8.1.2 Theoretische achtergrond

 



Figuur 8.2 Opstelling voor een enkelvoudige stoomdestillatie [8].

8.1.2.1 Enkelvoudige destillatie
De basis elementen van waaruit een destillatie opstelling kan worden gebouwd zijn (zie figuur 8.2): een destillatiekolf waarin het oorspronkelijke vloeistofmengsel wordt verwarmd, een destillatie-opzet die de overgang vormt van de destillatie kolf naar de koeler en waarin een thermometer kan worden geplaatst, een koeler waarin de verdampte vloeistof weer wordt afgekoeld, zodat het condenseert en een opvangkolf waarin de gecondenseerde vloeistoffracties kunnen worden opgevangen.

Als een thermisch evenwicht is bereikt laat de thermometer het kookpunt zien van het kokende mengsel. Als het daarbij gaat om een zuivere stof die wordt verwarmd, zal dit kookpunt constant blijven zolang er damp van de stof verdampt en de thermometer passeert naar de koeler toe waarin de damp wordt gecondenseerd.

Echter als er sprake is van een mengsel van twee stoffen A en B zal dit niet het geval zijn. De samenstelling van de damp en de temperatuur waarbij een vloeistofmengsel kookt worden dan bepaald door de wet van Dalton en de wet van Raoult.

De wet van Raoult stelt dat een partiële dampdruk van een component A ( PA) voor een ideaal vloeistofmengsel gelijk is aan het product van de partiële dampdruk van de zuivere stof A bij die temperatuur ( PA0) en de molfractie van de component (xA) in het vloeistofmengsel. Dus:

Wet van Raoult PA = xA * PA0 (8.1) met

xA =
aantal mol A
= de molfractie van A (8.2)
  aantal mol A + aantal mol B in de vloeistoffase  

De wet van Dalton stelt dat de totale dampdruk gelijk is aan de som van de partiële dampdrukken (Pi). Dus voor een mengsel van A en B geldt:

Ptotaal = PA + PB = xA * PA0 +xB * B0 (8.3)  

Met behulp van deze twee vergelijkingen kan voor een ideaal vloeistofmengsel van twee stoffen A en B worden berekend bij welke temperatuur het mengsel kookt (indien PA­­0 en PB0 bij elke temperatuur bekend zijn). Als het mengsel kookt moet namelijk gelden dat:

Ptotaal = xA * PA0 + xB * PB0 = Pomgevingsdruk (8.4)  

en bij iedere xA en xB kunnen de molfracties van de stoffen in de gasfase (yA en yB) worden berekend met:

yA = PA / Ptotaal en

yB = PB / Ptotaal = (1 – yA ) (in de gasfase) (8.5.)  

Met behulp van deze gegevens kan een T,x-diagram worden geconstrueerd. In zo'n T,x-diagram staat de temperatuur versus de samenstelling van het mengsel uitgezet. Ingetekend zijn de lijnen bij welke temperatuur een bepaalde samenstelling kookt (de kooklijn) en de daarbij horende dampsamenstelling (de damplijn).

Bij wijze van voorbeeld gaan we uit van een vloeistofmengsel waarin het aantal mol A in het begin gelijk is aan het aantal mol B. Hierbij is A de vluchtigste component, met dus de hoogste dampdruk en het laagste kookpunt (zie figuur 8.3).

Figuur 8.3 T,x diagram van een A,B-mengsel.

Wanneer het mengsel aan de kook wordt gebracht, zal de dampfase rijker zijn aan de vluchtigste component: A. In figuur 8.3 is dat te zien door te kijken welke dampsamenstelling bij xA = 0.5 (=> xB = 0.5) hoort. In de figuur stelt de bovenste lijn de damplijn voor en de onderste lijn de kooklijn. Hieruit valt op te maken dat het vloeistofmengsel bij een temperatuur van T0 (ongeveer gelijk aan 92°C) kookt. De dampsamenstelling kan worden afgelezen door een horizontale lijn (de temperatuur van de damp = temperatuur van de vloeistof!) te trekken van de kooklijn naar de damplijn. De bijbehorende dampsamenstelling is: yB = 0.2 => yA = 1 – yB = 0.8. De dampfase is dus inderdaad rijker aan de vluchtigste component.

Als nu echter damp van deze samenstelling boven de vloeistof wordt weggehaald, zoals bij destillatie gebeurt, dan zal de samenstelling in de kolf veranderen. Deze zal steeds rijker worden aan de minst vluchtige component. Omdat xB dan groter wordt, zal het bijbehorende kookpunt van de vloeistof ook hoger liggen.

Omdat er continu damp tijdens de destillatie wordt weggehaald blijft dit proces: het hoger worden van de molfractie B in de kolf en de daarmee gepaard gaande verhoging van het kookpunt zich herhalen. Hierdoor zal tijdens de destillatie de temperatuur volgens de kooklijn naar rechts omhoog kruipen. Echter de damp verandert hierdoor ook continu van samenstelling: bijvoorbeeld als xB = 0.6 (xA = 0.4) geldt dat de kooktemperatuur van 92°C naar 97 °C is toegenomen en yB = 0.27 => yA = 0.73.

Het netto resultaat van een zogenaamde enkelvoudige destillatie is dat wanneer een vloeistofmengsel wordt gedestilleerd waarvan de kookpunten onderling minder dan circa 50 °C verschillen er effectief nauwelijks scheiding optreedt. Als de destillatietemperatuur als functie van het volume destillaat wordt uitgezet krijg je in deze situatie de gestippelde lijn uit figuur 8.4: er treedt continu temperatuurstijging op tijdens de destillatie.

Figuur 8.4 Destillatiecurve waarin de destillatietemperatuur is uitgezet als functie van de opgevangen hoeveelheid destillaat. ---- enkelvoudige destillatie; ___ fractionele destillatie

vorige pagina volgende pagina

   
     
home
Deze website is gemaakt door Oxbo

Scheidingsmethoden in de organische chemie