Destylacja.pdf

BADANIE APARATU DO DESTYLACJI PROSTEJ

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady działania destylarki do destylacji prostej o

działaniu okresowym oraz wyznaczenie współczynnika oddestylowania Z w zależności od

wybranych parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych aparatu.

2. Podstawy teoretyczne

Destylacja polega na przeprowadzeniu cieczy w parę, następnie na skropleniu pary i zebraniu

tzw. destylatu. Parowanie cieczy zachodzi w każdej temperaturze. Szybkość parowania zależy od

wysokości temperatury. Parę nad fazą ciekłą w stanie równowagi nazywamy parą nasyconą. Jeżeli

w czasie ogrzewania cieczy prężność pary nasyconej osiągnie wartość ciśnienia zewnętrznego,

rozpoczyna się proces wrzenia. Ciecz paruje wówczas nie tylko na powierzchni, lecz w całej

objętości, czego dowodem jest powstawanie pęcherzyków par wewnątrz cieczy. Temperaturę, w

której ciśnienie pary nasyconej równa się ciśnieniu zewnętrznemu, nazywa się temperaturą wrzenia

danej substancji. Dalsze doprowadzenie ciepła po rozpoczęciu wrzenia cieczy nie powoduje

wzrostu temperatury, jest ono całkowicie zużyte na zamianę faz, czyli na ciepło parowania.

Metodą destylacji możemy rozdzielić mieszaninę składającą się z dwóch lub więcej lotnych

składników pod warunkiem, że ciecze będące składnikami mieszaniny będą miały różne

temperatury wrzenia.

Podczas wrzenia mieszaniny składającej się ze składników o różnej lotności (surówki),

składnik bardziej lotny (niskowrzący) przechodzi do fazy parowej w stosunkowo większej ilości niż

składnik mniej lotny. Otrzymana para wzbogacona o składnik niskowrzący po skropleniu tworzy

destylat, zaś pozostała faza ciekła zawierająca przeważnie składniki mniej lotne tworzą tzw. ciecz

wyczerpaną (wywar). Na proces destylacji składają się zatem dwa zabiegi: z jednej strony

częściowe odparowanie cieczy, z drugiej - skroplenie wytworzonej pary. Do momentu rozdzielenia

obie fazy znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej lub bardzo bliskim stanowi

równowagi.

Klasyfikacja mieszanin dwuskładnikowych

Mieszaniny dwuskładnikowe dzielone są na następujące grupy:

- mieszaniny chemicznie jednorodne: faza gazowa i ciekła zawierają ten sam czynnik, obie fazy są

więc chemicznie jednorodne (np. para wodna w stanie nasycenia (rys. 33.1),

- o nieograniczonej rozpuszczalności wzajemnej składników mie-szaniny. Jest to przypadek w

destylacji najczęstszy.

Rys. 33.1. Krzywa nasycenia dla mieszaniny jednorodnej [33.1]

Krzywa równowagi stężenia składnika bardziej lotnego w oparach y w funkcji stężenia tego

składnika w cieczy x, y = f(x), może mieć kształt przedstawiony na rys. 33.2.

Rys. 33.2. Krzywa równowag składników o nieograniczonej rozpuszczalności wzajemnej [33.1]

Do takich mieszanin należą: etanol-woda, etanol-benzen. Całkowita prężność par tej mieszaniny

ma maksimum odpowiadające określonemu składowi cieczy. Mieszaniny, których krzywe

równowagi nie posiadają maksimum ani minimum nazywają się mieszaninami prostymi lub

idealnymi. Tworzeniu tych mieszanin nie towarzyszy zauważalny efekt cieplny. Mieszaniny idealne

spełniają prawo Raoulta: ciśnienie cząstkowe pary składnika jest równe ciśnieniu pary nasyconej

tego składnika w danej temperaturze pomnożonemu przez jego udział molowy w cieczy.

p a = P a • x a , Pa,

(33.1)

gdzie:

a - ciśnienie cząstkowe pary składnika a, Pa,

a - ciśnienie pary nasyconej składnika a, Pa,

a - udział molowy składnika w cieczy.

- faza ciekła zawiera składniki całkowicie nierozpuszczalne w sobie, np. woda-benzen. W tym

przypadku, zgodnie z prawem Daltona, całkowita prężność par równa się sumie prężności par

czystych składników.

Podstawowe prawa destylacji

1) Para znajdująca się w równowadze z roztworem zawsze zawiera w nadmiarze ten składnik,

którego dodanie do roztworu obniża jego temperaturę wrzenia.

2) Dla roztworów, których krzywa prężności posiada maksimum lub minimum, istnieje taki

skład roztworu ciekłego, dla którego wydzielające się pary mają ten sam skład co faza ciekła.

Mieszanina taka nazywa się nierozdzielnie wrząca lub azeotropowa.

Wykresy temperaturowe

Wł ciwości mieszanin dwuskładnikowych mogą być przedsta-wione na wykresie

temperaturowym (rys. 33.3). Na osi rzędnych odłożono temperatury wrzenia, a na odciętych -

zawartość składnika niżej wrzącego w fazie ciekłej i parowej. Aby określić temperaturę wrzenia t 1 i

skład fazy parowej y 1 dla danego składu fazy ciekłej x 1 wykres sporządza się w następujący

sposób.

Z punktu x 1 wystawia się prostopadłą do przecięcia się z krzywą temperatury (punkt A). Linia

równoległa do osi odciętych prze-chodząca przez punkt A wyznacza na osi rzędnych temperaturę

wrzenia t 1 i skład pary y 1 na krzywej składu pary. Graficzne rozwiązanie tego problemu

przedstawiono na rys. 33.3.

0 C

Rys. 33.3. Wykres temperaturowy (t-x-y) [33.1]

Deflegmacja

Podczas tworzenia pary z ciekłej mieszaniny dwuskładnikowej, pary wzbogacają się w

składnik niżej wrzący. W przypadku częściowego skroplenia otrzymanych par zawierających dwa

składniki otrzymuje się ciecz wzbogaconą w składnik mniej lotny, a pozostająca faza parowa

wzbogaca się w składnik niżej wrzący (bardziej lotny). Proces częściowego skraplania, powodujący

zmianę składu faz nazywa się deflegmacją - skraplanie parowej mieszaniny, któremu towarzyszy

wzbogacenie pozostałej fazy parowej w składnik niżej wrzący. Otrzymana faza ciekła nazywa się

flegmą.

Klasyfikacja procesów destylacji

Sposoby destylacji stosowane w przemyśle spożywczym dzieli się na następujące grupy:

- Destylacja prosta, która w zależności od sposobu prowadzenia procesu dzieli się na destylację

prostą równowagową (rzutową) oraz na destylację prostą różniczkową (kotłową). Destylacja

prosta może przebiegać z deflegmacją lub bez deflegmacji.

- Destylacja złożona lub wielokrotna (rektyfikacja)

a) okresowa,

b) ciągła.

- Destylacja ekspansyjna.

- Destylacja z parą wodną lub gazem obojętnym.

- Destylacja warstewkowa (błonkowa).

- Destylacja cząsteczkowa (molekularna).

Destylacja prosta różniczkowa (kotłowa) - rys. 33.4, prowadzona jest w aparaturze składającej

się z ogrzewanego przeponowo kotła 1, skraplacza 2 i zbiorników destylatu 3. Jeżeli powierzchnia

kotła jest dokładnie zaizolowana, to na jego wewnętrznej powierzchni para nie skrapla się. W tym

przypadku przyjmuje się, że aparat pracuje bez deflegmacji. Cykl roboczy takiego pojedynczego

kotła składa się z następujących operacji: napełnianie, ogrzewanie wsadu do temperatury wrzenia,

destylacja, odprowadzenie pozostałości po destylacji i przygotowanie do kolejnego napełnienia.

Rys. 33.4. Schemat instalacji do destylacji prostej kotłowej (opis w tekście) [33.1]

Przy pomocy prostej destylacji różniczkowej nie można otrzymać destylatu o wysokiej

zawartości składnika niskowrzącego. Ponadto w miarę wzrostu ilości destylatu spada w nim

procentowa zawartość składnika niżej wrzącego. Ponieważ deflegmacja zwiększa zawartość

składnika niżej wrzącego w destylacie, aparaty wyposaża się w urządzenia wzmacniające ten proces

zwane deflegmatorami.

Destylacja równowagowa (rzutowa)

W destylacji różniczkowej powstająca para natychmiast przestaje kontaktować się z faza

ciekłą. W destylacji równowagowej faza ciekła i parowa kontaktują się ze sobą przez cały czas

trwania procesu odparowania i tylko w końcu tego procesu rozdzielają się. Proces zazwyczaj

prowadzi się w sposób ciągły.

Najprostszą instalację do destylacji rzutowej przedstawiono na rys. 33.5. Surówkę podgrzewa

się w wymienniku ciepła, którym często jest piec rurowy, do temperatury t 2 (rys. 33.6), leżącej

pomiędzy temperaturami wrzenia początkową t p a końcową t k , co prowadzi do odparowania części

mieszaniny.

Rys. 33.5. Schemat instalacji do destylacji prostej równowagowej: 1 - wymiennik ciepła, 2 -

separator, 3 - kondensator, 4 - zbiornik destylatu, S - surówka, W - wywar, D – destylat

[33.1]

Rys. 33.6. Wykres temperaturowy destylacji prostej równowagowej [33.1]

Na skutek dobrego kontaktu obu faz można je traktować jako pozostające w równowadze. Z

wymiennika ciepła mieszanina cieczy i pary przepływa do separatora, w którym następuje

oddzielenie fazy ciekłej od gazowej. Z dolnej części separatora odprowadza się wywar, górą zaś

parę zwaną destylatem, która zostaje następnie skroplona w kondensatorze. Ilość fazy parowej

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: