluenu

12. Obliczenie p_A- prężności cząstkowej toluenu w fazie gazowej:

13. Obliczenie E_dosw- doświadczalnego stopienia nasycenia:

Nr pomiaru	T3 [K]	T2 [K]	VH2O [m^3]	VA [m^3]	τ [s]	mw	mA	yA	pA	PA	Edosw
1	359.15	363.65	0.000017	0.000083	412	0.017	0.0725	0.454	46039.24	46120.17	0.998
2	358.15	366.15	0.000018	0.000082	333	0.018	0.0716	0.437	44305.08	44072.24	0,995
3	362.15	369.15	0.000024	0.000076	294	0.024	0.0663	0.351	35534.55	52263.97	0.680

Nr pomiaru	δpw	w	f	A	Fr	C
1	0.603	7.745	0.000001767	0.01227	48.92	7.156
2	0.599	10.216	0.000001767	0.01227	85.11	7.717
3	0.594	15.555	0.000001767	0.01227	197.31	8.949

Nr pomiaru	Pw	A/(n*f)	D/h	MA*PA	Mw*Pw	Eobl
1	55382.95	1388.89	2.02	4249051.26	996893.02	1
2	56720.25	1388.89	2.02	4060375.47	1020964.41	1
3	96764.12	1388.89	2.02	4815079.56	1741754.23	1

Wnioski:

Obserwując wyniki pomiarów można zauważyć, iż wraz ze wzrostem mocy dostarczanej do układu (wzrostem napięcia na grzałce) maleje czas odbierania 100 ml cieczy. Zawartość wody w stosunku do toluenu zmienia się nieznacznie, wzrastając lekko przy spadku dostarczanej mocy.

Wartości współczynników nasycenia pary wodnej toluenem wyznaczone doświadczalnie są bardzo podobne, wynoszą w przybliżeniu 1. Można zauważyć, że dla największej prędkości wypływu pary wodnej stopień nasycenia wyznaczony doświadczalnie jest największy, więc można przypuszczać, że wraz ze wzrostem prędkości rośnie E_dośw. Niewielkie odchyłki wartości rzeczywistych od teoretycznych mogą wynikać z niewielkiej skali prowadzenia procesu, co zwiększa jego podatność na czynniki zewnętrzne. Dodatkowo wpływ mogą mieć niektóre założenia i uproszczenia jak np. p=101325Pa. Niemniej jednak obliczony teoretyczny współczynnik nasycenia dobrze przybliża wartość rzeczywistą, zatem można go z powodzeniem stosować. Wszelkie błędy wynikają z błędnych odczytów podczas prowadzenia procesu, bądź też wadliwej aparatury.

---