Practicum: Fysische en Chemische Technologie. DE DESTILLATIE KOLOM Auteur: N.M. Leurs Revisie: T. Schmeetz/ D. Dijkstra Versie: 1.3 Datum: Augustus 2010
Inhoud 1. Inleiding... 3 1.1. Doel... 3 2. Theorie... 4 3. Opstelling... 8 3.1. De kolom... 8 3.2. Dest-star... 9 3.3. Voorbereiding opstart van de destillatiekolom... 10 3.4. Bedrijven van de destillatiekolom... 10 3.5. Uit bedrijf nemen van de destillatiekolom... 10 4. Uitvoering van experiment... 11 4.1. De destillatie... 11 Bijlage 1 Veiligheid... 12 Bijlage 2 Meetstaat destillatie... 13 Destillatie Kolom Pagina 2 van 13 Versie 1.3
1. Inleiding Aan het project van destillatiekolom bij Hogeschool Zuyd kunnen verschillende proeven door de student uitgevoerd worden. Een van deze opdrachten wordt hier beschreven. Het doel van deze opdrachten is om de theorie, eventueel reeds opgedaan in de theorie, te toetsen aan de praktijk. Hierdoor wordt meer kennis en vaardigheid opgedaan betreffende het onderwerp scheiden op basis van verschil van kookpunten (vluchtigheid). In de procesindustrie heb je vaak te maken met vloeistofmengsels die je moet scheiden. Je kunt een vloeistofmengsel scheiden met behulp van destillatie. Aardolie is een mengsel van meer dan honderd verschillende vloeistoffen. In een raffinaderij destilleren ze de aardolie, zodat we een aantal fracties krijgen. In een fractie zitten verschillende vloeistoffen met ongeveer hetzelfde kookpunt. Zo verkrijgen we benzine, stookolie en andere fracties. Ook sterke drank, zoals cognac, maken we door te destilleren. De grondstof voor cognac is wijn. De hoofdbestanddelen van wijn zijn water en alcohol. In een destilleerderij laat met de wij in een ketel koken. Alcohol heeft een lager kookpunt dan water. De kookdamp is rijker aan alcohol dan de vloeistof die in de ketel achter blijft. De damp laten we condenseren. Het condensaat, eindproduct, is rijker aan alcohol dan wijn. Men noemt dit dan ook `gedestilleerd`. Destillatie is een scheidingsmethode die gebruik maakt van het verschil in de vluchtigheid van stoffen. 1.1. Doel - Het scheiden van een mengsel van 2 of meer stoffen die verschillende kookpunten hebben. Destillatie Kolom Pagina 3 van 13 Versie 1.3
2. Theorie Wat is destillatie en rectificatie? Destilleren: Scheiden op basis van verschil van kookpunten (vluchtigheid) Rectificeren: Een bepaalde manier van herhaald destilleren Koken: Zuivere stoffen hebben een kookpunt Mengsels hebben een kooktraject Binair mengsel: 2 componenten (als 1 component bekend is, dan is de andere component te berekenen) Destilleren Destilleren is een scheidingsmethode. Bij destillatie gaat het om de vluchtigheid van de vloeibare stoffen. Een mengsel van vloeistoffen wordt aan de kook gebracht. De stof met het laagste kookpunt verdampt als eerste. Door deze damp te koelen, wordt de damp weer vloeibaar. Deze vloeistof wordt opgevangen. De opgevangen vloeistof is bijna een zuivere stof. Als de destillatie te lang duurt verdampt het grootste deel van het mengsel. De kans bestaat dat er dan meerdere stoffen verdampen. Wordt dit deel opgevangen in de zelfde bak als de vloeistof die als eerste verdampt dan krijg je opnieuw een mengsel. Het is dus noodzakelijk om verschillende keren een klein beetje op te vangen. Deze verschillende hoeveelheden worden fracties genoemd. Met behulp van een ander onderzoek kan je dan uitzoeken welke fracties zuivere stoffen zijn. Op deze manier kan bepaald worden om welke stof het gaat. Soms liggen de kookpunten van de stoffen dicht bij elkaar. Het lukt dan niet om in een keer een zuivere stof te krijgen. Om het scheiden dan beter te laten verlopen kan gebruik worden gemaakt van een zogenaamde vigreux. Een andere naam voor vigreux is spijkeropzet (zie afb.1). Om een volledige scheiding door destillatie te verkrijgen, mag de damp die eerst condenseert alleen deeltjes (moleculen) bevatten van de component met het laagste kookpunt (de vluchtigste component van het mengsel). Dit kan alleen zeer dicht benaderd worden wanneer de kookpunten van de te scheiden componenten voldoende ver uit elkaar liggen. Als vuistregel kan gesteld worden dat bij een gewone destillatie dit kookpuntsverschil minimaal 25 C moet bedragen. Zelfs in deze gevallen bevat het destillaat ook deeltjes (moleculen) van de minder vluchtige componenten van het mengsel en is de scheiding nooit volledig. In de praktijk wordt gebruikgemaakt van gefractioneerde destillatie, een techniek met een hoger scheidend vermogen. Hiermee is het mogelijk om scheidingen te verkrijgen van vloeistofmengsels waarbij het verschil in kookpunt van de samenstellende componenten merkelijk kleiner is dan 25 C. Een perfecte scheiding van het mengsel is ook met deze techniek niet mogelijk. Destillatie Kolom Pagina 4 van 13 Versie 1.3
Deze efficiëntere scheiding wordt verkregen door tussen de destilleerkolf en de koeler (Liebig-koeler) een fractioneerkolom, de zogenaamde Vigreux-kolom, te plaatsen. Dergelijke kolom is een buis gevuld met glazen bolletjes of staafjes of is een buis waarvan de wanden voorzien zijn van vele instulpingen (zie illustratie). De opstijgende damp wordt bij deze techniek bijgevolg verplicht door deze kolom te gaan. Door de lagere temperatuur hoger in de fractioneerkolom condenseert het dampmengsel. De opstijgende damp moet, om de condensator te bereiken, door neerdruppelend condensaat gaan. Door innig contact van de deeltjes (moleculen) van de opstijgende damp met neervallend condensaat, kunnen enkel de deeltjes (moleculen) van de stof met het laagste kookpunt hogerop komen. Bij gevolg, hoe hoger in de kolom, des te rijker de damp aan deeltjes (moleculen) van de vluchtigste component is. Indien de samenstellende vluchtige componenten de wet van Raoult volgen, dan geldt voor de totale dampspanning boven het mengsel P tot = X 1 P 01 + X 2 P 02. De bijdrage van iedere component is recht evenredig met de molfractie X van deze component vermenigvuldigd met zijn dampspanning in zuivere toestand P 0. Dit is een geval van een ideaal mengsel dat door destillatie zeer goed kan gescheiden worden. De scheiding zal des te vollediger zijn naarmate de kookpunten verder uit elkaar liggen. Onderstaande figuur geeft het samenstellingsverloop van een mengsel van twee componenten dat de wet van Raoult volgt. In de ordinaat orden de kookpunten aangegeven van de zuivere componenten van het mengsel (T 1 en T 2 ). Beide punten zijn verbonden door twee krommen die het verloop geven van respectievelijk de samenstelling van het vloeistof- (onderste kromme) en het dampmengsel (bovenste kromme). De abcis geeft de samenstelling van het mengsel weer. Destillatie Kolom Pagina 5 van 13 Versie 1.3
Een mengsel met molfractie van component 1 gelijk aan 0.75 (X 1 = 0.75) en van component 2 gelijk aan 0.25 (X 2 = 0.25) zal koken bij een temperatuur Ta. De onderste kromme geeft de samenstelling weer van de vloeistoffase. Voor dit mengsel is dit het punt a op deze kromme. De dampfase hiermee in evenwicht heeft als samenstelling a, waarvan de molfracties voor beide componenten respectievelijk X 1 = 0.54 en X 2 = 0.46 bedragen. Hieruit volgt dat de damp rijker wordt aan de vluchtigste component 2. Wordt de damp met deze samenstelling gecondenseerd, dan is het aldus verkregen mengsel aangerijkt aan de vluchtigste component. Dit stelt een stap in het destillatieproces voor. De dampfase die in evenwicht is met de vloeistofsamenstelling b, heeft de samenstelling b met als molfracties X 1 = 0.32 en X 2 = 0.68. Bij afkoeling wordt een vloeistof verkregen met deze samenstelling c. Dit is de tweede destillatiestap. Bij elke destillatiestap neemt bijgevolg de molfractie van de vluchtigste component (component 2) steeds verder toe. Bij de gefractioneerde destillatie is het aantal doorlopen destillatiestappen veel groter dan bij een gewone destillatie. Wordt Raoult s wet niet gevolgd, dan treden er afwijkingen op. Deze afwijkingen worden veroorzaakt door verschillen in interacties tussen de moleculen in het mengsel. Men spreekt van positieve afwijkingen indien de totale dampspanning bij een bepaalde samenstelling van het mengsel hoger ligt dan de partiële druk van de zuivere componenten. In dit geval is de aantrekkingskracht tussen de moleculen van beide componenten kleiner dan de aantrekking tussen identieke moleculen binnen iedere component afzonderlijk. Dit resulteert in een mengsel met een lager kookpunt dan dat van de zuivere componenten. Bij negatieve afwijkingen is het andersom. Destillatie Kolom Pagina 6 van 13 Versie 1.3
Onderstaande figuur geeft een kookpuntsdiagram voor een twee componentenmengsel met een positieve afwijking. Een voorbeeld is de destillatie van het mengsel water/ethanol. In dit geval wordt van een azeotrope destillatie gesproken, waarbij een azeotroop mengsel verkregen wordt. Zoals hierboven gesteld, treedt in het kookpuntdiagram een punt op dat een lager kookpunt T d (78.2 C) heeft dan de kookpunten van resp. water T 1 (100 C) en ethanol T 2 (78.3 C) en waarvoor de samenstelling in de vloeistoffase gelijk is aan de samenstelling van de gasfase. Dit betekent dat het mengsel zich in dit punt als een zuivere stof gedraagt. Immers, daar de samenstelling van de dampfase gelijk is aan de samenstelling van de vloeistoffase, kan dit mengsel niet verder gescheiden worden. De samenstelling van het water/ethanol mengsel bedraagt in dit punt d respectievelijk 4 vol.% water (X 1 = 0.04). en 96 vol.% ethanol (X 2 = 0.96). In het voorbeeld van het tranparant ST07 wordt van wijn vertrokken. Wijn heeft een ethanolgehalte van iets meer dan tien percent. Door gefractioneerde destillatie wordt een mengsel verkregen dat 96 vol.% ethanol en 4 vol.% water bevat. Voor het verkrijgen van 100 vol.% ethanol moet het bovenvermelde mengsel verder behandeld worden met een droogmiddel, bv. CaCl 2. Bij de destillatie van de meeste mengsels is de scheiding niet zo volledig. Het effect van de scheiding door destillatie hangt voornamelijk af van de relatieve vluchtigheid α. Als de relatieve vluchtigheid van een mengsel groot is, kunnen we een redelijk zuiver destillaat krijgen. Destillatie Kolom Pagina 7 van 13 Versie 1.3
3. Opstelling 3.1. De kolom Koelwater Condensor Koelwater Topproduct Bodemproduct Koelwater Bodemproduct Destillatie Kolom Pagina 8 van 13 Versie 1.3
3.2. Dest-star 1 De temperatuur bodemproduct regeling. 2 Reflux verhoudingen. 3 Aan/uit. 4 Start knop, zodra de aan/uit schakelaar omgezet wordt, klinkt er een alarm, betekend dat er direct op de start knop gedrukt moet worden. 5 De temperatuur van de top. 6 De drie temperaturen: 1 T bodem 2 T midden 3 T top 7 Met vacuüm, wordt niet gebruikt. Destillatie Kolom Pagina 9 van 13 Versie 1.3
3.3. Voorbereiding opstart van de destillatiekolom 1. Controleer of de afsluiters van de opstelling dicht staan; 2. Open de koelwaterafsluiters (niet te ver openen) van de condensor en productkoeler; 3. Schakel de meet en regelapparatuur in; 4. Denk eraan er wordt maar een kwarts element gebruikt!!! Het apparaat dest-star kan niet meer vermogen aan. 5. Zet de refractometer en de dichtheidsmeter aan zodat deze warm kunnen worden. 3.4. Bedrijven van de destillatiekolom 1. In het begin als de temperatuur van de top constant blijft iedere 10 minuten de temperatuur meten en monsters nemen van bodem en top product.(dichtheid en brekingsindex, waarom alle twee?) 2. Breng het mengsel in de kolf langzaam aan de kook. (power op maximale Wattage); 3. Wacht tot de dampfase bovenin de kolom is; 4. Breng de kolom op Power op 900 W; 5. Laat het systeem hierna nog voor 20 minuten stabiel worden. 6. Controleer gedurende de werkzaamheden de temperaturen en de samenstelling van het top- en bodemproduct. 3.5. Uit bedrijf nemen van de destillatiekolom 1. Schakel de verwarmingselementen uit; 2. Overleg met de begeleider wat met het eindproduct moet worden gedaan; 3. Schakel alle apparatuur uit; 4. Schakel de koeling uit als de kolom op de omgevingstemperatuur is. Destillatie Kolom Pagina 10 van 13 Versie 1.3
4. Uitvoering van experiment 4.1. De destillatie 1. Neem een bodemmonster en een topmonster; 2. Neem de bodemtemperatuur en toptemperatuur op bij het nemen van de monsters; 3. Bepaal de dichtheden van de monsters (bodem en top) 4. Herhaal de monstername en temperatuuropname na 5 minuten. Waarom? 5. Zet de top op continue productafvoer. 6. Neem na elke 10 minuten of na elke temperatuurverloop van 4 C monsters (bodem en top) 7. Neem bij elke monstername de bijbehorende bodemtemperatuur en toptemperatuur en de dichtheid op; 8. Vul de meetstaat in bij elke meting 9. Maak een rapport met conclusies (meetstaat en grafieken) 10. Hoe zuiver heb je het product gekregen? 11. Waarom krijg je geen 100 % zuiver product? 12. Bepaal bij elke meting de massa % ethanol? Destillatie Kolom Pagina 11 van 13 Versie 1.3
Bijlage 1 Veiligheid In de opstelling voor rectificeren wordt met ethanol en water gewerkt. Bestudeer, alvorens met ethanol te gaan werken, de chemiekaart. Persoonlijke beschermingsmiddelen die moeten worden gedragen: handschoenen (ethanol bestendig); veiligheidsbril;. De apparatuur is op verschillende plaatsen beveiligd. Rondom de batchdestillatie opstelling is een lekbak aangebracht. De lekbak moet voorkomen dat bij een eventuele glasbreuk, lekkage of morsen, ethanol en water kan worden verspreid door de hal. Bij alle storingen waarbij brandgevaar, lekkage en/of rioolverlies kan of zal optreden, direct de betreffende leraar waarschuwen. Controleer de aanwezigheid en plaats van de blusapparaten. Boven de opstelling is een centraal afzuigsysteem aangebracht. Destillatie Kolom Pagina 12 van 13 Versie 1.3
Bijlage 2 Meetstaat destillatie Tijdstip T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) nd 20 Top ρ top nd 20 bodem ρ bodem Destillatie Kolom Pagina 13 van 13 Versie 1.3