Моделирование экстракционных каскадов разделения и очистки веществ Студент 5 курса Козин Н. Ю. Учебно-научный семинар г. Москва

2 Жидкостная экстракция – метод разделения компонентов раствора, один из массообменных процессов химической технологии. Учебно-научный семинар г. Москва

3 Массообменные процессы Учебно-научный семинар г. Москва Разделение смесей без добавочных веществ: Дистилляция Ректификация Выпаривание Кристаллизация Зонная плавка Процессы с использованием добавочного компонента: Абсорбция Адсорбция Ионный обмен Азеотропная перегонка Жидкостная экстракция Области применения: -Разделение близкокипящих жидкостей; -Разделение смесей с малой относительной летучестью -Замена фракционной кристаллизации -Разделение веществ образующих азеотропы Требования, предъявляемые к экстрагенту: нетоксичный, не вызывает коррозии аппаратов.

4 Кривые распределения Учебно-научный семинар г. Москва Кривые распределения: а – система c одной парой частично смешивающихся жидкостей, б – система с двумя парами частично смешивающихся жидкостей Коэффициент распределения: m C = X CB /X CA 1)В случае, если C не претерпевает изменений ни в одной фазе: m C = X CB /X CA = const 2) Диссоциация компонента С в фазе А (распределяются только недиссоциированные молекулы): С (фаза В) С nC (фаза А) + nC m c = [C] B /([C T ] A *(1-α)) = const 3) Ассоциация компонента С в фазе В (распределяются только неассоциированные молекулы): С (фаза А) С 1/n*C n (фаза B) m C = [C T ] B *(1-α)/[C] A = const

5 Классификация экстракционных систем Учебно-научный семинар г. Москва Системы с одним экстрагентом: Ступенчатое взаимодействие Непрерывное взаимодействие Системы со смесью экстрагентов (возможно как ступенчатое, так и непрерывное взаимодействие) Система с двумя экстрагентами – дробная экстракция (возможны и ступенчатое, и непрерывное взаимодействие) Схема идеальной (теоретической) ступени: S – экстрагент, F – исходный раствор, R – рафинат, E - экстракт

6 Одноступенчатая экстракция Многоступенчатая экстракция с перекрестным током Многоступенчатая противоточная экстракция Дифференциальная экстракция Многоступенчатая противоточная экстракция с флегмой Экстракция с одним экстрагентом Учебно-научный семинар г. Москва

7 Одноступенчатая экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Материальный баланс процесса: F + S = R + E = M Положение точки M: F/S = MS/FM Баланс по компоненту B: Решаем относительно S: Минимальное количество S: Экстракция при однократном взаимодействии: M – состав смеси (исходный раствор + экстрагент), R и E – составы сосуществующих фаз после установления равновесия

8 Многоступенчатая прямоточная экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Рафинат после первой ступени взаимодействует со свежей порцией экстрагента на последующей ступени Для расчета на каждой ступени применимы уравнения для одноступенчатой экстракции На всех ступенях экстракции, кроме первой, невозможно вычислить S min Наиболее чистый компонент A получают, когда хорда равновесия последней стадии при продолжении будет проходить через S – выполнимо при бесконечном числе ступеней

9 Многоступенчатая прямоточная экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Двухступенчатая экстракция при различных температурах Объединенный экстракт имеет следующие характеристики: Задача по расчету многоступенчатой экстракции: Известные параметры: -концентрация экстрагента -концентрация исходного раствора -количество исходного растворы Определяемые значения: -общее количество экстрагента -распределение экстрагента по ступеням -состав экстракта и рафината

10 Дифференциальная экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Принципиальная схема прибора дифференциальной экстракции Предельный случай многоступенчатой прямоточной экстракции Лабораторное применение Экстрагент подается снизу сосуда с исходным раствором до насыщения, затем сверху снимается слой экстракта Процесс проводится периодически

11 Дифференциальная экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Процесс дифференциальной экстракции в треугольной диаграмме Количество экстрагента, необходимое для насыщения исходного раствора F: Общий материальный баланс процесса: Из материального баланса по компонентам А и С выводят уравнение дифференциальной экстракции:

12 Противоточная многоступенчатая экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Материальный баланс всей установки: F + S = E 1 + R n = M (1) F – E 1 = R n – S = O Баланс для m-ой ступени: R m-1 + E m+1 = E m + R m (2) R m-1 – E m = R m – E m+1 = O Экстракт E m и рафинат R m находятся в равновесии на разных концах хорд. Следовательно R 1 определяется на противоположном конце хорды, проходящей через точку E 1. E 2 – на продолжении линии OR 1, R 2 – на хорде, проходящей через E 1 и т.д.

13 Многоступенчатая противоточная экстракция Учебно-научный семинар г. Москва Из условия материального баланса находится точка O – рабочая точка (полюс). В зависимости от наклона хорд может находится как справа, так и слева от экстрагента

14 Учебно-научный семинар г. Москва Количества E 1 и R n определяются решением уравнения (1) с использованием материального баланса по компоненту С: Материальный баланс для компонента A на m-ой ступени: Решая совместно с уравнением (2) находим : С помощью последнего уравнения находят рассчитывают R 1 (принимая m = 1, m-1 =F), затем по уравнению (2) E 2 (при m = 1). По уравнению (3) – величину R 2 (при m = 2), E 3 находим по уравнению (2) (m=2) и т.д. (3)

15 Учебно-научный семинар г. Москва Определение минимального расхода экстрагента в многоступенчатой противоточной экстракции. Точка O соответствует минимальному количеству экстрагента.

16 Противоточное распределение используется как для идентификации химического вещества, так и для разделения сложных веществ. Представляется собой пример многоступенчатой противоточной экстракции, проводимой в делительных воронках (а не в непрерывном режиме). Противоточное распределение Учебно-научный семинар г. Москва Дает возможность решать следующие вопросы: Позволяет определят минимальные количества компонентов смеси Позволяет в микроколичествах выделять индивидуальные компоненты смеси Дает сведения, необходимые для вычисления процентного соотношения отдельных компонентов Позволяет определить ряд физико-химических констант (коэффициент распределения, константы ионизации и т.д.)

17 Схема распределения Учебно-научный семинар г. Москва Схема распределения для гипотетического вещества, которое для данной пары несмешивающихся фаз А и B имеет коэффициент распределения 1,0 В случае К = 1,0 кривая распределения имеет симметричную форму. Если коэффициент распределения определенного вещества и объемы фаз известны, то можно вычислить содержание вещества в отдельных воронках:

18 Разделение компонентов Учебно-научный семинар г. Москва 1 – экспериментальная кривая, 2 – теоретическая кривая для пропионовой кислоты, 3 – теоретическая кривая для масляной кислоты При противоточном распределении двух веществ с различными коэффициентами распределения экспериментальная кривая является результирующей кривых обоих компонентов. В качестве примера возьмем систему фаз изопропиловый спирт- буферный раствор, в которой пропионовая кислота имеет коэффициент распределения 2,06, а масляная – 0,485. Оптимальное разделение наступает в тех случаях, когда коэффициенты распределения веществ представляют собой обратные значения: Где,

19 Схема с большим числом переносов Учебно-научный семинар г. Москва Деление веществ с К = 0,7 (1) и К = 1,4 (2) при 24 переносах (а) и 100 переносах (б) Положение максимума на кривой вычисляют по формуле: Для расчетного определения содержания вещества в отдельных воронках используют формулу:, где

Благодарю за внимание! Учебно-научный семинар г. Москва