Wydział Chemiczny

DESTYLACJA PARĄ WODNĄ

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 4

Wrocław

Oznaczenia

	E	stopień nasycenia pary
	Fr	liczba Frouda
	mT	masa toluenu			Kg
	mW	masa wody			Kg
	PT	prężność równowagowa toluenu			kg/m^3
	P	prężność pary nasyconej toluenu			kg/m^3
	ρpW	gęstość pary wodnej w kolbie destylacyjnej			kg/m^3
	T	temperatura wrzenia destylatu 85^oC
	Tkolba	temperatura w kolbie			K
	t	czas			s
	w
Stałe:
	A	pole powierzchni przekroju aparatu			m^2
	D	Średnica kolby			12,5 cm
	d	Średnica dyszy			1,5 mm
	g	przyspieszenie ziemski 9,81 m/s^2
	h	wysokość słupa cieczy nad bełkotką (przyjmuje się połowę śr. aparatu)				6,2 cm
	MT	masa cząsteczkowa 92,13 kg/kmol
	MW	masa cząsteczkowa wody	18,02 kg/kmol
	n	liczba dusz w bełkotce			5
	Patm	cisnienie atmosferyczne		1,0333*10 ^-5Pa
	ρW	gestość wody 1000 kg/m^3
	ρT	gęstość toluenu 867 kg/m^3
	R	8314J/kmol K
	T	temperatura wrzenia destylatu 85^oC

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się ze sposobem prowadzenia destylacji różniczkowej z parą wodną oraz wyznaczenie stopnia nasycenia pary wodnej substancją destylowaną (toluen) przy różnych szybkościach wypływu pary wodnej z dysz bełkotki.

2. Aparatura

Schemat aparatury do badania procesy destylacji z para wodna rys.1

Do ogrzanej elektrycznie wytwornicy pary (1) w sposób ciągły jest kontrolowany poziom wody poprzez regulator poziomu wody (2). Napniecie na grzałkach wytwornicy pary regulowane jest autotransformatorem A2.Para wodna z wytwornicy przepływa przez bełkotkę (3)do wyparki (kolby destylacyjnej) (4) zawierającej substancje destylowana. Aby utrzymać właściwa temperaturę w wyparce aby para wodna nie uległa w niej skropleniu, ogrzewa się ja kontrolując temperaturę termometrem T1. Napięcie na grzałce wyparki regulowane jest autotransformatorem A1.

Pary z wyparki przepływają przez nasadkę (5) gdzie mierzona jest temperatura termometrem T2(pary opuszczającej wyparkę) do chłodnicy (6). Uzyskany destylat zbierany jest do cylindra (7)(o pojemności 100mil). A następnie rozdzielany w rozdzielaczu (8). Podczas pomiarów mierzony jest czas destylacji.

Rysunek 1. Schemat instalacji doświadczalnej. 1 - wytwornica pary, 2 -regulator poziomu wody, 3 -bełkotka, 4 - kolba destylacyjna, 5 - nasadka, 6 - chłodnica, 7- cylinder, 8 - rozdzielacz, A1, A2 - autotransformatory .

3. Metodyka pomiarów

1. Zapoznanie się z aparatura.

2. Ustawienie napięcia 170 [V]na autotransformatorze.

3. Po ustaleniu się temperatur (a termometrach T1i T2) cieczy i pary odebrać 100 cm³ dwufazowego destylatu. Zanotować objętość odebranej wody i substancji destylowanej.

4. Ustawić napięcie 200 [V] na grzałkach wytwornicy pary i wykonać następne pomiary wg. punktu 3.

4. Wyniki badań

Tabela .1 Wyniki doświadczeń
	ustawienie napięcia na autotransformatorze [V]	temperatura wrzenia destylatu [K]	temperatura w kolbie z toluenem [K]	objętość wody w 100 ml destylatu 10^6 [m^3]	objętość toluenu w 100 ml destylatu 10^6[m^3]	czas potrzebny na zebranie 100 ml destylatu [s]
1	170	358,15	367,65	17,5	82,5	832
2	200	358,15	368,15	18,5	81,5	465

5.1 Metodyka obliczeń - przykładowe obliczenie dla 170V transfornatora

1. równanie Antoine'a:
[mmHg]

Stąd:

2. Stopień nasycenia pary substancją destylowaną:

a) obliczanie wartosci doswiadczalnej

b) obliczanie wartości stopnia nasycenie E= 1

obliczmy gęstość wodnej w kolbie destylacyjnej

obliczamy szybkość pary z bełkotki

liczba Frouda

obliczamy wartość C

Ponieważ C < 0,735 przepływ strumieniowy obliczamy E z równania:

5.2 W przypadku gdy napięcie w autotransformatorze wynosi 200V mamy przepływ pionowy gdyż: 0,84>C>0,735, a E obliczmy ze wzoru:

Tabela			2 Wyniki obliczeń
	temperatura w kolbie [K]		gęstość pary wodnej [kg/m^3]	czas [s]			masa wody 10^3 [kg]		Edoś		prędkość wypływu pary z dyszy bełkotki [m/s]			liczba Frouda	C		Eobl
1	367,65		0,59738	832			17,5		0,97780		3,9875			12,9709	0,31445		909,001
2	368,15		0,59657	465			18,5		0,96599		7,5478			46,4733	0,83511		12,3695

6. Omówienie wyników, wnioski

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze sposobem prowadzenia destylacji z parą wodną. Polega ona na doprowadzeniu pary wodnej do cieczy w której znajduje się związek destylowany. Ciecz destylowana musi mieć bardzo ograniczoną rozpuszczalność w wodzie, tak by opary po ochłodzeniu i skropleniu tworzyły ciecz dwufazową. Destylacja odbywa się w temperaturze niższej od temperatury wrzenia pod danym ciśnieniem, a zanieczyszczenia cieczy powinny być związkami nie lotnymi. Wydajność procesu zależy od nasycenia się pęcherzyków pary wodnej oparami destylatu czyli od temperatury, a co za tym idzie czasu zetknięcia pary z cieczą. Stopień nasycenia E można zdefiniowac jako stosunek ciśnieniea czastkowego destylatu do prężności pary nasyconej tego destylatu. Do obliczenia nasycenia stosuje się różne zależności np.

• równanie wykładnicze:

równanie Carey k- stała charakterystyczna dla danego układu

• równania w postaci ułamków bezwymiarowych

np.

Wydajność nie zależy natomiast od ciśnienia co da się wyprowadzić z równania Clausiusa- Clapeyrona dla prężności pary nasyconej, porównując dwa procesy destylacji.

W wyniku przeprowadzonych eksperymentów i obliczeń zaobserwowaliśmy, że wraz ze wzrostem szybkości wypływu pary wodnej czas destylacji ulega skróceniu. W czasie drugiego pomiaru oddestylowało mniej toluenu co wskazuje na mniejszą efektywność destylacji przy wyższej temperaturze gdyż czas zetknięcia pary z cieczą jest krótszy, co potwierdza zgodność z wiedza książkową.

---