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Alt 18.02.2019, 22:14   #1   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 10
Dampfvolumen von Ethanol

Hallo Chemieexperten!

Ich leite ein Forum über Destillation von Spirituosen. Dabei tauchen auch immer mal wieder wissenschaftliche Themen auf. Meistens kommen wir recht weit, diesmal ist es schwer.

Mit ein paar Mitgliedern habe ich einen Rechner für diverse Sachen wie Verdünnung von Ethanol-Wasser-Mischungen unter Berücksichtigung der Kontraktion, ein Siedediagrammrechner, welcher auch den Luftdruck berücksichtigt, und für andere Sachen gemacht. (wenn erlaubt, kann ich gerne links schicken)
Nun wollen wir Dampfgeschwindigkeiten berechnen. Dafür brauchen wir das Dampfvolumen. Wir finden dafür zwar verschiedene denkbare Rechenwege, aber kommen leider damit zu unterschiedlichen Ergebnissen. Außerdem finden wir online verschiedene Konstanten zB für die Dichte von Ethanoldampf, was die Rechenergebnisse dann auch sehr variabel macht.

Also es geht erstmal nur um reines Wasser oder reines Ethanol:

1.Wasser:
Hier ist es einfach, weil unter wikipedia zu lesen ist, daß 1kg Wasser 1673l Dampf ergibt und dafür 2257kj (=627Wh) nötig sind.

2.Ethanol:
Hier gibt es zwar die Angabe vom Hvap (232Wh) und der Dichte (0.789 bei 20°C, also einer realistischen Temperatur des abgekühlten Destillats), aber keine Angabe darüber, wie viel liter Dampf man pro kg Ethanol (also aus 232Wh) bekommt.
Nun haben wir zuerst einen Rechenweg über die Dichte von Ethanoldampf:

Leider variieren die Angaben über die Dichte:1.59, 1.59, 1.627, 1.5, 1.6, 1.435 (vgl. mit Luft). Daraus ergeben sich dann sehr unterschiedliche Ergebnisse. ZB mit 1.59:
1l Luft wiegt laut Internet 1.293g
Also wiegt 1l Ethanoldampf 1.293*1.59 = 2.05587g
1kg Ethanol hat also als Dampf 1000/2.05587 = 486l
Mit den anderen Werten für die Dichte haben wir Ergebnisse zwischen 475 und 539l.

Und dann noch Rechenwege über:
Betrachtung als Idealgas (also mit der Annahme, daß beide Gase 22.413996 l/mol haben).
Und Rechnungen mit:
VdW = van der Waals
SRK = Soave-Redlich-Kwong
PRG = Peng-Robinson-Gasem

Das sind die Ergebnisse, die wir haben:
Code:
Verfahren        Ethanol Vol L/kg@78,3°C        Wasser Vol L/kg@100°C
__________________________________________________________________
über die Dichte   je nach Konst zw 475 u 539      1672,24
Idealgas                629,04                    1699,66
VdW                     547,23                    1615,28
SRK                     517,93                    1547,01                    
PRG                     454,33                    1543,68
Was meint ihr?

Geändert von Huegelwilli (18.02.2019 um 22:37 Uhr)
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Alt 21.02.2019, 18:14   #2   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.914
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Man könnte doch genauso wie beim Wasser 1 l Ethanol abs. über die Dichte in die Masse umrechnen und dann mittels molarer Masse dessen Stoffmenge und den Wert in die ideale Gasgleichung bei Normaldruck 1013 hPa aber bei Siedetemperatur einsetzen.
__________________
Vena lausa moris pax drux bis totis
Nobby ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 21.02.2019, 22:01   #3   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
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Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Das ist glaub ich das, was der Kollege von mir (wir arbeiten an den Rechnern zusammen) mit "Idealgas" meint (siehe das eingerahmte Feld). Also über die Annahme, daß das Gas 22.413996 l/mol hat, oder?


Mit meiner vorgeschlagenen Rechnung bekommt man halt für Wasser einen super Wert (1672.24, fast der Wert von wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserdampf 1673l/kg, siehe eingerahmtes Feld.) Mit der Konstante für ideale Gase halt nicht so gut (1699.66). Und der Ethanolwert ist mit der idealen Gaskonstante dann mit 629l/kg extrem hoch verglichen mit meinen Ergebnissen.
Also, meine Rechnung klappt für Wasser wunderbar, deswegen hoffe ich, sie stimmt auch (mit anderen Konstanten) für Ethanol. Allerdings gibt es für die Dichte von Ethanoldampf leider keine konstanten Angaben.
Die Annahme, daß Wasser- und Ethanoldampf diesbezüglich als ideale Gase gerechnet werden können, ist halt sehr fraglich.


Wir sind Laien. Es ist alles Inselwissen.
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Alt 21.02.2019, 22:07   #4   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.914
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Zitat:
Das ist glaub ich das, was der Kollege von mir (wir arbeiten an den Rechnern zusammen) mit "Idealgas" meint (siehe das eingerahmte Feld). Also über die Annahme, daß das Gas 22.413996 l/mol hat, oder?
Nein dieser Wert gilt für 0 ° C.

Weder bei Wasser noch bei dem Alkohol hat man diese Temperatur in der Dampfphase.

Sicherlich gibt es noch andere Effekte und man ist vermutlich mit der Betrachtung realer Gase als idealer Gase besser aufgehoben.
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Alt 21.02.2019, 22:12   #5   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
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Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Dann meinst du was anderes als er. Hast du eine Beispielrechnung? Oder was anderes, was uns weiterbingt?
Huegelwilli ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 21.02.2019, 22:17   #6   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.914
AW: Dampfvolumen von Ethanol

V = mRT/pM ideale Berechnung.

m = Masse, R = ideale Gaskonstante, T Siedetemperatur in Kelvin, p Druck (Normalbedingung), Molare Masse.
__________________
Vena lausa moris pax drux bis totis
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Alt 21.02.2019, 22:19   #7   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.070
AW: Dampfvolumen von Ethanol

1) Das Dampfvolumen / die Dampfdichte ist von der Temperatur abhängig.
2) Soweit ich weiß, befinden wir uns bei beiden Flüssigkeiten weit unterhalb des kritischen Punkts, so dass hier besser mit der realen Gasgleichung gerechnet werden sollte. Leider kenne ich die Koeffizienten a und b für Wasser und Ethanol nicht, aber vielleicht sind die irgendwo schon aufgeschrieben.

Ohne diese Informationen - würde ich mal behaupten - ist man mit Messen (z.B. über Massezunahme in der Vorlage) deutlich besser dran.
__________________
Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim: Allein die Dosis machts, daß ein Ding kein Gift sei.

Erfahrung: Wenn es so einfach wäre, hätte es schon längst jemand gemacht
Cyrion ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 21.02.2019, 22:39   #8   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Ok, danke euch beiden erstmal.


V = mRT/pM
Für Wasser:

V = 1*8.31448*373.15/101.325*18.01528 = 551.6
1673 sollte rauskommen.
Also ich bin mir sicher, der Fehler liegt bei mir.



Cyrion,
Es geht um die Siedetemperatur bei Normaldruck. Also 100°C bei Wasser und 78.15°C (oder ähnlich, je nachdem, wo man nachschaut) bei Ethanol.


Ich muss erstmal auf Antwort der anderen, die an dem Rechner beteiligt sind, warten. Die blicken da vielleicht besser durch.


Danke erstmal.
Huegelwilli ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 21.02.2019, 22:48   #9   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.914
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Taschenrechner noch mal ölen. Du hast das Wasser multipliziert und nicht dividiert und auch die Einheiten betrachten.

Hier noch etwas Lesestoff mit realen Bedingungen im unteren Teil des Papiers.

https://www.uni-kassel.de/fb10/fileadmin/datas/fb10/physik/oberflaechenphysik/exp2/Lehre/ExpPhysI/Waerme-Seite102ff.pdf
__________________
Vena lausa moris pax drux bis totis
Nobby ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 21.02.2019, 22:57   #10   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Zitat:
Zitat von Nobby Beitrag anzeigen
Taschenrechner noch mal ölen. Du hast das Wasser multipliziert und nicht dividiert und auch die Einheiten betrachten.
Oje, tut mir leid, ich bin inzwschen html-Schreibweise gewöhnt... Deswegen der Fehler. Ja, so kommt man auf 1699.66l/kg. Und damit ist es dann doch wohl dieselbe Rechnung, wie sie mein Kollege gemacht hat, da er auch exakt auf dasselbe Ergebnis kommt.


Mit der Rechnung aus dem ersten Post komme ich halt auf ein "besseres" Ergebnis. Das heißt wesentlich näher an dem Wert der bei wikipedia steht.


Ich werde die pdf mir noch anschauen.
Huegelwilli ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 22.02.2019, 18:20   #11   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Selber messen ist nicht für uns möglich.
Und in den letzten Monaten haben wir bei verschiedensten Gelegenheiten Messwerte verglichen, zB zum Verhalten des Siedediagramms bei unterschiedlichen Drücken, die veröffetlichten Messwerte sind oft sowas von sich widersprechend leider. Und eben auch hier die Angaben zur Dichte von Ethanoldampf.


Ok, die von Nobby vogeschlagene Rechnung hatten wir ja auch gemacht, sie ergab ein schlechtes Ergebnis. Und van der Waals, Soave-Redlich-Kwong und Peng-Robinson-Gasem ergaben noch schlechtere Werte.


Bisher hat niemand die Berechnung über die Dichte des Dampfes kommentiert, die ja zumindest bei Wasser ein sehr gutes Ergebnis liefert.



Wer kennt bessere Formeln für diese zwei realen Gase?
Wer kennt Literatur, die experimentelle Daten enthält für das Volumen von gasförmigem Ethanol?
Huegelwilli ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 22.02.2019, 20:14   #12   Druckbare Version zeigen
markus78 Männlich
Mitglied
Beiträge: 246
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Zitat:
Leider variieren die Angaben über die Dichte: 1.59, 1.59, 1.627, 1.5, 1.6, 1.435 (vgl. mit Luft). Daraus ergeben sich dann sehr unterschiedliche Ergebnisse. ZB mit 1.59:
1l Luft wiegt laut Internet 1.293g
Ich habe kurz in die verlinkten Quellen geschaut und es sieht so aus, also ob du hier Dichten und spezifische Schwerkraft bei verschiedenen Temperaturen durcheinanderwirbelst und direkt miteinander vergleichst. Da kann eigentlich nicht viel Vernünfiges herauskommen.
markus78 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 23.02.2019, 13:26   #13   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Teilweise hast du wohl sicher recht.

Hier schreib ich noch was über die Quellen:

1,59
https://www.engineeringtoolbox.com/ethanol-ethyl-alcohol-properties-C2H6O-d_2027.html
Specific Gravity (gas) (relativ to air) 1,59. Keine Angabe über Temperatur oder Druck.

1,59
http://www.ncdoi.com/osfm/rpd/pt/documents/coursework/ethanol/module2_instructorguide.pdf
Seite 2-8 Ethanol has a vapor density of 1.59, which indicates that it is heavier than air.
Seite 2-11 Vapor Density 1.49 (Das scheint ein Typo zu sein, die specific Gravity von 0,79 wieder zu Seite 2-8 passt.
Keine Angabe über Druck und Temperatur.

1,627
https://www.engineeringtoolbox.com/ethanol-ethyl-alcohol-density-specific-weight-temperature-pressure-d_2028.html
Der Wert von 1,627 gilt für 1000hPa und 351,1 K statt 1013,25 und 351,45 . Der Unterschied sollte zu verschmerzen sein.

1,5
https://homedistiller.org/calcs/calc
Der Wert von 1,5 gilt für 90 Grad C, unklar ob Reinstoff oder Gemisch. Diesen Wert können wir gerne ausschließen.

1,6
http://www.inchem.org/documents/icsc/icsc/eics0044.htm
Relative vapour density (air = 1): 1.6
Ich glaube der Wert ist gerundet, habe 10 andere Sicherheitsdatenblätter geprüft, alle sagen 1,59. Keine Angabe über Druck und Temperatur.

1,435
http://www.thermopedia.com/content/739/
Bezieht sich auf Beaton and Hewitt (1989). Habe keinen Zugriff auf das Buch und kann mir das nur als Aussreisser erklären. Keine Angabe über Druck und Temperatur.

Wen keine Angaben zu Druck und Temperatur gemacht sind, denke ich, sind Normalbedingungen gemeint. Also Normaldruck und Siedetemperatur.
Huegelwilli ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 23.02.2019, 13:35   #14   Druckbare Version zeigen
Huegelwilli  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 10
AW: Dampfvolumen von Ethanol

Uns ist aber wohl selber ein Fehler aufgefallen.

Die Werte der Dichte von Ethanoldampf i.Vgl. zu Luft beziehen sich wohl höchstwahrscheinlich auf Luft bei derselben Temperatur (und demselben Druck).
Ethanol:
http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_de/010420.xml?f=templates$fn=document-frameset.htm$3.0
Zitat:
RELATIVE GASDICHTE
Dichteverhältnis zu trockener Luft bei gleicher Temperatur und gleichem Druck
Wert: 1,59
Dasselbe bei Wasser:
http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_de/001140.xml?f=templates$fn=document-frameset.htm$3.0
Zitat:
RELATIVE GASDICHTE
Dichteverhältnis zu trockener Luft bei gleicher Temperatur und gleichem Druck
Wert: 0,631
Die Dichte von Luft ist bei 100°C 0,9465 kg/m^3 und bei 78.4°C (ca Dampftemperatur von reinem Ethanol) 1,0049 kg/m^3. Wir haben ja mit 1.293 gerechnet. Daher errechnen sich nun wesentlich höhere Werte als die in meinem ersten Post angegebenen. Nämlich (unter der Annahme, 1.59 ist die Dichte von Ethanoldampf i.Vgl zu Luft bei denselben Bedingungen) 1674,48 L/kg für Wasser und 625,86 L/kg für Ethanol. Das sind zur Zeit die Werte, die mir vom Rechenweg am plausibelsten erscheinen.

Was meint ihr?
Huegelwilli ist offline   Mit Zitat antworten
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