Fragment notatki:
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Aparaty ekstrakcyjne. Wstęp
Ekstrakcję można wykonywać w aparatach o działaniu okresowym i w aparatach o
działaniu ciągłym. Można budować aparaty jednostopniowe i aparaty wielostopniowe.
Najprostszym rozwiązaniem technicznym jest oczywiście ekstraktor okresowy stanowiący
jeden stopień teoretyczny, może to być po prostu zbiornik.
Trochę bardziej skomplikowany jest ekstraktor jednostopniowy o działaniu ciągłym.
Instalację taką przedstawiono na poniższym rysunku:
CE
CR
CF’
C
CF
F = A+B
EKSTRAKTOR
R+E
E
KE
Faza cięższa
Ek
SEPARATOR
FAZ
R
KR
Faza lżejsza
Rk
Proces ekstrakcji przedstawiony na schemacie zilustrujmy na trójkącie Gibbsa:
1
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
B
Ek
F
M
Rk
E
R
CF
A
C
Ekstrakcji poddaje się surowiec przedstawiony na wykresie punktem F. Celem
procesu jest uzyskanie rafinatu o składzie przedstawionym punktem R. Poprzez dobór
odpowiedniej ilości ekstrahenta C uzyskuje się mieszaninę w punkcie M, która wyznacza
skład ekstraktu w punkcie E. Jeśli z ekstraktu E usunie się ekstrahent, to uzyskuje się
mieszaninę składników A i B o składzie reprezentowanym przez punkt Ek. Podobnie, jeśli z
rafinatu usunie się ekstrahent, to w wyniku tej operacji uzyska się roztwór A+B oznaczony na
wykresie punktem Rk.
Wyjaśnienia wymaga także użycie do ekstrakcji rozpuszczalnika przedstawionego
punktem CF. Najłatwiej można to wyjaśnić na trójkącie Gibsa. Przedstawmy fragment trójkąta
w pobliżu wierzchołka C.
CE
CF’
CF
CR
C
2
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Zmieszanie destylatu CR i CE daje w efekcie mieszaninę CF’. Z kolei zmieszanie roztworu CF’
z czystym ekstrahentem C daje rozpuszczalnik CF stosowany jako ekstrahent w procesie.
Aparatura stosowana do wielostopniowej przeciwprądowej ekstrakcji ciągłej została
pokazana na poniższym diagramie.
Stopień 1.
F
E1
Stopień 2.
E2
Stopień 3.
Stopień n.
E3
C
C F’
En
Rn
E4
F
R2
R1
R n-1
R3
CF
E1
Rn
CE
CR
Rn
E1
Rk
Ek
Jeśli każdy stopień ekstrakcyjny przedstawić jako prostokąt, to schemat tego procesu można
narysować w postaci:
DR
R1
F
1
E1
Ek
DE
R2
2
E2
R3
3
E3
E4
Rn
... Rn-1
n
...
En
CF
Rk
CR
CF’
CE
C
Na schemacie DE i DR oznaczają węzły oczyszczania surowego ekstraktu E1 i rafinatu
Rn. Z surowca F i ekstrahenta C uzyskuje się ekstrakt końcowy Ek i rafinat końcowy Rk.
Gdyby ekstrakt E poddać rektyfikacji w celu wydzielenia składnika B, to pozostałość
będzie reprezentowana przez punkt W i będzie mieszaniną substancji A i C (może to być
mieszanina jedno lub dwufazowa).
3
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Składnik pożądany
B
Ek
F
M
Woda A
E
R
C Ekstrahent
W
Jeśli w procesie rektyfikacji ekstraktu składnik B odbierany jest jako destylat, to
korzyści energetyczne mogą wynikać ze zmniejszenia stosunku orosienia w zastosowanej
kolumnie rektyfikacyjnej. Natomiast, gdy składnik B odbierany jest jako ciecz wyczerpana, to
korzyści te mogą wynikać także z różnic w ciepłach parowania wody i rozpuszczalnika, o
czym była mowa w poprzednim rozdziale.
Teraz przypomnijmy tylko jeszcze raz pojęcie minimalnej i maksymalnej ilości
rozpuszczalnika, którą można zastosować w procesie ekstrakcji. Szczególnie istotna jest
minimalna ilość rozpuszczalnika, gdyż w procesach rzeczywistych dąży się do zastosowania
jak najmniejszej, ale oczywiście większej niż minimalna, ilości często drogiego ekstrahenta.
Pojęcie minimalnej ilości rozpuszczalnika można bardzo łatwo zinterpretować wykorzystując
trójkąt Gibbsa.
Proces jednostopniowy (lub krzyżowy)
W procesie jednostopniowej ekstrakcji surowca F za pomocą rozpuszczalnika
zastosowanego w ilości minimalnej (Cmin) uzyskuje się mieszaninę Mmin. Punkt ten należy
jednocześnie do konody, czyli wyznacza skład rafinatu Rmin, a na drugim końcu tej konody
znajduje się punkt, który wyznacza skład ekstraktu Emin.
4
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Składnik pożądany
B
E min
F
Mmin=R min
C min Ekstrahent
Woda A
Pisząc regułę dźwigni dla odcinka FMminCmin otrzymuje się:
F M min
C min F
.
M min C min
Proces wielostopniowy przeciwprądowy
W przypadku ekstrakcji przeciwprądowej należy postępować odmiennie. Jeśli założy
się stężenie składnika pożądanego w rafinacie, to na wykresie zadane są punkty surowca F i
rafinatu R. Wówczas minimalna ilość rozpuszczalnika Cmin jest wyznaczana także z reguły
dźwigni dla odcinka FMminCmin, lecz położenie punktu Mmin uzyskuje się poprzez połączenie
punktu R i takiego punktu Emin, dla którego przedłużenie konody przechodzi przez punkt F.
Składnik pożądany
B
E min
F
Mmin
Woda A
R
M
E
C min
Ekstrahent
5
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Stosując regułę dźwigni można zapisać:
C min C min M min F FM min
lub
Cmin
F FM min
Cmin M min
To postępowanie wynika ze sposobu przedstawiania procesu wielostopniowej ekstrakcji
przeciwprądowej na wykresie trójkątnym. Schemat procesu wielostopniowego
przeciwprądowego przedstawiono na diagramie:
R1
F
1
E
R2
2
E
R3
Rn-1
3
E
Rn
n
E
E
C
Aby zademonstrować ten proces na wykresie Gibbsa należy wykonać następującą procedurę:
Bilans całego procesu przedstawia równanie:
F C M R n E1
(1)
W równaniu tym M oznacza mieszaninę powstałą przez zmieszanie pewnej masy surowca F i
pewnej masy ekstrahenta C. Mieszanina M rozdziela się w efekcie na dwa produkty Rn i E1,
które nie pozostają ze sobą w równowadze, bo nie pochodzą z tego samego stopnia. To
równanie bilansowe można przekształcić do postaci:
E1 F C R n Q
(2)
gdzie Q oznacza różnicę strumieni w skrajnych przekrojach baterii wielostopniowej. Różnica
ta jest stała. Gdyby myślowo zlikwidować kolejno 1. 2. i kolejne stopnie, to można napisać,
że:
E1 F E 2 R 1 E 3 R 2 E 4 E 3 E n R n 1 C R n Q
(3)
oznacza to, że we wszystkich przekrojach [pomiędzy stopniami różnica strumieni jest stała.
Konsekwencje tego rozumowania można zademonstrować na wykresie trójkątnym.
Na początku wykorzystując równanie (1) rysuje się prostą łączącą surowiec F z
ekstrahentem C. Na tym odcinku oznacza się położenie punktu M (np. korzystając z reguły
dźwigni). Przez zadany punkt Rn oraz punkt M kreśli się prostą do przecięcia z linią
rozpuszczalności i otrzymuje się punkt E1.
Wykorzystując równanie (2) znajduje się położenie punktu Q kreśląc proste F-E1-Q
oraz Rn-C-Q.
B
F
E1
M
Rn
A
C
Q
6
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Po znalezieniu bieguna operacyjnego można wykorzystywać równanie (3), z którego wynika,
że wszystkie linie opisujące przekroje baterii między stopniami będą przechodzić przez
biegun operacyjny. Dla odmiany wszystkie linie, które opisują roztwory wypływające z
jednego dowolnego stopnia będą leżały na konodach. Zatem postępowanie jest następujące:
Z punktu E1 kreśli się konodę i na jej końcu znajduje się punkt opisujący rafinat R1. Następnie
z punktu R1 kreśli się linię operacyjną do bieguna Q, a na przecięciu z linią rozpuszczalności
znajduje się punkt E2. Dalej postępuje się podobnie, tj. kreśli się naprzemiennie konody i linie
operacyjne, aż do osiągnięcia Rafiantu Rn. Liczba wykreślonych konod odpowiada liczbie
stopni równowagowych umieszczonych w baterii przeciwprądowej. Na rysunku
zamieszczonym poniżej wykreślono trzy stopnie równowagowe.
B
F
E1
R1
R2
Rn
A
M
E2
E1
C
Q
Pamiętając procedurę wyznaczania kolejnych stopni ekstrakcyjnych opisaną powyżej
można teraz wywnioskować, że jeśli jakakolwiek konoda pokryje się z linią operacyjną, to do
osiągnięcia założonego stężenia w rafinacie Rn potrzebnych będzie nieskończenie wiele
stopni. W szczególności, jeśli konoda kreślona z punktu E1 na swym przedłużeniu przecina
punkt F, to oznacza to, że w procesie zastosowano minimalną ilość rozpuszczalnika, co
odpowiada nieskończenie wielkiej liczbie stopni.
Procesy ekstrakcyjne można przedstawiać także na wykresie prostokątnym. Możliwe jest to
dla układów o praktycznie zerowej rozpuszczalności substancji A i C, czyli dla linii
rozpuszczalności mającej postać:
7
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
B
A
C
Ekstrakcja jednostopniowa
Proces ekstrakcji jednoskładnikowej w przypadku niewielkiej rozpuszczalności
składników A i C można przedstawić na wykresie prostokątnym, jeżeli odpowiednio wyrazi
się stężenia w fazie ekstraktowej i w fazie rafinatowej.
x
x
Y BE .
oraz
X BR
x CE
x AR
Przy użyciu tych stężeń można napisać bilans procesu ekstrakcji jednostopniowej, w której
otrzymuje się rafinat o stężeniu X oraz ekstrakt o stężeniu Y.
A X S C YC A X C Y
po przekształceniu:
A
A
Y X X S YC
C
C
Za pomocą tego równania oraz linii równowagi w układzie X, Y znajduje się składy faz po
ekstrakcji. W tym celu na wykres nanosimy punkt o współrzędnych ( X S , YC ). Z punktu tego
kreślimy prostą pod kątem którego tangens jest równy - A / C . Punkt przecięcia prostej z linią
równowagi przedstawia otrzymane w wyniku ekstrakcji równowagowe składy faz rafinatowej i ekstraktowej.
Y
Linia równowagi
Y
E
Linia operacyjna
YC
XR
XS
X
8
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Wielostopniowa ekstrakcja krzyżowa
Jeżeli efekt ekstrakcji jednostopniowej jest niezadowalający, wówczas stosuje się
kilkakrotne kontaktowanie surowca rozpuszczalnikiem. Taki proces nosi nazwę ekstrakcji
wielostopniowej krzyżowej. Jeżeli jeden stopień ekstrakcji, tj. mieszalnik i odstojnik
oznaczymy symbolicznie kwadratem, to schemat takiej ekstrakcji dla n - stopni będzie
wyglądał następująco;
C
F
1
C
R1
E
C
R2
2
E
C
R3
3
Rn-1
n
E
Rn
E
W wyniku ekstrakcji otrzymujemy rafinat surowy Rn, oraz szereg ekstraktów
surowych E1 , E2, ..., En. Ilości i składy rafinatów, a także ekstraktów oblicza się zakładając,
że w każdym stopniu zostaje osiągnięty stan równowagi.
Liczbę stopni niezbędną do osiągnięcia założonego stężenia w rafinacie wyznacza się
na wykresie trójkątnym analogicznie jak w przypadku ekstrakcji jednostopniowej. Z tym, że
w kolejnych stopniach zmienia się surowiec. W stopniu drugim surowcem jest rafinat
uzyskany w stopniu pierwszym, w stopniu trzecim – rafinat uzyskany w stopniu drugim itd.
Surowiec S i pierwsza porcja rozpuszczalnika C daje mieszaninę M1, która w wyniku
mieszania i rozdzielania daje surowy rafinat R1 i ekstrakt E1. Do rafinatu surowego R1 dodaje
się nową porcję rozpuszczalnika C, otrzymując mieszaninę o składzie przedstawionym
punktem M2. Mieszanina ta rozdziela się na surowy ekstrakt E2 i rafinat R2. Jeżeli nie
osiągnięto zadowalającego wyekstrahowania można dodawać następne porcje
rozpuszczalnika.
Ilości otrzymanych ekstraktów i rafinatów oblicza się podobnie jak dla ekstrakcji
jednostopniowej, tj. z reguły dźwigni lub na podstawie równań bilansowych składników.
Sumaryczna ilość rozpuszczalnika zastosowana do procesu wynosi”
Csum = C1 + C2 + C3 + ... + Cn,
zaś sumaryczna ilość otrzymywanych ekstraktów:
E = E1 + E2 + E3 + ... En.
Przeciętny skład ekstraktu można obliczyć z równania bilansowego:
x BEśr
E1 x BE1 E 2 x BE 2 ... E n x BE n
E1 E 2 ... E n
Ekstrakcję krzyżową można również przedstawić w układzie prostokątnym podobnie
jak ekstrakcję jednostopniową. Jeżeli do każdego stopnia będzie się dodawać taką samą
porcję rozpuszczalnika C, to z każdego punktu przedstawiającego skład surowca i
rozpuszczalnika, a następnie kolejnych rafinatów i rozpuszczalnika należy kreślić proste pod
kątem , przy czym tg = - A/C. Jeżeli będzie się stosowało różne ilości rozpuszczalnika C1,
C2, ..., Cn, to kąt rzutowania będzie się zmieniał zależnie od - A/C1, - A/C2, ..., - A/Cn.
Na wykresie przedstawiono metodę wykreślania liczby stopni dla ekstrakcji krzyżowej przy
zastosowaniu zmiennych ilości rozpuszczalnika C w kolejnych stopniach trzech stopniach.
9
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
Y
Linia równowagi
Y
E1
Linia operacyjna
Y
E2
Y
E3
Y
C
XR3XR2 XR1
XS
X
Jeżeli współczynnik podziału m w układzie X, Y nie zmienia się wraz ze stężeniem
(linia równowagi jest prostą), a jednocześnie istnieje zupełny brak rozpuszczalności rafinatu i
ekstraktu, tzn. A = const i C = const, to liczbę stopni można obliczyć na drodze czysto
matematycznej. Założymy dodatkowo, że rozpuszczalnik jest podawany w jednakowych
ilościach to znaczy C1 = C2 = C3 = ... Cn = C i jest czysty, tzn. YC = 0.
Dla pierwszego stopnia i YC = 0 możemy napisać równanie bilansu
A X1 C Y1 A X S
Y1 m X1
C Y1
A X1 1
A X A XS
1
XS
X
X1
S
C
m 1 1
A
C
m
A
Dla drugiego stopnia i YC = 0
A X 2 C Y2 A X1
X1
X
XS
X2
1
2
C
m 1 1 1
A
Dla n - tego stopnia i YC = 0 otrzymuje się
A X n C Yn A X n1
X n1
X
XS
Xn
n 1
n
C
m 1 1 1
A
Stopniem wyekstrahowania będziemy nazywać ilość (masę) substancji wyekstrahowanej z
surowca do ilości (masy) zawartej w surowcu (jeżeli do ekstrakcji użyto czystego
rozpuszczalnika).
10
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
XS X n
XS
XS
XS
1n 1n 1
XS
1n
Stopień zanieczyszczenia rafinatu (pozostałość w rafinacie)
1
Xn
1
X S 1n
Z równania tego po logarytmowaniu znajdujemy liczbę stopni teoretycznych.
n
log
1
log
1
Czystość rafinatu w ekstrakcji krzyżowej zależy od liczby stopni, ilości podawanego
rozpuszczalnika i współczynnika podziału m. Do ekstrakcji należy podawać jednakowe porcje
rozpuszczalnika, wtedy efekt ekstrakcji jest najlepszy. Można to udowodnić za pomocą
analizy matematycznej.
Przeciętne stężenie wszystkich zmieszanych ze sobą ekstraktów można obliczyć z
bardzo prostej zależności bilansowej:
C1 C2 ...C n Yśr C1 Y1 C 2 Y2 ...Cn Yn
Jeśli ilości rozpuszczalnika we wszystkich stopniach są jednakowe, to równanie to upraszcza
się do postaci:
Y Y2 ...Yn
Yśr 1
n
Wielostopniowa ekstrakcja przeciwprądowa.
Najczęściej ekstrakcję realizuje się w oparciu o zasadę przeciwprądowego
prowadzenia rozpuszczalnika i surowca. Wprowadzany surowiec do ekstrakcji styka się z
rozpuszczalnikiem obciążonym substancją ekstrahowaną, natomiast rafinat opuszczający
aparaturę styka się ze świeżym rozpuszczalnikiem. Dzięki temu uzyskuje się rafinat równie
dobrze oczyszczony jak w prądzie krzyżowym jednak przy mniejszym zużyciu
rozpuszczalnika.
R1
F
1
E
R2
2
E
R3
Rn-1
E
E
3
E
Rn
n
C
Liczbę stopni niezbędną do osiągnięcia założonego stężenia w rafinacie końcowym lub
ekstrakcie oraz niezbędną ilość rozpuszczalnika wyznacza się metodą Huntera w układzie
trójkątnym. Natomiast w przypadku założenia zupełnej nierozpuszczalności substancji A i C
ten sam cel można osiągnąć stosując wykres prostokątny.
Postępowanie jest analogiczne jest analogiczne jak przy wyznaczaniu liczby półek
destylacyjnych czy absorpcyjnych. Na wykres we współrzędnych X, Y nanosi się linię
równowagi i linię operacyjną. Linię równowagi konstruuje się na podstawie wykresu
trójkątnego. Na osi rzędnych nanosi się stężenia Y = xBE /xCE i będące z nimi w równowadze
stężenia w rafinacie X = xBR/xAR. Z kolei znając stężenia w surowcu, rozpuszczalniku oraz
znając składy końcowe ekstraktu E1 i rafinatu Rn, kreślimy linię operacyjną a następnie przez
11
Wykład Aparaty ekstrakcyjne
Wojciech Skrzypiński
schodkowanie wyznacza się liczbę stopni. Sens fizyczny wyznaczania liczby stopni przez
schodkowanie jest analogiczny jak w metodzie Mc Cabe’a i Thiele’go. Metoda ta nadaje się
do zastosowania, jeżeli A i C są zupełnie lub w niewielkim stopniu rozpuszczalne. Jeżeli A i
C rozpuszczają się wzajemnie dość znacznie, wówczas należy stosować metodę Huntera.
Równanie linii operacyjnej wynika z bilansu baterii od początku do pewnego
dowolnie wybranego przekroju:
A X S C Y A X C YE1
skąd:
A
A
Y X YE1 XS
C
C
Jest to równanie prostej. Kreśląc wykres nanosi się linię operacyjną o nachyleniu dodatnim
równym stosunkowi strumieni inertów w fazie rafinatowej i ekstraktowej.
Y
Linia równowagi
Y
E1
Linia operacyjna
YC
XR3
XS
X
Gdy linia równowagi w omawianym układzie jest prostą, to liczbę stopni można
wyznaczyć analitycznie, podobnie jak przy wyprowadzaniu dla procesu absorpcji.
Dla YC = 0 bilansując poszczególne stopnie uzyskuje się zależność pomiędzy liczbą
stopni n, współczynnikiem ekstrakcji i stopniem wyekstrahowania lub stopniem
zanieczyszczenia rafinatu .
X X R n 1
1 S
n 1
XS
1
12
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)