РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ ФРАКЦИОННОЙ ПЕРЕГОНКОЙ (работа №2)
Для решения задач нелинейного программирования в MATLAB используется функция:
fmincon('ц_ф',х0, a, b, ar, br,xmin, xmax, 'н_о'),
где 'ц_ф'- целевая функция или имя М-файла, реализующего эту функцию;
х0 - массив-строка, задающий начальные значения переменных;
а - матрица коэффициентов линейных ограничений-неравенств (коэффициенты каждого ограничения указываются в отдельной строке матрицы);
b - массив-столбец правых частей линейных ограничений неравенств;
аг - матрица коэффициентов линейных ограничений-равенств (коэффициенты каждого ограничения указываются в отдельной строке матрицы);
br - массив-столбец правых частей линейных ограничений-равенств;
xmin - массив-столбец ограничений на минимальные значения переменных;
xmax - массив-столбец ограничений на максимальные значения переменных;
'н_о' - имя М-файла (функции), реализующего нелинейные ограничения задачи.
Моделирование динамических систем в пакете Simulink
Основные сведения о системе Simulink
Система Simulink предназначена для моделирования динамических систем, состояние которых изменяется во времени. Система Simulink может применяться для моделирования самых разнообразных объектов и процессов: электрических схем, систем передачи и обработки сигналов, механизмов, тепловых процессов и т.д. Модель в системе Simulink строится в виде набора стандартных блоков, описывающих моделируемый объект или явление. На основе такой модели система Simulink автоматически строит описание объекта моделирования в виде систем дифференциальных уравнений, решает эти системы и отображает характеристики объекта моделирования.
Для начала работы с системой Simulink требуется в командном окне ввести команду simulink. На экран выводится окно библиотек Simulink (Simulink Library Browser).
В состав системы Simulink входят основная библиотека блоков (собственно Simulink) и ряд специализированных библиотек. Для удобства пользования библиотеки Simulink разбиты на группы и подгруппы блоков.
Приведем примеры некоторых из них:
¾ Sources (источники) - набор блоков, используемых для имитации источников моделируемых величин, например: Clock (сигнал, имитирующий независимую переменную), Constant (постоянный сигнал), Pulse Generator (импульсный сигнал), Random Number(случайный сигнал), Sine Wave(синусоидальный сигнал), Step (ступенчатый сигнал), From File (ввод величины из файла), From Workspace (ввод величины из рабочей области MATLAB) и т.д.;
¾ Sinks (приемники) - набор блоков, используемых для имитации приема и отображения моделируемых величин, например: Display (отображение числовой величины), Scope (осциллограф), То File (вывод результатов моделирования в файл), То Workspace (вывод результатов моделирования в рабочую область MATLAB) и т.д.;
¾ Continuous (непрерывные процессы): Derivative (производная), Integrator (интегрирование), Delay (задержка) и т.д.:
¾ Math Operations (математические операции): Add (суммирование и вычитание входных величин), Divide (деление и перемножение входных величин), Gain (умножение на число или матрицу), Sum (то же, что Add), Product (то же, что Divide), Math Function (набор математических функций) и т.д.
Имеется также большой набор специализированных библиотек, например,
Communications Blockset(коммуникационные системы), Neural Network Toolbox(нейронные сети), SimMechanics (механизмы), SimPowerSystems (электротехника и электроника) и т.д.
Для создания модели требуется в окне библиотек Simulink выбрать команду File, New, Model. Создается пустое окно модели. Необходимые блоки перетаскиваются из библиотек в окно модели с помощью мыши.
Двойной щелчок мыши по любому из блоков, размещенных в окне модели, вызывает на экран окно параметров выбранного блока. Эти параметры могут представлять собой, например, амплитуду и частоту моделируемого сигнала, сопротивление резистора, формулу математического преобразования и т.д.
Результаты моделирования не только отображаются на экране с помощью соответствующих блоков, но и представляются в виде матриц, которые могут выводиться в рабочую область MATLAB. Это позволяет выполнять их дальнейшую обработку, используя все средства MATLAB. Сохранение файла модели осуществляется командой File, Save. Файл сохраняется под указанным именем с расширением .MDL.
РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ ФРАКЦИОННОЙ ПЕРЕГОНКОЙ (работа №2)
Исходная смесь состоит из двух жидкостей и может содержать примесь воды.
Задание. Методом фракционной перегонки провести разделение бинарной смеси на фракции, определить процентный состав исходной смеси, построить кривую перегонки, определить температуры кипения и показатели преломления компонентов, провести их идентификацию.
Перечень возможных компонентов смесей:
низкокипящий компонент: дихлорметан, хлороформ, гексан, бензол, этилацетат, ацетон, этанол (температура кипения в интервале 40-80 °С).
высококипящий компонент: толуол, все изомерные ксилолы, октан, изоамилацетат (температура кипения в интервале 110-140 °С).
Ход работы. Собрать прибор для фракционной перегонки (рисунок 2). В качестве приемников в данной работе следует использовать градуированные пробирки или мерные цилиндры. Определить объем исходной смеси. Провести фракционную перегонку, собрав три фракции (в три приемника):
Первая фракция – в интервале температур от начала перегонки (от падения первых капель жидкости в приемник) до момента, когда температура кипения начнет быстро повышаться.[§] При нормальной скорости перегонки (1 капля в 2 секунды), быстрое повышение температуры означает ее подъем на 5-10 °C в течение 10-20 секунд.
Вторая фракция (промежуточная) – собирается во время быстрого повышения температуры кипения.
Третья фракция – с момента остановки быстрого роста температуры (соответствует или на несколько градусов ниже температуры кипения высококипящего компонента) до прекращения дистилляции.
Перегонку завершают, когда отгонится последняя фракция, при этом в отгонной колбе должно остаться немного жидкости – остаток или куб.[**]
Построить кривую ректификации в координатах: объем дистиллята – температура кипения. Для этого в ходе перегонки после каждых 2-5 мл собранного дистиллята отмечают показания термометра. На построенной кривой отметить температуру кипения компонентов смеси (средняя точка плато на кривой ректификации).
Если интервал кипения первой или третьей фракций превышает 5°, то их следует перегнать повторно.
Определить показатель преломления первой и третьей фракций (смотри работу №1) и их выход. Заполнить таблицу:
| объем исход ной смеси | формулы компонентов | фракции | |||||||
| устан. в работе: nD20 и т. кип. | лит. nD 20 и т. кип. | выход, мл и об. % | устан. в работе т. кип. | выход, мл и об. % | устан. в работе: nD 20 и т. кип. | лит. nD 20 т. кип.. | выход, мл и об. % | ||
Выписать из справочника температуры кипения и показатели преломления веществ из списка предлагаемых для перегонки. Сравнить с характеристиками, полученными в работе и идентифицировать компоненты смеси.
На основании анализа выхода фракций, полученным физическим константам сделать вывод об эффективности разделения веществ.
Рисунок 2.Прибор для фракционной перегонки.
Вопросы для самоподготовки.
1. В каких случаях применяется метод перегонки?
2. На чем основана перегонка как метод очистки веществ?
3. На чем основана фракционная перегонка как метод разделения бинарных смесей?
4. Почему перед перегонкой органические вещества зачастую необходимо сушить?
5. Как высушенная органическая жидкость отделяется от осушителя?
6. Почему нежелательно попадание осушителя в перегонную колбу?
7. Из каких частей состоит прибор для перегонки? Каково их назначение? С какой целью при фракционной перегонке используется дефлегматор? Как определяется его эффективность?
8. Для чего и на какой стадии перегонки вносятся в жидкость «центры кипения»?
9. Каков оптимальный объем жидкости в перегонной колбе?
10. Как правильно установить термометр при перегонке?
11. Что такое «предгон»?
12. С какой скоростью ведется процесс перегонки?
13. Из чего состоит промежуточная фракция при ректификации?
14. Как оценить степень чистоты полученных фракций?
15. Как зависят физические константы жидких веществ (Т. кип., nD20) от условий измерения?
ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕИЗВЕСТНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
(работа №3)
Задание. Методом кристаллизации провести очистку неизвестного органического вещества, определить температуру плавления и сделать вывод о структуре и чистоте полученного вещества.
Перечень возможных веществ для кристаллизации: бензойная кислота, ацетанилид, 4-нитроацетанилид, 4-нитроанилин, (E)‑1,3‑дифенилпроп-2-ен-1-он (халкон), 1,5-дифенилпента-1,4-диен-3-он (дибензальацетон), нафталин.
Ход работы. Получить у преподавателя информацию о растворителе, из которого рекомендовано провести перекристаллизацию.
Провести перекристаллизацию по методике:
1. Приготовление горячего насыщенного раствора.[††] Очищаемое вещество помещают в круглодонную колбу и заливают небольшим количеством растворителя (растворитель должен только покрыть кристаллы). Добавляют центры кипения и нагревают смесь с обратным холодильником до кипения. При этом вещество не должно полностью раствориться, поскольку изначально было взято лишь небольшое количество растворителя. Через обратный холодильник при помощи пипетки вносят небольшими порциями растворитель[‡‡] до тех пор, пока все кристаллы не растворятся (после внесения каждой порции дают раствору покипеть несколько минут).[§§]
Рисунок 3.Прибор для фильтрования со стеклянным фильтром Шотта.
2. Горячее фильтрование. Проводят в том случае, когда присутствуют нерастворимые примеси, которые остаются в осадке на дне колбы. Для этого используют нагреваемую стеклянную воронку со складчатым фильтром или для небольших объемов предпочтительно предварительно нагретый фильтр Шотта при небольшом вакууме (рисунок 3).
3. Кристаллизация. Полученный раствор охлаждают до комнатной температуры на воздухе и далее при необходимости в ледяной бане не менее 20 минут. Полученные кристаллы отфильтровывают при пониженном давлении с использованием фильтра Шотта (рисунок 3) или системы колба Бунзена – воронка Бюхнера (рисунок 4).
Рисунок 4.Установка для фильтрования колба Бунзена – воронка Бюхнера.
После высушивания кристаллов на воздухе, определить массу выделенного вещества, подсчитать процентный выход.
Определить температуру плавления полученных кристаллов сначала приблизительно, поместив кристаллик вещества на ртутный шарик термометра, который осторожно нагревают над плиткой. Точную температуру плавления определяют в специальном приборе.
Выписать из справочника температуры плавления веществ из списка предлагаемых для перекристаллизации. Сравнить с характеристиками, полученными в работе и идентифицировать неизвестное органическое вещество. Заполнить таблицу:
| исходная масса | растворитель | масса после очистки | выход, % | Т. пл., устан. в работе | Т. пл., лит. | название и формула вещества |
ОЧИСТКА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА МЕТОДОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ СМЕСИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
(работа №4)
Задание.Провести очистку органического вещества методом кристаллизации из смешанного растворителя. Оценить чистоту и выход целевого продукта.
Перечень веществ для кристаллизации:
| очищаемое вещество | система растворителей |
| 2,4,6-трибромфенол | этанол–вода |
| 4-броманилин | этанол–вода |
| 4-броманилин | гексан–толуол |
| 2,4,6-тринитрофенол | этанол–вода |
| ацетанилид | этанол–вода |
Ход работы. Определить растворимости вещества в холодном и горячем растворителях из списка предложенных.[***] Выбрать хорошо растворяющий и плохо растворяющий растворители. Для этого в две пробирки поместить по 0,05-0,1 г вещества и добавить по 1-2 мл каждого растворителя. Если вещество растворяется без нагревания, или при небольшом нагревании, а при охлаждении вещество не кристаллизуется, то данный растворитель является хорошо растворяющим. Если без нагревания вещество растворяется плохо, или практически совсем не растворяется (может раствориться при нагревании до кипения растворителя), то данный растворитель является плохо растворяющим.
Провести перекристаллизацию 1 г вещества из смеси растворителей. Для этого приготовить горячий насыщенный раствор вещества в хорошо растворяющем растворителе (смотри работу № 3), затем охладить раствор до комнатной температуры и медленно (небольшими порциями) добавлять плохо растворяющий растворитель до тех пор, пока появляющееся помутнение не перестает исчезать при взбалтывании раствора. При этом не должны образоваться две фазы. Если же это произошло, то следует добавить небольшое количество «хорошего» растворителя и затем повторить добавление «плохого».
Затем охладить раствор для кристаллизации. Полученные после перекристаллизации кристаллы отфильтровать и высушить. Полученное вещество взвесить и измерить температуру плавления. Заполнить таблицу:
| формула вещества | растворители | выход | Т. пл. | |||
| «хороший» | «плохой» | г | % | устан. в работе | лит. | |
На основании полученных данных по выходу и «т. пл.» сделать вывод об эффективности перекристаллизации.
ВЫБОР ПОДХОДЯЩЕГО РАСТВОРИТЕЛЯ ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
(работа № 5)
Задание.Из списка предложенных растворителей для перекристаллизации выбрать оптимальный, провести кристаллизацию 1 г вещества в выбранном растворителе. Определить температуру плавления очищенного вещества.
Перечень веществ и растворителей для перекристаллизации:
| № | вещество | растворители |
| дибензальацетон | вода, ацетон, дихлорметан, этанол, этилацетат | |
| 4-броманилин | вода, гексан, дихлорметан, толуол, этанол | |
| 3-нитроанилин | вода, гексан, дихлорметан, толуол, этанол | |
| 2,4,6,-триброманилин | вода, дихлорметан, толуол, этанол, этилацетат | |
| 2-йодбензойная кислота | вода, уксусная кислота, гексан, дихлорметан, этанол | |
| 2-бромбензойная кислота | вода, уксусная кислота, гексан, дихлорметан, этанол | |
| 2-хлорбензойная кислота | вода, уксусная кислота, гексан, дихлорметан, этанол | |
| ацетанилид | Вода, ацетон, гексан, этанол, этилацетат | |
| 1,3-динитробензол | уксусная кислота, этанол, гексан, тетрахлорметан, толуол | |
| 1,2,3,4,6-пента-О-ацетилглюкопираноза | вода, уксусная кислота, тетрахлорметан, этанол, этилацетат | |
| антрахинон | вода, уксусная кислота, тетрахлорметан, этанол, этилацетат |
Ход работы.На основании сравнения «т. кип.» растворителей и «т. пл.» вещества выбрать из списка растворителей пригодные для пробных кристаллизаций. Заполнить таблицу, например:
| растворитель | Т. кип., °С | Т. пл. вещества,°С | вывод |
| 1) толуол | непригоден | ||
| 2) этилацетат | пригоден | ||
| 3) |
Провести пробные кристаллизации со всеми пригодными из перечня растворителями. Для этого в пять (или меньшее количество) пробирок поместить по несколько кристалликов вещества (примерно 0,01-0,05 г.) и добавить по 0,5-1 мл каждого растворителя из предлагаемых в списке. Если вещество растворяется без нагревания, то данный растворитель непригоден для перекристаллизации. Если же вещество растворяется плохо, или совсем не растворяется, то пробирку осторожно нагреть до кипения. Добиться полного растворения, для этого, если необходимо, добавить еще несколько капель растворителя (до общего объема 1,5‑2 мл). Дать пробирке остыть до комнатной температуры, после чего охладить ее льдом с солью. Оценить количество выпавших кристаллов, сделать вывод о пригодности данного растворителя для проведения перекристаллизации. Результаты записать в таблицу, например:
| растворитель | растворимость без нагревания | растворимость при нагревании | выход кристаллов (после охлаждения) | вывод |
| толуол | не растворяется | растворяется хорошо | не образуются | непригоден |
| вода | не растворяется | растворяется хорошо | высокий | пригоден |
| этилацетат | ||||
| и т. д. |
Если пригодны несколько из предложенных растворителей, то выбрать один оптимальный, выбор обосновать.
Провести перекристаллизацию 1 г вещества из выбранного пригодного растворителя по нижеприведенной методике[†††]:
Приготовление горячего насыщенного раствора. Очищаемое вещество помещают в круглодонную колбу и заливают небольшим количеством растворителя (растворитель должен только покрыть кристаллы). Добавляют центры кипения и нагревают смесь с обратным холодильником до кипения. При перекристаллизации из воды нагревание можно проводить в плоскодонной колбе без обратного холодильника. При этом вещество не должно полностью раствориться, поскольку изначально было взято лишь небольшое количество растворителя. Через обратный холодильник при помощи пипетки вносят небольшими порциями растворитель[‡‡‡] до тех пор, пока все кристаллы не растворятся (после внесения каждой порции дают раствору покипеть несколько минут).
Горячее фильтрование. Проводят в том случае, когда присутствуют нерастворимые примеси, которые могут остаться в осадке.
Кристаллизация. После горячего фильтрования колбу охлаждают. Полученные кристаллы отфильтровывают в вакууме и высушивают.
Полученные кристаллы взвесить, определить температуру плавления.
Результаты записать в таблицу:
| масса вещества, г | растворитель, | выход вещества после перекристаллизации | Т. пл., °С | |||
| формула | количество, мл | г | % | устан. в работе | лит. | |
Вопросы для самоподготовки.
1. Рассмотрите область применения метода перекристаллизации.
2. На каком свойстве твердых веществ основан метод перекристаллизации?
3. Какие стадии включает процесс перекристаллизации?
4. Как готовится насыщенный раствор вещества в кипящем растворителе?
5. Какие требования предъявляются к растворителю? Как правильно подобрать растворитель для очистки органического вещества методом кристаллизации?
6. В каких случаях для перекристаллизации используются смешанные растворители и какие требования к ним предъявляются?
7. Как экспериментально проводят кристаллизацию вещества из смешанных растворителей?
8. Для чего и в каких случаях проводят горячее фильтрование?
9. Для чего и в каких случаях насыщенный раствор вещества обрабатывают активированным углем?
10. С какой скоростью необходимо проводить охлаждение насыщенного раствора при кристаллизации?
11. Как и с какой целью проводят промывание кристаллов на фильтре?
12. Как сушат кристаллические вещества?
13. Какие факторы влияют на величину температуры плавления?
14. Как оценить чистоту неизвестного твердого вещества по температуре плавления?
15. В чем может быть причина небольшого выхода кристаллов после охлаждения раствора?
Дата добавления: 2015-04-03; просмотров: 3879;