Destillationskolonn 3 Uppställningen består av en destillationskolonn med åtta Pt100- givare för att mäta temperaturen på de olika bottnarna. Magnetventilen, som är placerad på toppen av kolonnen, kontrolleras av en reläbox och används för att styra destillationsuttaget. Värmemanteln, som är placerad längst ner på kolonnen, används för att starta förångningsprocessen i kolonnen. Den styrs också med en reläbox. Uppgiften är att mäta temperaturerna på de olika bottnarna med ett LabView-program som också styr reläboxarna. Mätdata från givarna samlas in med ett datainsamlingskort, ett s.k. DAQ-kort. Metanol/Etanol c:a 5/100, helst inget vatten. Utsug pelare TS06. kylvatten magnetventil 8st Pt100-givare Enhet för temperaturgivare Värmemantel
4 Etanol: Smältpunkt 114,3 o C Kokpunkt 78,4 o C (vid 1 bar) Densitet 0,784 10 3 kg/m 3 Specifika värme kap. 2,43 kj/kg/k Ångbildningsvärmet 841 kj/kg Metanol: Smältpunkt 98 o C Kokpunkt 64,7 o C (vid 1 bar) Densitet 0,786 10 3 kg/m 3 Specifika värme kap. 2,50 kj/kg/k Ångbildningsvärmet 1100 kj/kg (vatten 2260 kj/kg) Värmemanteln styrs via ett 24 V-relä. Reläet sluter om det får 5 V styrspänning. När värmemanteln är tillslagen lyser en röd lampa på reläboxen. Styrsignalen till transistorn kopplas från DIO0 (49) till 10 K-motståndet och från DGND (15) till 24V-jorden. 24 V Relä 10 K 0-5 V BC337 Värmemantel 230 V/50 Hz
5 Magnetventilen styrs också via ett 24 V-relä. Reläet sluter om det får 5 V styrspänning. Magnetventilen öppnar och en röd lampa lyser på reläboxen. När magnetventilen öppnar kan destillatet tappas av. Styrsignalen till transistorn kopplas från DIO1 (17) till 10 K-motståndet och från DGND (15) till 24V-jorden. 24 V Relä 10 K 0-5 V BC337 Magnetventil Temperaturgivare (8 st) Temperaturen i kokaren och på bottnarna i destillationskolonnen mäts med 8 stycken pt-100 element, numrerade 0 7, räknat från kokaren till toppen av kolonnen. I kokaren mäts temperaturen med 0:te elementet (kanal 0). De olika bottnarna får då elementen med numren 1 7, där den 7:e mäter temperaturen, där uttag av destillatet görs. Pt-100-givarnas resistans ändras med temperaturen. I intervallet 0-800 o C ges sambandet av ekvationen R(t) = R 0 (1+ At + Bt 2 ) t= temperaturen i o C R 0 =100 Ω A = 3,90830. 10-3 o C -1 B = - 5,77500. 10-7 o C -2 I intervallet 0-100 o C kan man emellertid approximera med det linjära sambandet R(t) = R 0 (1+ α t), där α = 0,00358 o C -1
6 Här gäller: 0 o C motsvarar 100,0 Ω, 100 o C motsvarar 138,5 Ω Resistansen bestäms genom att man mäter spänningen över elementet vid konstant ström, här 1,000 ma. Kretsen nedan realiserar detta. AD587 är en 10 V-referenskälla, kopplad för att ge strömmen 1,00 ma genom Pt-100-givarna. 10 uf + +15V 100 nf 2 1 uf + 6 8 AD587 4 +15 V 10 uf + 10 K 1% 100 nf 7 2 1 ma 6 3 + + + 10 uf 4 OPA177 Pt-100 ut 100 nf -15V Anslutning av givarna till DAQ-kortet sker differentiellt, varvid förbindningen från temperaturboxen till DAQ-kortet blir Temp.givare 0 + AICH 0 (68) AICH 8 (34) Temp.givare 1 + AICH 1 (33) AICH 9 (66) Temp.givare 2 + AICH 2 (65) AICH 10 (31) Temp.givare 3 + AICH 3 (30) AICH 11 (63) Temp.givare 4 + AICH 4 (28) AICH 12 (61) Temp.givare 5 + AICH 5 (60) AICH 13 (26) Temp.givare 6 + AICH 6 (25) AICH 14 (58) Temp.givare 7 + AICH 7 (57) AICH 15 (23)
7 Till varje kanalkontakt på kortet är biasmotstånd på 100 K monterade för att förhindra att förströmmar laddar förstärkarstegets strökapacitanser och får steget att bottna. Destillation Vid en destillationsprocess avskiljs en vätska från ett annat ämne genom att vätskeblandningen förångas, varefter ångan kondenseras. Fraktionerad destillation kallas en process, när en blandning, via destillation, separeras i en serie fraktioner med olika flyktighet. Den enklaste metoden att göra detta är att efterhand förånga den flyktiga blandningen samt bortföra och kondensera ångan, allteftersom den bildas. En rektifieringsprocess, vilket är en slags fraktionerad destillation, delas en binär blandning upp i sina beståndsdelar och kan beskrivas enligt följande. Då en vätskeblandning kommer i kontakt med en ånga, som innehåller mindre än jämviktsmängden av den lättare, flyktigare beståndsdelen, sker materialutväxling mellan faserna. Detta innebär att en del av det flyktigare materialet övergår till ångfas och en motsvarande mängd av det mindre flyktiga övergår till vätskefas. Om faserna tillåts röra sig motströms i för hållande till varandra över en längre sträcka ansamlas det lättare materialet i ångfasen och det tyngre i vätskefasen. Ju längre sträckan är, ju renare blir de olika faserna. En rektifieringskolonn eller en fraktioneringskolonn består av en vertikal cylinder som kan innehålla en serie av skivor, så kallade mellanbottnar (så är fallet i detta projekt), eller ett fyllnadsmaterial med stor specifik yta. Båda anordningarna ger god kontakt mellan ångan och vätskan genom hela kolonnen. Högst upp i kolonnen finns en kondensor och längst ner en ångbildare, s.k. återkokare. (i detta projekt upphettas denna av värme Manteln). Ångkokaren avger en ström av ånga, som stiger uppåt genom kolonnen till kondensorn, där den fullständigt kondenseras, varefter en del återförs till kolonnen som återlopp. På grund av utbytet mellan faserna består vätskan och ångan högst upp nästan enbart av den lättare beståndsdelen (metanol) och materialet längst ner av den tyngre beståndsdelen. Rektifieringen kan fungera antingen satsvis (som i projektet) eller via
8 kontinuerligt tillflöde av destillationsblandningen. Vid satsvis destillation sker ångbildningen i ett kärl, där det ämne som skall förångas placeras. Under destillationens gång avges de olika beståndsdelarna i ordning efter sin flyktighet, med mer eller mindre tydlig avskiljning. Separationsförmågan hos en rektifieringskolonn beror av längden av den sträcka över vilken kontakten mellan vätska ock ånga kan ske samt på det tillämpade återloppsförhållandet. Detta är förhållandet mellan den vätskemängd som återgår till kolonnen som återlopp, och den vätskemängd som avlägsnas från toppen av kolonnen. Rektifiering har stor industriell betydelse och är den viktigaste separationsprocessen som utnyttjas inom petroliumindustrin. Vid rektifieringen styrs R= återflödesförhållandet =återflöde/destillat. där D är öppentiden och L stängningstiden för magnetventilen. L och D väljs så att R=10 antas vara fullständigt återflöde (magnetventilen helt stängd).