Experimentelle Vermessung von Dampf-Flüssigkeits-Phasengleichgewichten

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1 Experimentelle Vermessung von Dampf-Flüssigkeits-Phasengleichgewichten

2 Verfahrenstechnik in Einzeldarstellungen Herausgegeben von Dr.-Ing. J. Spangier und Dr.-lng. W. Matz =================!!================= Experin1entelle Vermessung von Dampf-Flüssigkeits-Phasengleichgewichten dargestellt am Beispiel des Siedeverhaltens von Fettsäuren Von Dr. E. Müller und Dr. H. Stage Harnburg Köln-Niehl Mit 53 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Beidelberg GmbH 1961

3 D 82 (Diss. T. H. Aachen) ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, Insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Olme ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokople, Mikrokopie) zu vervielfält.igcn by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1961 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG., Berlin/Göttingen/Heide1berg 1961 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1961 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An nahme, daß solche Namen Im Sinne der Warenzeichen und Markenschutz-Gesetz gebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen

4 Vorwort Seit vielen Jahren bearbeiten wir in unserem Laboratorium eingehend alle Fragen, die mit der Stofftrennung auf destillativem Wege in Verbindung stehen. Da in der Praxis auch in einfachen Fällen die Bedingungen für den Eingangszustand im allgemeinen nicht gleich bleiben, gelingt eine rein rechnerische Behandlung des Trennvorganges allein fast nie. Der sicherste Weg führt auch heute noch stets vom Laborversuch über die "Pilot Plant" zur Großanlage. Um nach den Versuchsergebnissen des Laboratoriums und des Technikums auf technische Dimensionen übertragen zu können muß man einerseits in den betreffenden Maßstäben über Versuchsmodelle verfügen, die eine zuverlässige Übertragung auf größere Abmessungen sowohl hinsichtlich des Durchsatzes als auch im Hinblick auf die Wirksamkeit gestatten, und andererseits aus der Fülle der sich bietenden Versuchsmöglichkeiten durch Vorausberechnung bereits eine Auswahl treffen. Modelle zur Durchführung derartiger Versuche im Laboratoriums- und Technikumsmaßstab wurden in den letzten Jahren im Fachschrifttum mehrfach beschrieben. Dagegen liegen verwertbare Angaben über das Destillationsverhalten bisher nur für eine geringe Zahl von Gemischen vor. Besonders gilt dies hinsichtlich des Einflusses von Spurenbeimengungen, die, wie wir heute wissen, das Destillationsverhalten und damit die Trennbarkeit in vielen Fällen entscheidend beeinflussen können. Zur Festlegung des Aufarbeitungsschemas für ein neueres Trennproblem werten wir vor Beginn jeder Wirksamkeitsberechnungen oder Versuche, zunächst einmal alle uns aus der Literatur zugänglichen Angaben über das Gleichgewichtsverhalten der im Ausgangsgemisch enthaltenen Komponenten aus. Hierzu verfolgen wir seit Jahren sämtliche in der Fachliteratur veröffentlichten Angaben über Dampfdrucke von Einzelkomponenten und Gemischen, über das Gleichgewichtsverhalten von Zwei- und Mehrstoffsystemen, über die Löslichkeit von Gasen und Dämpfen in Flüssigkeiten sowie über die jeweils benutzte Apparatur und Arbeitstechnik. Die von uns gesammelten Unterlagen über Daten, Apparaturen und Verfahren der Dampfdruck-, Gleichgewichts- und Löslichkeitsbestimmung veröffentlichen wir periodisch im Rahmen der von der Ingenieur-Abteilung der Farbenfabriken Bayer herausgebrachten "Fort-

5 VI Vorwort schritte der Verfahrenstechnik". Da wir diese Arbeit im Interesse einrr schnelleren und vollständigeren Literaturauswertung auch in Zukunft fortsetzen wollen, sind wir für jede Unterstützung durch Hinweise auf entsprechende Arbeiten und Zusendung von Sonderdrucken dankbar. Trotz der Vielzahl der bisher gesammelten Unterlagen - uns liegen z. B. zur Zeit Dampfdruckdaten für mehr als 5000 Komponenten sowie Gleichgewichtsangaben für über 2000 Gemische vor- vergeht kaum ein Tag, an dem wir nicht für neue Aufgaben zusätzliche Zahlenwerte benötigen. So haben wir uns bereits seit vielen Jahren auch mit der rechnerischen und experimentellen Seite der Dampfdruck- und Gleichgewichtsbestimmung sowie deren thermodynamischer Überprüfung auseinandergesetzt. Die von uns benutzten Apparaturen und unsere Versuchstechnik haben wir im Laufe der Zeit zur Steigerung der Genauigkeit und Beschleunigung des Meßvorganges mehrfach geändert. Nachdem sich eine in unserem Laboratorium vor einigen Jahren entwickelte Gleichgewichtsapparatur und Arbeitsweise nicht nur bei uns, sondern auch bereits an vielen anderen Stellen zur Vermessung schwer zu handhabender Gemische unter extremen Bedingungen der Temperatur und des Druckes bewährt haben, wollen wir sie mit der vorliegenden Veröffentlichung der Allgemeinheit zugänglich machen, zumal heute ein ausgesprochenes Interesse für eine einfache, sichere und schnelle Gleichgewichtsbestimmung besteht. Die isobare Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts-Vermessung wird heute überwiegend mit dem Ziel ausgeführt, Angaben über das destillative Verhalten des betreffenden Systems zu erhalten. Die an verschiedenen Gemischen ausgeführten Messungen unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der äußeren Bedingungen des Druckes und der Temperatur, der physikalischen Eigenschaften der Komponenten und der analytischen Bestimmungsverfahren für die anfallenden Dampf- und Flüssigkeitsproben. Den besten Überblick über die bei Gleichgewichtsmessungen auftretenden Probleme erhält man daher, wenn die Bestimmungen unter extremen Bedingungen des Druckes, der Temperatur und der Gemischeigenschaften durchgeführt werden. Derartige Verhältnisse liegen bei den von uns gewählten Gemischen aus den gesättigten, geradzahligen und geradkettigen höheren Fettsäuren vor. Aus Stabilitätsgründen müssen die Messungen in kürzester Zeit bei möglichst niedrigen Drucken und Temperaturen vorgenommen werden. Erschwerend wirken weiter für die Betriebsweise die auftretenden hohen Erstarrungspunkte sowie für die Analyse die geringen Unterschiede der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gemischpartner. In der vorliegenden Arbeit wurde ganz bewußt die praktische Seite der Gleichgewichtsvermessung und ihre Auswertung in den Vordergrund

6 Vorwort VII gestellt. Gerade hierüber ist bisher in der Literatur am wenigsten zu finden, obgleich sie den größten Einfluß auf die Genauigkeit der Gleichgewichtsbestimmung ausübt. Es handelt sich um eine spezielle Untersuchung, die- so glauben wir- allgemeines Interesse beanspruchen dürfte. Sie wurde aus der Praxis geboren und ist für die Praxis bestimmt. Nicht zuletzt auch aus diesem Grunde sind wir an Diskussionsbemerkungen sehr interessiert, die wir an unsere unten angegebene Anschrift erbitten. Zum Abschluß ist es mir ein ausgesprochenes Bedürfnis, den Herausgebern dieser Reihe, den Herren Dr. Ing. J. SPANGLER und Dr. Ing. W.MA'rz, fürdas rege Interesse an dieser Arbeit herzlich zu danken. Mein besonderer Dank gilt ferner dem Springer-Verlag für die gute Ausstattung des Buches. Köln-Niehl, im Frühjahr 1961 Emderstraße 10 Hermann Stage

7 Inhaltsverzeichnis Zur Einführung Seite I. Die Bedeutung der Fettsäuregleichgewichte und die Voraussetzung für ihre Vermessung II. Die Herstellung der reinen Fettsäuren a) Die Destillationskolonne b) Die Destillation c) Die Kristallisation III. Die Ermittlung genauer Dampfdruckkurven IV. Die Temperaturbeständigkeitsprüfung und Probenanalyse V. Die Gleichgewichtsmessung ii2 a) Übersicht über Konstruktionsprinzipien und Fehlerquellen bisher verwendeter Gleichgewichtsapparaturen b) Beschreibung der eigenen Apparatur c) Die Arbeitsweise bei der Gleichgewichtsmessung d) Die Temperatur- und Druckmessung e) Prüfung der Gleichgewichtsapparatur f) Die Vermessung der Phasengleichgewichte der Fettsäuren g) D:skussion der Ergebnisse der Gleichgewichtsmessungen VI. Der derzeitige Stand unserer Erkenntnisse und die Forschungsaufgaben für die Zukunft VII. Zusammenfassung 103 Schrifttum Namenverzeichnis Sachverzeichnis