POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

DESTYLACJA Z PARA WODNĄ

Krawczyk Wojciech, Lewańczuk Marcin, Matysik Maciej , Ulecka Alicja

Wydział Chemiczny

Biotechnologia; rok 1, Gr3

Prowadzący: dr J. Dziak

Wrocław 2009

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze sposobem prowadzenia destylacji kotłowej z parą wodną oraz wyznaczenie stopnia nasycenia pary wodnej (E) przez substancje destylowaną przy różnych szybkościach wypływu pary z dyszy.

Rys.1 Schemat aparatury doświadczalnej

Powyższy rysunek przedstawia aparaturę doświadczalną, w której prowadzono proces. Para wodna powstawała w kolbie (1) pod wpływem działania czaszy grzejnej o regulowanej, za pomocą autotransformatora, mocy. Para transportowana była przewodem (2) do kolby (3) zawierającej toluen i uwalniana przez dysze znajdujące się na końcu przewodu. Koniec przewodu znajdował się poniżej poziomu toluenu. Wytworzona mieszanina par wody i toluenu transportowana była przewodem (4) do chłodnicy (5) gdzie odbywało się jej skroplenie. Destylat odbierany był do cylindra miarowego (6).

1. Metodyka pomiarów

Doświadczenie polegało na wyznaczeniu czasu potrzebnego na odebranie 100 cm³ destylatu (toluen i woda) przy różnych nastawach napięcia na grzałce podgrzewającej wodę użytą do destylacji toluenu. Pomiary wykonano dla wartości napięcia: 150V, 180V, 220V. Odnotowywano również temperatury wrzącego surowca i jego oparów, zmieniające się w czasie trwania procesu.

1. Wyniki pomiarów i obliczenia

Przy obliczaniu doświadczalnych wartości stopnia nasycenia (E) korzystano z następującej zależności:

$$E = \ \frac{p_{A}}{P_{A}}$$

gdzie:

$p_{A} = P\frac{{18m}_{A}}{M_{A}m_{W} + \ {18m}_{A}}$ $\log{P_{A} = 6,95334} - \ \frac{1343,943}{t + 219,377}$ m_A/W = V_A/W  •  ρ_A/W

E – stopień nasycenia

P – ciśnienie zewnętrzne [Pa]

P_A – prężność pary nasyconej substancji A [Pa]

p_A – prężność cząstkowa substancji A w fazie gazowej [Pa]

m_A/W – masa substancji A/wody destylowanej [g]

M_A – masa cząsteczkowa substancji A [kg/kmol]

t – temperatura [K]

V_A/W – objętość substancji A/wody destylowanej [m³]

ρ_A/W – gęstość substancji A/wody destylowanej [kg/m³]

Ciśnienie zewnętrzne (P) w czasie prowadzenia doświadczenia:

$$742\ \left\lbrack \text{mmHg} \right\rbrack\ \bullet 133\left\lbrack \frac{\text{Pa}}{m\text{mHg}} \right\rbrack = 98686\ \left\lbrack \text{Pa} \right\rbrack$$

Masa cząsteczkowa toluenu wynosi 92,13 kg/kmol

Nr pomiaru	Napięcie na grzałce [V]	T1 [K]	T2 [K]	h [m]	destylat	τ [s]
					mw [g]	ma [g]
1	150	358	360,5	0,062	17,41	69,3
2	180	358	359	0,062	17,41	69,3
3	220	358	362	0,062	18,37	68,4

Tabela 1. Dane doświadczalne

Na podstawie powyższych danych i wzorów obliczono doświadczalne wartości stopnia nasycenia (E).

Nr pomiaru	pA	PA	E
1	43172	43222	1,00
2	43172	42628	1,01
3	41559	43821	0,95

Tabela 2. Doświadczalne wartości stopnia nasycenia (E)

Wartość stopnia nasycenia możemy wyznaczyć również z równań, które zaproponowali Sirdje i Romakow. Założyli oni, iż sposób obliczania stopnia nasycenia zależy od rodzaju przepływu pary, który podzielili na trzy zakresy w zależności od liczby C.

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

Rodzaje przepływu pary:

• C > 0,84 – przepływ pojedynczy E = 1

• 0,84 > C > 0,735 – przepływ pianowy $E = 1,17\text{Fr}^{0,12}\left( \frac{A}{\text{nf}} \right)^{0,28}\left( \frac{D}{h} \right)^{- 0,48}\left( \frac{M_{A}P_{A}}{{18P}_{W}} \right)^{- 0,13}$

• 0,735 > C – przepływ strumieniowy $E = 5,52\text{Fr}^{- 0,48}\left( \frac{A}{\text{nf}} \right)^{1,0}\left( \frac{D}{h} \right)^{- 2,3}\left( \frac{M_{A}P_{A}}{{18P}_{W}} \right)^{- 0,48}$

gdzie: Fr - liczba Frouda,

g = 9,81; przyspieszenie ziemskie, [m/s²]

D = 0,125; średnica aparatu, [m]

A = 0,012; pole powierzchni przekroju aparatu, [m²]

f = 1,77 ·10 ^-4 pole powierzchni przekroju dyszy, [m²]

n = 5; liczba dysz,

h = 0,062; wysokość słupa cieczy nad bełkotką, [m]

Obliczenia rozpoczęto od wyznaczenia prędkości przepływu pary wodnej korzystając ze wzoru i danych doświadczalnych :

$$w = \ \frac{m_{W}}{\tau\ \bullet \ \rho_{\text{pW}}\ \sum_{}^{}f}$$

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

m_W - masa wody [m²]

τ – czas [s]

ρ_pW – gęstość pary wodnej [kg/m³]

Nr pomiaru	mW [kg]	τ [s]	ρ [kg/m^3] ^1	∑f	w [m/s]
1	0,0174	1027	0,3536	8,83 · 10^-4	0,054
2	0,0174	532	0,3536		0,105
3	0,0184	266	0,3536		0,222

Tabela 3. Obliczanie prędkości przepływu pary wodnej

Następnie wyznaczono liczbę Frouda (Fr) wg wzoru:

$$Fr = \frac{w^{2}}{\text{gD}}$$

Nr pomiaru	w^2 [m/s]	g [m/s^2]	D [m]	Fr
1	0,00294	9,81	0,125	0,00240
2	0,01097			0,00895
3	0,04907			0,04002

Tabela 4. Obliczanie liczby Frouda

oraz pozostałe parametry potrzebne do wyznaczenia liczby C:

Nr pomiaru	Fr	$$\frac{A}{\text{nf}}$$	$$\frac{D}{h}$$	PA (t=358K)	PW (t=358K) ^2	C	E obliczone	E doświadczalne
1	0,00240	13,88	2,016	42235	57800	2,592	1	1,00
2	0,00895					2,213		1,01
3	0,04002					1,849		0,95

Tabela 5. Obliczanie liczby C oraz E.

Wartości liczby C dla każdego pomiaru mieszczą się w zakresie C > 0,84 dlatego wartość stopnia nasycenia E wynosi 1.

1. Wnioski

Z danych zebranych w czasie prowadzenia doświadczenia oraz poznanych zależności możemy wywnioskować że:

• Im wyższe napięcie w czaszy grzejnej tym większe ilości pary wodnej powstają w kolbie co przyśpiesza szybkość jej transportu do kolby destylacyjnej.

• Im szybszy transport pary wodnej tym więcej energii zostaje dostarczone do destylowanego układu co wzmaga parowanie więc czas na uzyskanie 100 cm3 destylatu jest krótszy.

• Szybkość procesu mam mały wpływ na skład otrzymanego destylatu – mała zmiana stosunku wody do toluenu w destylacie.

• Ciśnienie zewnętrzne wpływa na przebieg procesu – im wyższe ciśnienie atmosferyczne tym stopień nasycenia jest wyższy.

• Temperatura wrzenia mieszaniny toluenu i pary wodnej jest dużo niższa niż czystego toluenu

---

1. ,2 A. Doniec, Zbiór danych do obliczeń z inżynierii chemicznej, Łódź: PŁ, 1981↩