DESTYLACJA Z PARĄ WODNĄ

Termin zajęć:

Środa 14:15 – 16:55

Grupa 2:

• Sylwia Gaik

• Katarzyna Przeździęk

• Karol Kameduła

1. Spis symboli i jednostek:

A – pole powierzchni przekroju aparatu [m²]

C – liczba C

d – średnica dyszy [m]

D – średnica aparatu [m]

E – stopień nasycenia

f – pole powierzchni przekroju dysz [m²]

Fr – liczba Frouda

G – przyspieszenie ziemskie [m/s²]

h – wysokość słupa cieczy nad bełkotką [m]

m – masa [kg]

M – masa cząsteczkowa [kg/kmol]

n – liczba dysz na bełkotce

p – prężność cząstkowa [Pa]

P – ciśnienie atmosferyczne

P_{T lub W} – prężność pary nasyconej [Pa]

R - stała gazowa

T – temperatura [°C]

U – napięcie na autotransformatorze [V]

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

V – objętość [cm³]

τ – czas [s]

ρ – gęstość [kg/m³]

Indeksy górne i dolne:

1 – ciecz

2 – para

T – toluen

W – woda

dośw. – doświadczalne

pw. – para wodna

H₂O – woda

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem wykonywania destylacji

różniczkowej (kotłowej) z parą wodną oraz wyznaczenie stopnia nasycenia pary

wodnej substancją destylowaną A przy różnych prędkościach wypływu pary wodnej

z dyszy bełkotki.

1. Przebieg doświadczenia:

Początkowo zapoznaliśmy się z aparaturą przygotowaną przez prowadzącego. Właściwe doświadczenie polegało na pomiarze czasu, podczas którego następuje odbieranie 100cm³ destylatu, odczytaniu temperatury cieczy i pary oraz określeniu ilości H₂O w uzyskanym destylacie. Każdy z pomiarów odbywał się przy innej wartości ustawionej na autotransformatorze (kolejno 150, 180 i 210V). przed każdym pomiarem zbieraliśmy do cylindra 50cm³ destylatu w celu unormowania.

1. Wytwornica pary

2. Regulator poziomu wody

3. Kolba destylacyjna

4. Nasadka

5. Chłodnica

6. Bełkotka

7. Odbieralnik destylatu

T₁ – woda wrząca w wytwornicy pary

T₂ – ciecz w wyparce

T₃ – para opuszczająca wyparkę

A₁, A₂ – autotransformator

1. Tabela z wynikami pomiarowymi:

Lp.	U [V]	T1 [˚C]	T2 [˚C]	VW [cm^3]	VT [cm^3]	τ [s]
1.	150	85,6	85,1	18	82	752
2.	180	87,4	85,1	18	82	402
3.	210	94,5	86,0	18	82	251

1. Przykład obliczeniowy (dla pomiaru 1):

W obliczeniach wykorzystano :

Liczba dysz w bełkotce: n= 5

Średnica dyszy: d= 1,5* 10^-3 m

Średnica aparatu: D= 12,5* 10^-2 m

Wysokość słupa cieczy nad bełkotką: h=6,2* 10^-2 m

M_T=92,13

T_W = 110,8°C

Przyjęto:

ρ_w = 967 kg/m³

ρ_T= 873 kg/m³

1. Obliczenie P_T - prężności pary nasyconej toluenu w temperaturze destylacji [Pa]:

$$\log P_{T} = 6,95334 - \frac{1343,943}{T_{2} + 219,38} = 6,95334 - \frac{1343,943}{85,1 + 219,38}$$

P_T = 10^2, 5394 = 346, 26 mmHg = 46164, 2 Pa

1. Obliczenie p_T- prężność cząstkowa toluenu [Pa]:

$$p_{T} = P\frac{18m_{T}}{M_{T}m_{W} + 18m_{T}} = 101325 \times \frac{18 \times 0,079294}{92,13 \times 0,015714 + 18 \times 0,079294} = 49751,44\ Pa$$

1. Obliczenie E_dośw.- wartości doświadczalnej stopnia nasycenia:

$$E_{\text{do}sw.} = \frac{p_{T}}{P_{T}} = \frac{49751,4}{46164,2} = 1,077$$

1. Obliczenie δ_pw- gęstości pary wodnej w kolbie destylacyjnej [kg/m³]:

$$\rho_{\text{pw}} = \frac{P \times M_{H20}}{RT_{1}} = \frac{101325 \times 18}{8314 \times 364,85} = 0,601\frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

1. Obliczenie f- pola powierzchni przekroju dyszy [m²]:

$$f = \frac{\pi d^{2}}{4} = \frac{3,14 \times \left( 0,0015 \right)^{2}}{4} = 1,766 \bullet 10^{- 6}\ m^{2}$$

1. Obliczenie w- prędkości wypływu pary z dyszy bełkotki [m/s]:

$$w = \frac{m_{w}}{\tau\rho_{\text{pw}}\text{fn}} = \frac{0,015714}{752 \times 0,601 \times 1,766 \times 10^{- 6} \times 5} = 3,94\ \frac{m}{s}$$

1. Obliczenie Fr- liczby Frouda:

$$\text{Fr} = \frac{w^{2}}{\text{gD}} = \frac{\left( 3,94 \right)^{2}}{9,81 \times 0,125} = 12,66$$

1. Obliczenie P_w- prężność pary nasyconej wody w temp. destylacji [Pa]:

$$P_{W} = \frac{M_{T}P_{T}m_{W}}{M_{W}m_{T}} = \frac{92,13 \times 46164,2 \times 0,015714}{18 \times 0,079294} = 46957,6\ \text{Pa}$$

1. Obliczenie A- pola powierzchni przekroju aparatu [m²]:

$$A = \frac{\pi D^{2}}{4} = \frac{3,14 \times \left( 0,125 \right)^{2}}{4} = 0,0123\ m^{2}$$

1. Obliczenie C- liczby C:

$$C = \text{Fr}^{- 0,12}\left( \frac{A}{\text{nf}} \right)^{0,28}\left( \frac{D}{h} \right)^{- 0,48}\left( \frac{M_{T}P_{T}}{18P_{W}} \right)^{- 0,13} =$$

$$= \left( 12,66 \right)^{- 0,12}\left( \frac{0,0123}{5 \times 1,766 \times 10^{- 6}} \right)^{0,28}\left( \frac{0,125}{0,062} \right)^{- 0,48}\left( \frac{92,13 \times 46164,2}{18 \times 46957,6} \right)^{- 0,13} = 0,737 \times 7,591 \times 0,714 \times 0,811 = 3,24$$

1. Tabele z wynikami obliczeń:

Lp.	T1	T2	VT	Vw	mT	mW	t	$$\frac{\mathbf{m}_{\mathbf{w}}}{\mathbf{\tau}}$$	pT	PT	Edosw
	[˚C]	[˚C]	[cm^3]	cm^3	[kg]	[kg]	[s]	[kg/s]	[Pa]	[Pa]
1.	85,6	85,1	82	18	0, 079294	0, 015714	752	2,09*10^-5	49751, 44	46164, 2	1, 077
2.	87,4	85,1	82	18	0, 079294	0, 015714	402	3,91*10^-5	49751, 44	46164, 2	1, 077
3.	94,5	86	82	18	0, 079294	0, 015714	251	6,26*10^-5	49751, 44	47304,1	1,052

Lp.	w [m/s]	Fr	PW	$$\frac{\mathbf{A}}{\mathbf{\text{nf}}}$$	$$\frac{\mathbf{D}}{\mathbf{h}}$$	$$\frac{\mathbf{M}_{\mathbf{T}}\mathbf{P}_{\mathbf{T}}}{\mathbf{18}\mathbf{P}_{\mathbf{W}}}$$	C	Eobl.
1.	3, 94	12, 66	46957, 6	1392,98	2,02	5,03	3, 24	1
2.	7,34	43,94	46957, 6	1392,98	2,02	5,03	2,79	1
3.	11,79	113,36	47981, 5	1392,98	2,02	5,04	2,49	1

1. Wnioski:

W wyniku przeprowadzonych eksperymentów i obliczeń zaobserwowaliśmy, że wraz ze wzrostem szybkości wypływu pary wodnej czas destylacji ulega skróceniu. Wraz ze zmianą ustawienia autotransformatora skraca się czas zebrania 100cm³ cieczy. Masowe natężenie przepływu pary wzrasta wraz ze wzrostem mocy grzejnej grzałki kosza grzejnego. Liczby C maleją ze wzrostem szybkości odbierania destylatu. Liczba C jest dużo większa od wartości 0,84 wówczas E_obl równa się jedności. Wydajność destylacji z parą wodną rośnie wraz ze zbliżaniem się wartości liczby E do jedności.

W każdej frakcji odebraliśmy 18 cm³ wody, lecz z literatury wiemy, że wraz ze zwiększaniem się temperatury ilość odebranej wody powinna wzrosnąć. Wynika to z tego że czas zetknięcia się pary z cieczą jest krótszy i efektywność destylacji powinna spadać.