PK WIiTCh GR. 24 Zespół nr 1	Ćwiczenie: 3 Tytuł: Destylacja	Data: 1.04.2003
1.	Temat: Wyznaczanie krzywych równowagowych ciecz- para w układach dwuskładnikowych o całkowitej mieszalności.	Ocena:

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Destylacja jest procesem jednostkowym ma na celu rozdzielenie ciekłego roztworu na produkty zawierające poszczególne jego składniki o złożonej nieraz bardzo dużej czystości.

Destylację prowadzi się do momentu gdy otrzymamy żądany produkt oraz tak aby był ten proces najkorzystniejszy z punktu widzenia ekonomicznego.

Warunkiem koniecznym który musi być spełniony aby można było przeprowadzić proces destylacji jest to aby skład cieczy był różny od składu pary otrzymanej w wyniku destylacji(destylatu)- jest to motorem napędowym tego procesu!

Para i ciecz są w stanie równowagi termodynamicznej gdy:

μ_c,A =μ_p,A (1)

Gdzie:

μ_c,A- potencjał chemiczny składnika A roztworu w cieczy

μ_p,A- potencjał chemiczny składnika A roztworu w parze

Dla roztworu doskonałego znajdującego się w stanie równowagi obowiązuje prawo Raoulta:

p_A=P_A·x_A (2)

Gdzie:

p_A- ciśnienie cząstkowe składnika A nad roztworem(np.A-B) [N/m²]

P_A- prężność par nasyconych czystego składnika A [N/m²]

x_A- ułamek molowy składnika A w cieczy [kmolA/kmol]

Znamy również zależność termodynamiczną:

p_A= p·y_A (3)

Gdzie:

p- ciśnienie całkowite wywierane na układ z zewnątrz [N/m²](u nas atmosferyczne)

y_A- ułamek molowy składnika A w parze [kmolA/kmol]

Łącząc te dwa równania znajdujemy zależność między ułamkiem molowym składnika w cieczy i w parze:

y_A= (P_A/p)·x_A (4)

Roztwory doskonałe (ich cząsteczki oddziałują na siebie takimi samymi siłami międzycząsteczkowymi są np. z jednego szeregu homologicznego BENZEN-TOLUEN) spełniają prawo Raoulta oraz dla roztworu dwuskładnikowego A-B

p_B<p<p_A co więcej zależność ciśnienia całkowitego nad takim roztworem w funkcji ułamka molowego składników ma charakter liniowy.

Roztwory rzeczywiste:

Zeotropy- obowiązuje warunek p_B<p<p_A,nie ma ekstremum, ale występują odchylenia od prawa Raoulta:

Dodatnie, jeśli : A-A i B-B>A-B całkowita prężność par nasyconych nad takim roztworem jest większa niż wynika to z prawa Raoulta.

Ujemne, jeśli : A-A i B-B<A-B całkowita prężność par nasyconych nad takim roztworem

jest mniejsza niż wynika to z prawa Raoulta

Jeśli jedne z tych oddziaływań bardzo przewyższają drugie mamy do czynienia z roztworem:

Azeotropowym- jest to roztwór o destylujący w stałej temperaturze bez zmiany składu. Występuje ekstremum czyli minimum prężności pary nasyconej nad roztworem(maksimum temperatury wrzenia) lub maksimum prężności pary nasyconej nad roztworem(minimum temperatury wrzenia).

Dla roztworu dwuskładnikowego gdzie x_A>>x_B dla x_A, czyli rozpuszczalnika obowiązuje prawo Raoulta mimo że roztwór jest niedoskonały, natomiast dla x_B, czyli substancji rozpuszczonej prawo Henry'ego:

p_B= K_H·x_B (5)

K_H- stała Henry'ego charakterystyczna dla danej substancji.

Destylacja którą przeprowadzam w laboratorium to destylacja IZOBARYCZNA.

2. Część praktyczna.

2.1 Odmierzam w cylindrze około 35 cm³ roztworu HEKSAN-TOLUEN.

2.2 Włączam obieg wody w chłodnicy następnie podłączam zestaw destylacyjny do prądu.

2.3 Napełniam zestaw do destylacji w którym ma ustalić się równowaga ciecz-para

ww. roztworem.

2.4 Doprowadzam układ do wrzenia i gdy ustali się temperatura wrzenia utrzymuje układ w

tym stanie 10-15 minut.

2.5 Odłączam dopływ prądu następnie gdy ciecz przestaje wrzeć pobieram próbkę pary i

cieczy do badania refraktometrycznego(czyli współczynnika załamania światła).

2.6 Badanie przeprowadziłam na trzech próbkach.

3. Wyniki badań i obliczenia.

Ciśnienie atmosferyczne tego dnia: p= 756mmHg - odczytałam z barometru

Temperatura wrzenia przy ciśnieniu p= 760mmHg Heksanu: t=68,7⁰C

Toluenu: t=110,6⁰C

Obliczam jaka będzie temperatura wrzenia dla tych substancji przy ciśnieniu 756mmHg:

T_w = T_w⁷⁶⁰ +(∆T/∆p) · ∆p (6)

∆p- różnica ciśnień

∆T/∆p- poprawka, stała dla danej substancji odczytana z tabeli dołączonej do ćwiczenia

Heksan: t₇₅₆= 68,532 Toluen: t₇₅₆= 110,416

Po przeprowadzeniu trzech pomiarów uzyskałam następujące wyniki:

roztwór	temperatura wrzenia [°C]	nd pary	nd cieczy	ytoluenu w parze doświadczalna	xtoluenu w cieczy	PT[mmHg] (z wykresu PT=f(t))	yT = (PT/p)·xT obliczeniowa
I	80,0	1,4015	1,4485	0,270	0,620	360	0,295
II	83,5	1,4120	1,4585	0,355	0,690	395	0,360
III	86,0	1,4175	1,4615	0,390	0,710	425	0,399

Zawartość toluenu w parze i cieczy z pobranych próbek wyznaczyłam korzystając z wykresu zależności współczynnika załamania światła w funkcji ułamka molowego Toluenu.

Dodatkowo zawartość teoretyczną toluenu w parze (obliczeniową) określiłam korzystając ze wzoru (4) gdzie p- ciśnienie całkowite to ciśnienie atmosferyczne w danym dniu. Korzystając z tego wzoru pamiętałam, że został on wyprowadzony dla mieszaniny idealnej a HEKSAN i TOLUEN nie tworzą mieszaniny idealnej.

4. Wnioski

Jak widać z wykresu zależności temperatury wrzenia w funkcji ułamka molowego toluenu w roztworze skład pary i cieczy w przypadku mieszaniny badanej jest różny jest to więc roztwór Zeotropowy-można go rozdzielić w wyniku destylacji.

Substancja bardziej lotną jest Heksan ponieważ pod stałym ciśnieniem ma on niższą temperaturę wrzenia(dla mojego przypadku to stałe ciśnienie to p=756mmHg)czyli prężność jego pary nasyconej szybciej zrównuje się z wartością ciśnienia zewnętrznego. Wynika z tego dalej że para będąca w równowadze z cieczą wzbogacona jest w stosunku do wyjściowego roztworu w Heksan(bardziej lotny), widać to na wykresie.

Prężność par nad cieczą rośnie wraz ze wzrostem temperatury, wzrost wartości prężności par jest gwałtowny.

Znając skład roztworu poddawanego wrzeniu można obliczyć, wykorzystując prawa Raoulta skład równowagowej pary.

Skład pary i cieczy które wyznaczyłam różnią się od rzeczywistych składów w identycznych ze zmierzonymi przeze mnie temperaturach wrzenia(widać to na wykresie ponieważ punkty wyznaczone doświadczalnie przeze mnie nie pokrywają się idealnie z linią pary czy cieczy na wykresie), a spowodowane jest to następującymi czynnikami:

-podczas pomiaru temperatury uzupełniony został wkład rtęciowy jego bardzo mała ilość podczas pomiaru II mogła zakłócić wskazania temperatury w układzie podczas destylacji;

-mimo sprawdzenia kranów i ich dwukrotnego nasmarowania ich szczelność zawiodła i część cieczy w czasie trwania II destylacji wyciekła(w dużym przybliżeniu 5ml)więc dopełniłam wyjściowy roztwór 5ml toluenu i prowadziłam proces dalej(była to troszkę za mała porcja ponieważ pod koniec destylacji zostało mało roztworu wyjściowego)

-po dopełnieniu roztworu który nie przedestylował Toluenem gdy napełniłam nim zestaw destylacyjny tym razem jeszcze przed włączeniem prądu roztwór wyciekł, więc nasmarowałam 2 raz kran oraz ponownie dopełniłam Toluenem roztwór do 35ml wprowadziłam do zestawu i prowadziłam destylację III.

Te wszystkie okoliczności plus możliwość mojego niedokładnego odczytu danych z wykresu spowodowana skończoną dokładnością oka ludzkiego powodują różnicę między rzeczywistym składem roztworu w temp. wrzenia 80⁰C,83.5⁰C,86⁰C(które uzyskałam) a składem wyznaczonym przeze mnie.

Do sprawozdania dołączam wykres sporządzony na podstawie moich badań.

Wyznaczenie krzywych równowagi ma bardzo duże znaczenie ponieważ znajomość tych wykresów takich jak te które dołączyłam do sprawozdania pozwala na otrzymywanie w wyniku destylacji produktów określonym składzie i umożliwia prowadzenie destylacji w sposób kontrolowany, co jest bardzo ważne w przemyśle.

---