Cwiczenie 8

Cwiczenie 8
Ekstrakcja w pulsacyjnym ekstraktorze
kolumnowym z wypelnieniem.
Wstep teoretyczny
Ekstrakcja ciecz-ciecz ma szerokie i ugruntowane zastosowania jako metoda rozdzielania i
oczyszczania zarówno w skali laboratoryjnej (szczególnie a analizie chemicznej) jak i w
technologiach wielkoprzemyslowych, np. w przemysle rafineryjnym i petrochemicznym. W
dziedzinie ochrony srodowiska rozwijajacym sie obszarem zastosowañ ekstrakcji jest
wydzielanie z wód sciekowych zanieczyszczeñ wystepujacych w umiarkowanie niskich (nie
sladowych) stezeniach. Tu ekstrakcja zaczyna skutecznie konkurowac ze starszymi metodami,
(np. przeparowaniem), w usuwaniu substancji wysokowrzacych i silnie polarnych, w tym
kwasów organicznych (np. 2,4-dinitrotoluenu, nitrobenzenu, fenolu, aniliny, pirydyny, kwasu
mrówkowego i octowego oraz formaldehydu.
1.
Podstawy fizykochemiczne.
Ekstrakcja nazywamy operacje polegajaca na czesciowym lub calkowitym
rozdzieleniu mieszaniny cieklej lub stalej za pomoca rozpuszczalnika, w którym
skladniki
mieszaniny wykazuja rózna rozpuszczalnoscia. W przypadku rozdzielania
ta metoda mieszaniny stalej proces nazywamy lugowaniem, natomiast w przypadku
rozdzielania mieszanin cieklych - ekstrakcja wlasciwa lub po prostu ekstrakcja.
Ekstrakcja polega na kontaktowaniu surówki ekstrakcyjnej (roztwór surowy) z
odpowiednio dobranym rozpuszczalnikiem wtórnym (C) -ekstrahentem, wykazujacym
selektywna rozpuszczalnoscia w stosunku do skladników surówki oraz ograniczona
rozpuszczalnoscia w roztworze surowym. Po dodaniu rozpuszczalnika wtórnego tworzy
sie uklad dwufazowy (ciecz-ciecz lub ciecz-cialo stale). Skladnik ekstrahowany
przechodzi w znacznej czesci z surówki do rozpuszczalnika wtórnego, dajac ekstrakt.
Pozostaloscia poekstrakcyjna jest nazywana rafinatem.
1a. Ekstrakcja w ukladzie ciecz-ciecz
W przypadku gdy rozpuszczalnik wtórny (C) wykazuje zupelna nierozpuszczalnoscia w
rozpuszczalniku pierwotnym (A) oraz gdy nie wystepuja zjawiska asocjacji lub dysocjacji
skladnika ekstrahowanego (B) mozna stosowana prawo podzialu Nernsta. Wedlug tego
prawa w danej temperaturze stosunek zawartosci skladnika ekstrahowanego w ekstrakcie
i rafinacie jest staly:
gdzie: k - wspólczynnik podzialu,
Y - zawartoscia skladnika ekstrahowanego w ekstrakcie
X - zawartoscia tego skladnika w rafinacie.
Prawo Nernsta jest przypadkiem granicznym, gdyz zwykle zachodzi asocjacja lub
dysocjacja i zaleznoscia Y=f(X) nie ma charakteru liniowego. Przy zalozeniu calkowitej
niemieszalnosci rozpuszczalników: pierwotnego (A) i wtórnego (C) proces równowagi
ekstrakcyjnej w warunkach izotermicznych mozna rozpatrywana w ukladzie
wspólrzednych prostokatnych.
Jezeli natomiast rozpuszczalnik pierwotny (A) i rozpuszczalnik wtórny (C) rozpuszczaja
siesczesciowo w sobie, zachodzi koniecznosc stosowania trójkata Gibbsa do
przedstawiania równowagi ekstrakcyjnej
Rys.1. Równowaga ekstrakcyjna w trójkacie Gibbsa.
Na Rys. 1 krzywa LKM podaje sklady obu faz cieklych, wzajemnie wzgledem siebie
nasyconych (dane równowagi ciecz-ciecz). Cieciwy lacza sklady obu faz (E-ekstrakt, Rrafinat) odpowiadajace stanowi równowagi. Dlugosci tych cieciw, czyli róznica skladów tych
faz maleje do zera w punkcie krytycznym (K). Jezeli dana jest mieszanina o skladzie (F),
wówczas podzieli siesona na rafinat (R) i ekstrakt (E).Na zewnatrz krzywej granicznej mamy
roztwory jednofazowe. Poza ukladem z jedna para cieczy o ograniczonej mieszalnosci
spotykamy równiez z dwiema i trzema parami wzajemnie niemieszalnych.
2.
Cechy dobrego ekstrahenta.
Przemyslowe prowadzenie procesu ekstrakcji okresla pewne wymagania stawiane dobremu
ekstrahentowi. Najwazniejszym i zarazem koniecznym warunkiem jest jego ograniczona
mieszalnoscia z rozpuszczalniekiem pierwotnym, powinien on ekstrahowana glównie
pozadany skladnik (selektywnoscia), wspólczynnik podzialu w danym ukladzie powinien
miec jak najwieksza wartosc, powinien róznic sie znaczaco gestoscia od rozpuszczalnika
pierwotnego, istotna jest równiez latwoscia jego regeneracji, pomiedzy rozpuszczalnikiem
pierwotnym i wtórnym powinno byc optymalne napiecie miedzyfazowe tak, aby ciecze latwo
nie emulgowaly, ale równiez zbyt szybko nie zachodzila koalescencja (dluzszy czas kontaktu
miedzyfazowego ulatwia dyfuzje). Rozpuszczalnik wtórny nie powinien dzialac niszczaco na
aparature, ani reagowac ze skladnikami surówki, powinien byc on tani, najlepiej
nietoksyczny, ekologicznie bezpieczny. Przy tak licznych wymaganiach nalezy wybierac
optymalne rozwiazania.
3.
Sposoby prowadzenia ekstrakcji.
Ekstrakcja moze byc prowadzona w sposób okresowy lub ciagly. W metodzie ciaglej stosuje
sie zasade przeciwpradu strumieni surówki i ekstrahenta. Aparaty do ekstrakcji nazywamy
ekstraktorami. Skladaja sie one z mieszalników, w których zachodzi mieszanie surówki z
ekstrahentem oraz rozdzielaczy (odstojników), w których nastepuje rozwarstwienie. W
ekstrakcji wielostopniowej mieszalniki i odstojniki sa ustawione na przemian, szeregowo. W
ekstrakcji ciaglej wykorzystujemy jedno urzadzenie – kolumne ekstrakcyjna.
3a. Ekstrakcja jednostopniowa.
Prosty sposób jednostopniowy polega na zmieszaniu surówki z ekstrahentem. Po osiagnieciu
stanu równowagi fizykochemicznej nastepuje rozwarstwienie mieszaniny na ekstrakt i rafinat.
W przypadku zalozenia calkowitej niemieszalno¶ci dwoch rozpuszczalników, bilans
materialowy skladnika ekstrahowanego mozna zapisaa jako:
gdzie: S - iloscia rozpuszczalnika pierwotnego w surówce
x 0 - zawartoscia skladnika ekstrahowanego
C - iloscia rozpuszczalnika wtórnego
Y - zawartoscia skladnika ekstrahowanego w ekstrakcie
x - zawartoscia skladnika ekstrahowanego w rafinacie
Rozwiazujac powyzsze równanie wzgledem Y otrzymamy:
Zaleznosc te ilustruje Rys.2
Rys. 2. Graficzny bilans ekstrakcji jednostopniowej.
Na Rys.2 linia AB wychodzaca z punktu o wspólrzednych [x0 , y=0] przecina krzywa
równowagi w punkcie B, wyznaczajac przez to sklad ekstraktu y i rafinatu x.
3b. Ekstrakcja przeciwpradowa ciagla.
Schemat ekstrakcji przeciwpradowej przedstawia Rys.3.
Rys.3. Schemat ekstrakcji przeciwpradowej: E-ekstrakt, R-rafinat, S-surówka, Crozpuszczalnik wtórny
W przypadku zupelnej niemieszalnosci rozpuszczalników pierwotnego i wtórnego bilans
czastkowy skladnika ekstrahowanego mozna zapisana dla kazdego z n kolejnych stopni:
gdzie: S-natezenie przeplywu surówki
x0 - zawartoscia skladnika ekstrahowanego w surówce
C - natezenie przeplywu ekstraktu
Y n+1- zawartoscia skladnika ekstrahowanego w ekstrakcie z n+1 stopnia
xn- zawartoscia skladnika ekstrahowanego w rafinacie
Y 1 -zawartoscia skladnika ekstrahowanego w ekstrakcie
4. Wyznaczanie liczby teoretycznych stopni kontaktu przy zalozeniu
calkowitej niemieszalno¶ci rozpuszczalnika pierwotnego i wtórnego.
Teoretyczny stopieñ kontaktu w ekstrakcji ciaglej to obszar w którym dochodzi do ustalenia
sie stanu równowagi termodynamicznej. Oznacza to iz korzystnie dla procesu ekstrakcji jest
aby w kolumnie ekstrakcyjnej takich stopni kontaktu bylo jak najwiecej. Ich liczba zalezy od
zalozonych danych projektowych (typ ukladu, sklad surówki i koñcowy sklad ekstraktu) typu
i parametrów kolumny.
Jesli zalozymy, ze rozpuszczalnik pierwotny S oznaczany wczesniej równiez A i wtórny C
sa calkowicie niemieszalne mozemy posluzyc sie graficzna metoda pozwalajaca na
wyznaczenie liczby teoretycznych stopni kontaktu.
Z równania bilansu czastkowego dla ekstrakcji przeciwpradowej ciaglej (powyzej)
wyznaczamy równanie tzw. linii operacyjnej:
Równanie to nanosi sie na wykresie zaleznosci skladu ekstraktu od skladu rafinatu (Rys.4).
Rys.4. Wyznaczanie liczby stopni ekstrakcyjnych w ekstrakcji przeciwpradowej.
Punkt B wynika z danych projektowych: koñcowy sklad ekstraktu i sklad surówki. Linia
równowagi wykreslana jest w oparciu o dane literaturowe (równowagi ciecz-cieczodpowiednia izoterma). Iloscia schodków, które prowadzone od punktu B równolegle do osi
miedzy izoterma równowagi i linia operacyjna odpowiada liczbie teoretycznych stopni
kontaktu.
Poza metoda graficzna wyznaczania liczby teoretycznych stopni kontaktu wykorzystywana
jest równiez metoda obliczeniowa. W metodzie wykorzystuje sie dwa parametry
charakteryzujace ekstrakcje:
stopieñ wyekstrahowania, obliczany jako:
E- natezenie przeplywu ekstraktu
xE- zawartoscia skladnika ekstrahowanego w ekstrakcie
S- natezenie przeplywu surówki
xS - zawartoscia skladnika ekstrahowanego w surówce
wspólczynnik ekstrakcji, zwiazany zaleznoscia ze wspólczynnikiem ekstrakcji:
Liczbe teoretycznych stopni kontaktu wyznacza sie z równania:
5. Aparaty ekstrakcyjne.
Pod wzgledem konstrukcyjnym aparaty do ekstrakcji mozna podzielic na dwa zasadnicze
rodzaje:
I. ekstraktory mieszalnikowo-odstojnikowe
II. ekstraktory kolumnowe
Pierwszy typ nadaje sie do prowadzenia ekstrakcji w sposób okresowy i ciagly. Szybkosci
przeplywu i intensywnosci wymieszania moga w nich byc wieksze niz w kolumnowych,
ale koniecznosc instalowania w kazdym stopniu oddzielnego mieszadla zwieksza koszt
budowy i eksploatacji urzadzenia.
W aparatach kolumnowych dwie ciecze poruszaja sie wzgledem siebie w przeciwpradzie,
koalescencja obu faz nastepuje w takim urzadzeniu tylko raz, w celu osiagniecia w
zwiazku z tym jak najwiekszej powierzchni kontaktu miedzy fazami, rozwija sie ja przez:
a) wypelnianie kolumn ksztaltkami (np. pierscieniami Raschiga) lub umieszczenie w nich
pólek sitowych
b) dodatkowe wspomaganie mechaniczne wywolujace pulsacje slupa cieczy w kolumnie
(ekstraktory pulsacyjne)
c) uzycie mechanicznie napedzanych mieszadel tarczowych lub lopatkowych. Ponizszy
Rys.5.
Ekstraktor Gordona: 1-plaszcz aparatu, 2-pokrywa, 3-mieszadlo lopatkowe, 4-porowata
plyta mieszajaca, 5-wska¼nik poziomu cieczy, 6-przekladnia mieszadla.
Rys.5. Ekstraktory kolumnowe: a - rozpylowy, b - z pólkami sitowymi, c - z
wypelnieniem