ćw-5

KIiChŚ
PROCESY JEDNOSTKOWE
W TECHNOLOGIACH
ŚRODOWISKOWYCH
Ćwiczenie nr 5
DESTYLACJA
Cel ćwiczenia
Doświadczalne wyznaczenie krzywych równowagi ciecz-para dla układu
woda-kwas octowy.
Wprowadzenie
Destylacja jest bardzo użyteczną metodą rozdziału wieloskładnikowych
cieczy. Jest to również metoda oczyszczania lotnych cieczy. Polega ona na
odparowaniu najbardziej lotnego składnika roztworu (w danych warunkach
ciśnienia i temperatury), a następnie na skropleniu par i zebraniu skroplonej
cieczy (destylatu). Ciecz skroplona bogatsza w składnik lotniejszy nazywana
jest destylatem, natomiast pozostałość nieodparowana nazywa się cieczą
wyczerpaną (pogonem). Podstawę rozdziału stanowi tutaj różnica w lotności
składników. Podczas ogrzewania cieczy prężność pary nad roztworem wzrasta
aż do momentu osiągnięcia temperatury wrzenia. Temperatura wrzenia cieczy
jest to więc temperatura, przy której prężność par cieczy wyrównuje się
z ciśnieniem atmosferycznym.
Jeśli destylacji poddamy mieszaninę dwóch lub więcej substancji,
całkowite ciśnienie par nad cieczą jest równe sumie ciśnień cząstkowych par
wszystkich składników, które z kolei są funkcją ich ułamków molowych
w roztworze (wyjątek stanowią jedynie mieszaniny azeotropowe).
Zgodnie z prawem Rauolta, ciśnienie cząstkowe składnika lotnego
w roztworze doskonałym jest równe iloczynowi ciśnienia par czystego składnika
i jego ułamka molowego w roztworze.
Analogicznie, jeśli mieszanina składa się z dwóch lotnych składników, ich
ciśnienia cząstkowe można wyrazić wzorami:
pA = PA·xA
(1)
pB = PB·xB
(2)
gdzie: pA, pB – ciśnienia cząstkowe składników A i B
PA, PB – ciśnienia par czystych składników
xA, xB – ułamki molowe składników A i B w roztworze.
Ciśnienie całkowite nad roztworem jest sumą ciśnień cząstkowych:
P = pA + pB = PA·xA + PB·xB
W przypadku wrzenia cieczy P = Patm.
Równania 1 i 2 przedstawiają treść prawa Raoulta, które można zilustrować na
przykładzie układu benzen-toluen, tworzących roztwór praktycznie doskonały
(Rys. 1).
Rys. 1. Prężność pary składników i sumaryczna prężność pary dla prawie
doskonałego układu benzen – toluen w temp. 20°C.
Jak widać, prężność pary każdego składnika zależy w sposób liniowy od
jego ułamka molowego w cieczy, a całkowite ciśnienia nad roztworem jest suma
obu ciśnień cząstkowych. Prawo Raoulta jest zazwyczaj spełniane w przypadku
roztworów bardzo rozcieńczonych. Jeżeli uprościmy założenia do roztworu
dwuskładnikowego, możemy określić stosunek ułamków molowych obu
składników w parze pozostającej w równowadze z roztworem o składzie
wyrażonym przez ułamki molowe xA i xB w fazie ciekłej równaniem:
xApara/ xBpara = PA·xA/ PB·xB, z którego wynika, że para staje sie bogatsza
w składnik bardziej lotny (tj. o niższej temperaturze wrzenia).
Z praktycznego punktu widzenia wygodniejsze jest przedstawianie stanu
równowagi ciecz-para w układzie współrzędnych temperatura-skład roztworu.
Dla wspomnianego już prawie idealnego układu benzen-toluen, wykres taki
przedstawiono na Rys.2. Wykres ten przedstawia zależność składu pary nad
roztworem w zależności od składu cieczy w określonej temperaturze. Skład pary
nad cieczą wyznaczają poziome linie przerywane.
Rys. 2. Wykres temperatury wrzenia dla prawie doskonałego układu benzen –
toluen pod ciśnieniem 1 atm.
Jednak niewiele roztworów spełnia takie warunki, dlatego bardzo często
występują odchylenia od prawa Raoulta, dodatnie lub ujemne. Oznacza to, że
sumaryczna prężność pary nad roztworem jest albo niższa albo wyższa niż w
przypadku roztworu doskonałego.
Rozróżnia się cztery typy destylacji: destylację prostą, destylację
frakcyjną, destylację z parą wodną i destylację pod zmniejszonym ciśnieniem.
W destylacji prostej pary cieczy poddaje się skropleniu przez bezpośrednie
oziębianie, co pozwala z reguły tylko na zagęszczenie składników mieszaniny w
poszczególnych coraz wyżej wrzących frakcjach.
Kolbę destylacyjną zawierającą ciecz (i kamyczek wrzenny) umieszcza się w
płaszczu grzejnym lub na łaźni wodnej. Montuje się nasadkę destylacyjną,
chłodnicę (w zależności od temperatury wrzenia cieczy wodną lub powietrzną)
oraz przedłużacz. Niekiedy te części aparatury stanowią całość, noszącą
wówczas nazwę chłodnicy destylacyjnej. Zintegrowany w ten sposób zestaw
znacznie ułatwia montaż aparatury. Chłodnicę wodną podłącza się do
ujęcia wody w taki sposób, aby woda wpływała niższym, a wypływała wyżej
położonym tubusem. U wylotu umieszcza się odbieralnik. Może to być kolba
stożkowa, kolba okrągłodenna lub butelka ze szlifem. W zasadzie nie powinno
się używać zlewki. Termometr umieszcza się w ten sposób, aby zbiorniczek
rtęci znajdował się naprzeciw wlotu par do chłodnicy. Szlify w zestawionej
aparaturze należy posmarować cienką warstwą smaru pamiętając, że nadmiar
smaru zanieczyszcza destylowaną
ciecz. Istotną
sprawą
jest dobór
odpowiedniego rozmiaru kolby destylacyjnej. Przy rozpoczęciu destylacji kolba
nie powinna być napełniona więcej niż do 2/3 objętości. Dodanie kamyczka
wrzennego ma na celu zapewnienie równomiernego wrzenia ułatwia, bowiem
powstawanie pęcherzyków pary. Bez kamyczków wrzennych następuje
przegrzewanie cieczy i jej „rzucanie”. Jeśli zapomniano o kamyczku wrzennym,
a ciecz jest już gorąca i prawdopodobnie przegrzana, to przed dodaniem
kamyczka wrzennego należy ciecz ochłodzić. W przeciwnym razie może
nastąpić gwałtowne wrzenie i wyrzucenie cieczy z naczynia (kamyczki wrzenne
są jednorazowego użytku i po każdym przerwaniu wrzenia należy dodać
świeży kawałek niepolewanej porcelany). Po rozpoczęciu wrzenia można
zauważyć pierścień skraplającej się pary, podnoszący się w kolbie i nasadce.
Termometr zaczyna wskazywać wzrost temperatury aż do chwili, gdy zacznie
się destylacja. Przy silnym grzaniu duża ilość destylatu przechodzi jako niżej
wrzący przedgon. Jeśli destylacja jest zbyt wolna, to z powodu strat ciepła
można nie zaobserwować prawdziwej temperatury wrzenia.
Nigdy nie należy destylować substancji "do sucha"!
Rys. 1. Zestaw do destylacji prostej.
Wykonanie ćwiczenia
1. Należy sporządzić 50 cm3 roztworu kwasu octowego o stężeniu ok. 30%.
W tym celu do cylindra miarowego o pojemności 50 cm3 wlać 15 cm3
kwasu octowego i uzupełnić wodą do objętości 50 cm3. Roztwór ten
przenieść do kolby destylacyjnej.
2. Wrzucić do kolby destylacyjnej klika (ok. 3 szt.) kamyczków wrzennych.
3. Zmontować zestaw destylacyjny.
4. Odkręcić zawór wodny w układzie chłodzenia.
5. Włączyć ogrzewanie.
6. Ogrzewać kolbę aż do wrzenia i do osiągnięcia stanu równowagi. Destylat
zbierać do odbieralnika.
7. Kiedy objętość destylatu wynosi kilka mililitrów odczytać temperaturę, a
następnie pobrać próbki o objętości 2 cm3 z kolby destylacyjnej (przez
boczny tubus) oraz z odbieralnika, przenieść je do kolbek stożkowych i
natychmiast miareczkować 1 M roztworem NaOH w obecności
fenoloftaleiny (2-3 krople) do zmiany zabarwienia próbki na kolor
różowy.
8. Następnie do kolby destylacyjnej dodać 25 cm3 czystego kwasu octowego
i ponownie ogrzewamy do wrzenia.
9. Po ustaleniu się stanu równowagi pobieramy próbki o objętości 2 cm3 z
kolby destylacyjnej oraz z odbieralnika i postępujemy jak wyżej.
10. Czynności te wykonujemy aż do osiągnięcia stężenia kwasu octowego w
kolbie destylacyjnej ok. 90%, notując temperaturę wrzenia.
11. Ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę, czynności te należy
wykonywać po konsultacji z osoba prowadzącą ćwiczenia.
12. Otrzymane wyniki zestawić w tabeli 1.
VNaOH dla
próbki z kolby
VNaOH dla
próbki z
odbieralnika
C(%)
CH3COOH
w cieczy
C(%)
CH3COOH
w parze
Temperatura
Opracowanie wyników
1. Dla każdej próbki należy obliczyć zawartość procentowa kwasu
octowego. W obliczeniach można się posłużyć uproszczonym równaniem:
C(%) CH3COOH = 3· VNaOH [cm3]
Równanie to uwzględnia stężenie roztworu NaOH, masę molową kwasu
octowego i wszystkie przeliczniki jednostek.
2. Na podstawie obliczonych wartości należy sporządzić wykres zależności
temperatury wrzenia od składu pary oraz cieczy (dwie krzywe)
analogicznie do Rys. 2. Temperatura wrzenia czystej wody wynosi
100 C, a czystego kwasu octowego 118 C.