Моделирование экстракционных каскадов разделения и очистки

Моделирование экстракционных
каскадов разделения и очистки
веществ
Студент 5 курса
Козин Н. Ю.
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
Жидкостная экстракция – метод разделения
компонентов раствора, один из
массообменных процессов химической
технологии.
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
2
Массообменные процессы
Процессы с использованием
добавочного компонента:
 Абсорбция
 Адсорбция
 Ионный обмен
 Азеотропная перегонка
 Жидкостная экстракция
-
Разделение смесей без
добавочных веществ:
 Дистилляция
 Ректификация
 Выпаривание
 Кристаллизация
 Зонная плавка
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
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.
3
Кривые распределения
Коэффициент распределения:
mC = XCB/XCA

1) В случае, если C не претерпевает
изменений ни в одной фазе:
mC = XCB/XCA = const
2) Диссоциация компонента С в фазе А
(распределяются только
недиссоциированные молекулы):
С(фаза В) ↔ С ↔ n’C’(фаза А) + n”C”
m’c= [C]B/([CT]A*(1-α)) = const
Кривые распределения: а – система c
одной парой частично
смешивающихся жидкостей, б –
система с двумя парами частично
смешивающихся жидкостей
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
3) Ассоциация компонента С в фазе В
(распределяются только
неассоциированные молекулы):
С (фаза А)↔С↔1/n*Cn (фаза B)
m’C = [CT]B*(1-α’)/[C]A = const
4
Классификация экстракционных систем
 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)
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
Схема идеальной
(теоретической)
ступени: S –
экстрагент, F –
исходый раствор, R –
рафинат, E - экстракт
5
Экстракция с одним экстрагентом
Одноступенчатая экстракция
Многоступенчатая экстракция с
перекрестным током
Многоступенчатая противоточная
экстракция
Дифференциальная экстракция
Многоступенчатая противоточная
экстракция с флегмой
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
6
Одноступенчатая экстракция
Материальный баланс процесса:
F+S=R+E=M
Положение точки M:
F/S = MS/FM
Баланс по компоненту B:
FX BF  SX BS  MX BM
Решаем относительно S:
S
Экстракция при однократном
взаимодействии: M – состав смеси
(исходный раствор + экстрагент), R
и E – составы сосуществующих фаз
после установления равновесия
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
F ( X BM  X BF )
X BS  X BM
Минимальное количество S:
 FD  F ( X BD  X BF )

S min  F 

X BS  X BD
 DS 
7
Многоступенчатая прямоточная экстракция
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 Smin
 Наиболее чистый компонент A
получают, когда хорда равновесия
последней стадии при продолжении
будет проходить через S –
выполнимо при бесконечном числе
ступеней
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
8
Многоступенчатая прямоточная экстракция
Объединенный экстракт имеет
следующие характеристики:
E  E1  E 2  E 3    E n
X CE 
X BE 
E1 X CE1  E 2 X CE 2  E3 X CE3    E n X CE n
E1 X BE1  E 2 X BE2
E
 E3 X BE3    E n X BEn
Задача по расчету многоступенчатой
экстракции:
Известные параметры:
- концентрация экстрагента
- концентрация исходного раствора
- количество исходного растворы
E
Определяемые значения:
- общее количество экстрагента
- распределение экстрагента по
ступеням
- состав экстракта и рафината
Двухступенчатая экстракция
при различных температурах
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
9
Дифференциальная экстракция
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
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
10
Дифференциальная экстракция
Количество экстрагента, необходимое
для насыщения исходного раствора F:
 FR  F ( X BR0  X BF )
S нач.  F  0  
X BS  X BR0
 R0 S 
Общий
материальный
процесса:
R  dS  ( R  dR)  dE
dS  dE  dR
баланс
Процесс дифференциальной
экстракции в треугольной
диаграмме
Из материального баланса по
компонентам А и С выводят уравнение
дифференциальной экстракции:
dX CR
dX AR

dR X CS  X CE X AS  X AE

X CS  X CR X AS  X AR
R

X CS  X CE X AS  X AE
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
R
ln 0 
Rf
X CR0

X CR f
dX CR
X
X
X CE  AR  CR
 X AE X CE




X AR0

X AR f
dX AR
X
X
X AE  AR  CR
 X AE X CE



11
Противоточная многоступенчатая экстракция
Материальный баланс всей установки:
F + S = E1 + Rn = M (1)
F – E1 = Rn – S = O
Баланс для m-ой ступени:
Rm-1 + Em+1 = Em + Rm (2)
Rm-1 – Em = Rm – Em+1 = O
Экстракт Em и рафинат Rm находятся в равновесии на разных
концах хорд.
Следовательно R1 определяется на противоположном конце
хорды, проходящей через точку E1. E2 – на продолжении линии
OR1, R2 – на хорде, проходящей через E1 и т.д.
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
12
Многоступенчатая противоточная экстракция
Из условия материального баланса находится точка O –
рабочая точка (полюс). В зависимости от наклона хорд
может находится как справа, так и слева от экстрагента
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
13
Количества E1 и Rn определяются решением уравнения (1) с использованием
материального баланса по компоненту С:
E1 

M X CM  X CRn

X CE1  X CRn
Материальный баланс для компонента A на m-ой ступени:
Rm 1 X ARm 1  E m 1 X AEm 1  Rm X AR  E m X AEm
m
Решая совместно с уравнением (2) находим:
Rm 
Rm1 ( X ARm 1  X AEm 1 )  Em ( X AEm 1  X AEm )
X ARm  X AEm 1
(3)
С помощью последнего уравнения находят рассчитывают R1 (принимая m
= 1, m-1 =F), затем по уравнению (2) E2 (при m = 1). По уравнению (3) –
величину R2 (при m = 2), E3 находим по уравнению (2) (m=2) и т.д.
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
14
Определение минимального расхода экстрагента в многоступенчатой
противоточной экстракции. Точка O´ соответствует минимальному
количеству экстрагента.
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
15
Противоточное распределение
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).
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.)
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
16
Схема распределения
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:
Схема распределения для гипотетического вещества,
которое для данной пары несмешивающихся фаз А и B
имеет коэффициент распределения 1,0
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
n
Tn ,r
n!
 1 


 Kr
r!(n  r )!  K  1 
17
Разделение компонентов
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:
1 – экспериментальная
кривая, 2 – теоретическая
кривая для пропионовой
кислоты, 3 – теоретическая
кривая для масляной кислоты
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
R K1 K 2  1
Где,
R
VA
VB
18
Схема с большим числом переносов
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:
N
nKR
KR  1
Для расчетного определения содержания вещества в отдельных воронках
используют формулу:
Tn , x 
1
q

x2
q
e , где q 
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва
2nK
K  12
19
Благодарю за внимание!
Учебно-научный семинар 24.02.2015. г. Москва