Gemeinsames Praktikum der Fakultät BCI

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1 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : Gemensames Praktkum der Fakultät BCI Der Versuch gehört zum Praktkumberech: Thermodynamk Phasenglechgewchte Messung des Dampf-Flüssg-Glechgewchts (VLE) ener Mschung von Ethylacetat und -Pentanol mt Protokoll Versuchsnhalt : Messung des VLE von Ethylacetat und -Pentanol für ene Isobare Bestmmung von van-laar-parametern Konsstenz thermodynamscher Daten

2 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : Allgemene Hnwese: - Während der Versuche müssen mndestens zwe Personen und en Laborpersonal m Labor sen. - Btte auf Anwesungen des Laborpersonals achten! - Es dürfen kene Lebensmttel mt ns Labor genommen werden. - Schwangere Studentnnen dürfen an den Versuchen ncht telnehmen. - Berets vor Begnn der Versuche snd de Scherhetsdatenblätter von Ethylacetat und -Pentanol zu studeren. - Schutzbrlle + Schutzhandschuhe benutzen! - Es st auf ausrechende Belüftung zu achten (s. Datenblatt Ethylacetat) - Nach den Versuchen snd de Geräte, Werkzeuge und Behälter sorgfältg zu rengen. - Kenes der Lösungsmttel darf n den Abfluss entsorgt werden. Zele des Praktkums: - Vertefung der Vorlesungsnhalte - Stoffdatenermttlung durch Expermente sowe aus der Lteratur - Umgang mt Lösungsmtteln - Darstellung und Auswertung von Versuchsergebnssen - Darstellung: Alle Ergebnsse snd n Form von Tabellen und Dagrammen überschtlch darzustellen. - Auswertung: De Ergebnsse snd mt Lteraturdaten zu verglechen, zu dskuteren, und es soll ene Fehlerdskusson erfolgen.

3 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 3 Messung des Dampf-Flüssg-Glechgewchts (VLE) ener Mschung von Ethylacetat-Pentanol Motvaton Für ene Auslegung von Apparaten, n denen Dampf und Flüssgket nebenenander vorlegen, we Wärmetauschern, Rektfkatonskolonnen und Abschedern, müssen de Dampf-Flüssg-Glechgewchte bekannt sen. Zur Berechnung der Dampf-Flüssg- Glechgewchte werden Stoffdaten benötgt, de durch Ausmessen von Stoffgemschen gewonnen werden. Zel Im Versuch soll mt ener dynamschen Glechgewchtszelle das VLE des Gemsches Ethylacetat-Pentanol bestmmt werden. 3 Aufgabenstellung - Bestmmung des VLE für ene Isobare für das Gemsch Ethylacetat -Pentanol (Darstellung m T-x,yDagramm). - Bestmmung der Aktvtätskoeffzenten und aus den Messdaten. - Bestmmung der Parameter A und A für das van-laar-g E -Modell. - Verglech der Ergebnsse mt Lteraturdaten. - Überprüfung der Daten auf Konsstenz. 4 Versuchsbeschrebung a) Kalbrerkurve De Analyse der Proben erfolgt durch Messung des Brechungsndexes n D der Lösungen. Dazu muss für das zu vermessende System zuerst ene Kalbrerkurve aufgenommen werden. Herzu wrd n D über x Ethylacetat für 0 < x Ethylacetat < n 0,er Schrtten aufgetragen. Bemerkung: Umrechnung x n w (für Enwaage)! Umrechnung w n x (Auswertung tatsächlcher Enwaage)! g M 88,05, M 88,48 gmol Ethylacetat mol Pentanol b) Messung des Flüssg-Dampf-Glechgewchts - Das zu untersuchende Gemsch m Sedekolben vorlegen. - Thermostat enschalten und vorschtg hezen (auf Anwesungen achten!). - Warten, bs sch das Glechgewcht engestellt hat. - Probenahme aus der flüssgen sowe der dampfförmgen Phase und Bestmmung der Konzentratonen. - Versuch be veränderten Temperaturen wederholen. Be der Messung von b) st das Gemsch zur besseren Vsualserung der Dampf/Flüssg-Trennung mt Iod versetzt worden (<0, g).

4 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 4 5 Apparaturbeschrebung De expermentelle Bestmmung des Flüssg-Dampf-Phasenglechgewchts erfolgt nach verschedenen Methoden, deren Ensatz n erster Lne von der Höhe des Systemdrucks abhängt. Zwschen 0-3 bar und engen bar (Labordestllaton) wrd de dynamsche Methode der Zrkulaton der Dampf- und Flüssgphase angewendet. Dabe wrd de Probe erhtzt, und der entstehende Dampf reßt Flüssgket durch das dünne Rohr der Cotrell schen Pumpe mt. In desem Dampf-Flüssgketsgemsch wrd de Glechgewchtstemperatur gemessen. Anschleßend trennen sch Dampf und Flüssgket, der Dampf wrd nach oben und de Flüssgket nach unten abgeführt. Der Dampf strömt n enen Kühler und wrd vollständg kondensert. Der kondenserte Dampf und de Flüssgket werden weder n den Probenraum zurückgeführt, so dass en Kreslauf entsteht. Sowohl vom kondenserten Dampf als auch von der Flüssgket können Proben an dafür vorgesehenen Probeentnahmestellen genommen werden, um de Zusammensetzung zu bestmmen. (s. Bld 5.)

5 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 5 Bld 5.: Aufbauschema der VLE-Apparatur

6 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 6 6 Hnwese zur Theore In der Vorlesung Thermodynamk II werden de Grundlagen zur Beschrebung von Dampf-Flüssg-Glechgewchten gezegt. Vernachlässgt man de Fugaztätskoeffzenten und de Poyntng-Korrektur, so ergbt sch für de Beschrebung des Dampf-Flüssg-Glechgewchts: LV 0 y p x p (6.) Be Kenntns des Systemdrucks und der Renstoffdampfdrücke kann man so zu enem Messpunkt (T, x, y ) den zugehörgen Aktvtätskoeffzenten berechnen. 6. Clausus-Clapeyron-Glechung De Clausus-Clapeyron-Glechung lässt sch aus der Defnton der freen Enthalpe und der Fundamentalglechung für de free Enthalpe ableten. Se lautet für das Verdampfungsglechgewcht: LV dp dt LV h V T(v v L ) (6.) Nmmt man verenfachend an, dass de Verdampfungsenthalpe konstant und das Flüssgketsvolumen gegenüber dem Gasvolumen (d. Gas) zu vernachlässgen st, lässt sch de Glechung ntegreren: lnp LV B A T (6.3) 6. Antone-Glechung Zur Beschrebung der Dampfdruckkurven wrd mestens de Antone-Glechung verwendet. Se st emprsch, st aber der verenfachten Clausus-Clapeyron- Glechung sehr ähnlch. Se lautet: LV B logp A (6.4) T C 6.3 Das van-laar-modell Das Modell von van Laar st en relatv enfaches telemprsches g E -Modell, das de Aktvtätskoeffzenten und mt Hlfe zweer Parameter A und A beschrebt: ln A x A (6.5) Ax A x

7 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 7 ln Ax A (6.6) Ax Ax Für x = 0 st ln (x =) = A und für x = 0 st ln (x =) = A. 6.4 Methode der klensten Fehlerquadrate zur Anpassung von A und A Da für ene grafsche Auswertung zu wenge Messpunkte vorhanden snd, müssen A und A teratv bestmmt werden. Herzu werden de Parameter unter Verwendung des Excel-Solvers mt der Methode der klensten Fehlerquadrate angepasst. Um ene möglchst gute Anpassung der Glechung an de Messwerte zu errechen, müssen möglchst vele snnvolle expermentelle Daten vorlegen. Be der Methode der klensten Fehlerquadrate werden de Quadrate der Abstände zwschen Messpunkt und Kurve für jede Komponente und jede Temperatur T aufsummert. De Parameter werden so angepasst, dass de folgende Zelfunkton mnmal wrd: calc exp ln γ(t) ln γ(t) mn. (6.7) T 6.5 Flächentest Für de Überprüfung der gemessenen Daten auf thermodynamsche Konsstenz wrd das aus der Gbbs-Duhem-Glechung abgeletete Konsstenzkrterum von Redlch und Kster verwendet: ln dx 0 0 (6.8) Trägt man den Integranden ln über dem Molenbruch x auf, ergbt sch ene Funkton mt postven und negatven Ordnatenwerten. Der Flächentest st erfüllt, wenn de Flächen oberhalb und unterhalb der x -Achse glech groß snd. (s. Bld 6.)

8 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 8 Bld 6.: Flächentest Herletung des Flächentests (s. Gmehlng/Kolbe S.3ff): dp dt dn RT p T n E E/RT E E dg G G /RT G /RT T,n p,n T,p,n j Herbe glt: E E E E G E G /T H G /RT V,, lnγ p T T n T,n p,n T,p,n j Für en bnäres System (dx = -dx ) erhält man mt T, p = const. durch Integraton: E g (x) RT E g (x0) RT x E g γ d ln dx 0 RT γ x0

9 BIW-CIW Versuch VLE Blatt : 9 7 Hnwese zum Protokoll (max. 4 Wochen Zet): 7. Enletung (/ Sete, ken Theoretel) 7. Auswertung - Zechnen Se de Kalbrerkurve: n D über x Ethylacetat be 30 C! - Zechnen Se en T-x,y Dagramm für das Gemsch Ethylacetat--Pentanol und tragen Se zum Verglech Werte aus der Lteratur en. Hnwes: Scfnder zur Lteratursuche verwenden (Lteraturquelle angeben). - Berechnen Se de Dampfdrücke der Komponenten mt der Antone-Glechung! Benutzen Se de Antone Konstanten aus der Lteratur. - Bestmmen Se de Aktvtätskoeffzenten der Komponenten be allen gemessenen Temperaturen und Konzentratonen mttels γ-φ Konzept. Nehmen Se herfür an, dass sch de Dampfphase deal verhält und vernachlässgen Se de Poyntng-Korrektur. - Bestmmen Se de Parameter des g E -Modells von van-laar. Verwenden Se herzu de Methode der klensten Fehlerquadrate mttels Excel-Solver (unter Extras(Tools)/Solver bzw. erst be Add-Ins den Solver auswählen). - Bestmmen Se γ beder Komponenten mt den ermttelten van-laar Parametern. - Überprüfen Se de Konsstenz der Messdaten mt Hlfe des Flächentests. Verwenden Se herfür de selbst gemessenen exp (ncht de angepassten calc ) sowe zusätzlch de lnγ,calc beder Komponenten. 7.3 Fehlerdskusson (/ Sete, größter Fehler, vermedbare Fehler, Verbesserungen, kene Fehlerrechnung) 8 Lteratur Gmehlng / Kolbe: Thermodynamk, VCH, Wenhem 990 Rddck / Bunger / Sakano: Organc Solvents, John Wley and Sons, New York 986 DECHEMA Chemstry Data Seres Dechema, Frankfurt am Man, Boublík / Fred / Hála: The Vapour Pressures of Pure Substances, Elsever, Amsterdam 973 CRC-Handbook of Chemstry and Physcs, CRC Press, Boca Raton 99 Stephan / Maynger: Thermodynamk: Grundlagen und technsche Anwendung, Band Sprnger-Verlag, Berln / Hedelberg99 Kühn/ Brret: Merkblätter gefährlcher Arbetsstoffe, Ecomed Verlag, Landsberg am Lech