Práca č. 12 Kvapalinová extrakcia Cieľ práce: 1. Porovnať účinnosť jednostupňovej extrakcie s viacstupňovou extrakciou s postupným pridávaním rovnakého a rôzneho množstva extrahovadla. 2. Na základe údajov z dokumentácia a zo zadania zistite počet členov kaskády extraktorov potrebných na uskutočnenie protiprúdovej extrakcie delenej zmesi. Teoretická časť Kvapalinová extrakcia je difúzny separačný proces delenia homogénnych kvapalných zmesí, pri ktorej jedna alebo viac zložiek pôvodnej zmesi prechádza do druhej kvapalnej fázy. Extrakcia sa používa v prípade, ak delenie kvapalnej zmesi destiláciou nie je efektívne, t.j. ak je hodnota relatívnej prchavosti zložiek delenej zmesi blízka prípadne rovná 1 (delenie látok s podobnou teplotou varu, zriedených roztokov alebo azeotropických zmesí). Delená zmes, surovina (prúd F), obsahuje pôvodné rozpúšťadlo (zložka A) a extrahovanú zložku B. Na extrakciu sa používa extrakčné rozpúšťadlo (prúd S), ktorým je čistá alebo takmer čistá zložka C. Výber extrakčného rozpúšťadla sa riadi niekoľkými požiadavkami: pôvodné a extrakčné rozpúšťadlo musia byť obmedzene miešateľné, v optimálnom prípade vzájomne nemiešateľné; extrahovaná zložka sa má lepšie rozpúšťať v extrahovadle než v pôvodnom rozpúšťadle; extrahovadlo má mať inú hustotu ako pôvodné rozpúšťadlo; extrahovadlo má mať nízku viskozitu, má byť lacné, nekorozívne, nehorľavé, nemá byť zdraviu škodlivé, prchavé a jeho výpary nemajú byť výbušné. Pri miešaní suroviny s extrakčným rozpúšťadlom dochádza k prestupu extrahovanej zložky z pôvodného rozpúšťadla do extrahovadla. Pri dostatočne dlhom a intenzívnom kontakte fáz sa dosiahne stav blízky rovnováhe. Po ukončení miešania sa v dôsledku rozdielnej hustoty oddelia extraktová a rafinátová fáza. Extraktová fáza obsahuje v prevažnej miere extrahovadlo a vyextrahovanú zložku. Rafinát obsahuje predovšetkým pôvodné rozpúšťadlo a zvyšok extrahovanej zložky. Okrem toho, v prípade obmedzenej miešateľnosti extrahovadla a pôvodného rozpúšťadla, extrakt môže obsahovať aj malé množstvo pôvodného rozpúšťadla a rafinát extrahovadlo. Rýchlosť prestupu látky pri kvapalinovej extrakcii (rovnako ako pri všetkých difúznych separačných metódach) dokážeme opísať rýchlostnou rovnicou vo všeobecnom tvare Rýchlosť prestupu látky = Plocha fázového rozhrania Hnacia sila Odpor proti prestupu látky (12.1) Prestup látky preto dokážeme urýchliť tak, že zväčšíme plochu fázového rozhrania, napríklad intenzívnejším miešaním fáz; zväčšíme hodnotu hnacej sily, opakovaným pridávaním čerstvého rozpúšťadla;
zmenšením odporu proti prestupu látky, ktoré dosiahneme napríklad intenzívnejším miešaním heterogénnej zmesi. Kvapalinová extrakcia sa môže realizovať ako kontinuálny proces v extrakčnej kolóne alebo ako proces s prerušovaným kontaktom fáz (stupňová extrakcia). Stupňová extrakcia sa zvyčajne uskutočňuje v zariadeniach typu miešač usadzovač. V miešači sa obe fázy uvedú do intenzívneho kontaktu, najčastejšie použitím miešadla. Po určitom čase sa heterogénna zmes premiestni do druhej nádoby, usadzovača, kde sa oddelia rafinátová a extraktová fáza. Pri riešení extrakcie predpokladáme, že v každom extrakčnom stupni sa dosiahne rovnováha, t.j. zloženie získaného extraktu a rafinátu je rovnovážne. Prúdová schéma jednostupňovej extrakcie je znázornená na obrázku 12.1. Surovina (F), zložky A a B Extrahovadlo (S), zložka C (B, A) Obr. 12.1. Schéma extrakčného stupňa. Extraktor Heterogénna zmes (Z), zložky A, B a C Extrakt (F), zložky C a B (A) Rafinát (R), zložky A a B (C) Aby sme dokázali vypočítať množstvo a zloženie extraktu a rafinátu potrebujeme poznať množstvá a zloženie suroviny a extrahovadla a tiež rovnováhu kvapalina kvapalina príslušnej trojzložkovej zmesi A B C. Riešenie sa realizuje graficky v pravouhlom rovnovážnom trojuholníkovom diagrame (obrázok 12.2). Rovnováhu v diagrame znázorňuje binodálna krivka, ktorá je spojnicovým bodom (P) rozdelená na extraktovú a rafinátovú vetvu. Body rafinátovej a extraktovej vetvy binodálnej krivky zodpovedajú rovnovážnym zloženiam rafinátu a extraktu. Dvojice bodov, znázorňujúce rovnovážne zloženie rafinátu a extraktu, spájajú úsečky nazývané konódy. Kvôli prehľadnosti pri grafickom riešení sa popri rovnovážnom diagrame používa aj distribučný diagram (obrázok 12.2). Do rovnovážneho diagramu sa zakreslí zloženie suroviny, bod F = [ x FB ; x FC ], a zloženie extrahovadla, bod S = [ y SB ; y SC ]. Na základe známeho množstva suroviny a extrahovadla dokážeme určiť zloženie globálnej heterogénnej zmesi, ktorá je prítomná v extraktore, bod Z = [ y ZB ; y ZC ]. Súradnice bodu Z dokážeme vypočítať riešením celkovej materiálovej bilancie a materiálovej bilancie pre zložky B a C mf + ms = mz (12.2) mx F Fi + my S Si = my Z Zi i= A, B, C (12.3) Nakoľko materiálová bilancia je lineárna závislosť, bod Z musí ležať na priamke prechádzajúcej bodmi F a S. Preto postačuje vypočítať jednu z jeho súradníc, napr. y ZB mx + mx + my = = m m + m F FB S SB F FB S SB Z F S (12.4)
prípadne, podľa pravidla o rovnováhe síl pôsobiacich na páke (pákové pravidlo), platí m m y y = x y = (12.5) ( ) F SB ZB FB SB mz F, t.j. SZ FS mz takže lineárna vzdialenosť bodov S a Z v rovnovážnom diagrame je úmerná vzdialenosti bodov F a S a pomeru hmotností suroviny a vzniknutej globálnej zmesi. C S x, y C C E Z P A R x RB yzb y EB x FB xb, yb y B P y EB Obr. 12.2. Grafické riešenie jednostupňovej extrakcie pre prípad obmedzenej miešateľnosti pôvodného (A) a extrakčného (C) rozpúšťadla. Aby bola splnená materiálová bilancia 0 x RB x B
mz = me + mr (12.6) my Z Zi = my E Ei + mx R Ri i= A, B, C (12.7) bod Z musí tiež ležať na priamke spájajúcej body E a R, ktoré zodpovedajú rovnovážnemu zloženiu extraktu a rafinátu. V distribučnom diagrame na obrázku 12.2 stačí nájsť takú dvojicu dát x RB a y EB, aby spojnica bodov E a R vynesených na extraktovú a rafinátovú vetvu binodálnej krivky v rovnovážnom diagrame prechádzala cez bod Z. Množstvo extraktu a rafinátu dokážeme vypočítať kombináciou rovníc materiálovej bilancie (12.6) a (12.7), napríklad pre zložku B y x m = m = m ZB RB E Z Z yeb xrb ZR ER (12.8) Rovnica (12.8) sa súčasne dá použiť aj na výpočet pomocou pákového pravidla. Množstvo extraktu je úmerné hmotnosti globálnej heterogénnej zmesi v extraktore a podielu vzdialeností bodov ZR a ER, ktoré zodpovedajú zloženiu heterogénnej zmesi, extraktu a rafinátu. V prípade viacstupňovej extrakcie s postupným pridávaním extrakčného rozpúšťadla sa rafinát z prvého stupňa extrakcie stáva surovinou pre druhý stupeň extrakcie. Podobne, rafinát z druhého stupňa surovinou pre tretí stupeň, atď. Výpočet množstva a zloženia extraktu a rafinátu z druhého a ďalších stupňov extrakcie je analógiou riešenia pre prvý stupeň.
Zadanie práce 1. Vykonajte... stupňovú extrakciu s postupným pridávaním extrakčného rozpúšťadla. Na extrakciu sa použije... cm 3 suroviny a rovnaké objemy extrakčného rozpúšťadla (... cm 3 ) a rôzne objemy extrakčného rozpúšťadla (I. stupeň... cm 3, II. stupeň... cm 3, III. stupeň... cm 3, atď.). Porovnajte oba viacstupňové postupy s jednostupňovou extrakciou, pri ktorej použijete rovnaké množstvo suroviny a extrakčného rozpúšťadla. Extrakčným rozpúšťadlom je..., čas miešania je... min. 2. Dvojstupňovou extrakciou s postupným pridávaním extrahovadla sa má zo 100 kg suroviny vyextrahovať 85 % z pôvodného množstva extrahovanej zložky. Surovina má rovnaké zloženie ako surovina použitá na laboratórnom cvičení. V prvom stupni extrakciu sa použije... kg extrakčného rozpúšťadla s obsahom 0.5 hmot. % extrahovanej zložky. Vypočítajte spotrebu čistého extrakčného rozpúšťadla v druhom stupni extrakcie, aby sa dosiahol požadovaný výťažok extrahovanej zložky vo finálnom extrakte. Finálny extrakt vznikne zmiešaním extraktov z prvého a druhého stupňa extrakcie.
Experimentálna časť Zariadenie Stupňová extrakcia sa v laboratórnych podmienkach uskutočňuje v temperovaných oddeľovacích lievikoch, ktoré sú uchytené v spoločnom ráme (obrázok 12.3). Na premiešavanie obsahu lievikov sa používa trepačka, do ktorej sa vkladá rám s oddeľovacími lievikmi. 1 2 2 2 Obr. 12.3. Schéma laboratórneho zariadenia na extrakciu. Drevený rám na uchytenie oddeľovacích lievikov (1) a temperované oddeľovacie lieviky (2). Pracovný postup A. Príprava na meranie 1. Skontrolujeme úplnosť zariadenia a príslušenstva. 2. Vyžiadame si povolenie na začiatok merania. 3. Zapneme termostat a lampu refraktometra. B. Meranie 1. Refraktometricky zistíme zloženie suroviny. Podrobnosti k postupu merania sú uvedené v dokumentácii. 2. Do odmerného valca nalejeme určené množstvo suroviny a nádobu so surovinou odvážime. Surovinu nalejeme do oddeľovacieho lievika (2) a prázdny odmerný valec znova odvážime. Z rozdielu hmotností zistíme hmotnosť suroviny, ktorú sme naliali do oddeľovacieho lievika. Postup opakujeme pri všetkých troch oddeľovacích lievikoch (použijeme rovnaký odmerný valec).
3. Do iného odmerného valca nalejeme určené množstvo extrakčného rozpúšťadla. Lievik s obsahom odvážime a obsah prelejeme do oddeľovacieho lievika. Odmerný valec znovu odvážime a z rozdielu hmotností určíme presné množstvo použitého extrakčného rozpúšťadla. Do prvého oddeľovacieho lievika nalejeme objem určený pre jednostupňovú extrakciu. Do druhého lievika nalejeme prvý podiel objemu extrakčného rozpúšťadla, ktorý bol zadaný pre extrakciu s postupným pridávaním rovnakého množstva extrakčného rozpúšťadla. Do tretieho oddeľovacieho lievika prelejeme prvý podiel objemu, ktorý sa použije na extrakciu s pridaním rôznych množstiev extrakčného rozpúšťadla v jednotlivých stupňoch extrakcie. Aby boli výsledky všetkých troch experimentov porovnateľné, pri každej extrakcii sa použije rovnaké množstvo suroviny. Aj celkové množstvo extrakčného rozpúšťadla je rovnaké, či už ho použijeme naraz (jednostupňová extrakcia) alebo rozdelené na jednotlivé podiely, ktoré pridávame postupne v jednotlivých krokoch (viacstupňová extrakcia). 4. Drevený rám s naplnenými a riadne uzatvorenými oddeľovacími lievikmi presunieme do trepačky Zapneme trepačku a predpísaný čas ju necháme premiešavať obsah oddeľovacích lievikov. 5. Rám s oddeľovacími lievikmi presunieme späť do stojana a 3 min počkáme na oddelenie fáz. Po uplynutí času usadzovania uvoľníme zátky oddeľovacích lievikov. 6. Do prázdnej odváženej kadičky vypustíme spodnú (extraktovú) fázu z prvého oddeľovacieho lievika. Kadičku s oddelenou fázou odvážime. Z rozdielu určíme hmotnosť oddelenej fázy. Postup s čistými odváženými kadičkami zopakujeme aj pre zvyšné dva oddeľovacie lieviky. V prípade jednostupňovej extrakcie z oddeľovacieho lievika vypustíme do prázdnej odváženej kadičky aj vrchnú (rafinátovú) fázu. Plnú kadičku odvážime, aby sme zistili hmotnosť rafinátu. 7. Refraktometricky stanovíme zloženie extraktových fáz zo všetkých troch experimentov ako aj zloženie rafinátovej fázy z jednostupňovej extrakcie. 8. V prípade viacstupňovej extrakcie vrchnú (rafinátovú) fázu v oddeľovacom lieviku ponecháme. Do oboch oddeľovacích lievikov navážime druhý (ďalší) podiel extrakčného rozpúšťadla. Pri navažovaní použijeme rovnaký postup ako v bode 3. 9. Zopakujeme postup uvedený v bodoch 4 a 5. 10. Odoberieme a odvážime extraktové fázy z druhého a tretieho oddeľovacieho lievika. V prípade dvojstupňovej extrakcie odoberieme a odvážime aj rafinátové fázy. 11. Refraktometricky stanovíme zloženie jednotlivých odobratých fáz. 12. V prípade viac ako dvojstupňovej extrakcie opakujeme postup podľa bodov 8 až 11. C. Ukončenie merania 1. Vypneme termostat a lampu refraktometra. D. Bezpečnostné opatrenia 1. Používané kvapaliny sú horľaviny, ktorých pary sú zdraviu škodlivé.
Spracovanie nameraných údajov 1. Namerané údaje zaznačíme do tabuľky 12.1. (jednostupňová extrakcia) a dvoch tabuliek 12.2 (viacstupňové extrakcie). 2. Pri vyhodnotení použijeme postup uvedený v teoretickom úvode. Na základe údajov o množstve a zložení suroviny a extrakčného rozpúšťadla vypočítame množstvo a zloženie extraktu a rafinátu vo všetkých troch experimentoch. 3. Porovnáme namerané a vypočítané hodnotnožstva a zloženia jednotlivých extraktov. Údaje zaznačíme do tabuľky 12.3. 4. Určíme relatívne odchýlky nameraného a vypočítaného množstva vyextrahovanej zložky pre každý experiment. Výsledky zapíšeme do tabuľky konečných výsledkov 12.4.
Tabuľka 12.1. Záznam nameraných údajov z jednostupňovej extrakcie F S E R Prúd V/cm 3 m/g 20 d x, y n B B Tabuľka 12.2. Záznam nameraných údajov z N-stupňovej extrakcie F S 1 E 1 S 2 E 2 S 3 E 3 R N Prúd V/cm 3 m/g 20 d x, y n B B Tabuľka 12.3. Porovnanie nameraných a vypočítaných údajov Namerané hodnoty Vypočítané hodnoty Jednostupňová extrakcia E E /g y E m E /g x m R R /g x R m R /g N-stupňová extrakcia s postupným pridávaním rovnakých množstiev extrakčného rozpúšťadla E1 E1 /g y E1 m E1 /g E2 E2 /g y E2 m E2 /g E3 E3 /g y E3 m E3 /g x m RN RN /g x RN m RN /g N-stupňová extrakcia s postupným pridávaním rôznych množstiev extrakčného rozpúšťadla E1 E1 /g y E1 m E1 /g E2 E2 /g y E2 m E2 /g E3 E3 /g y E3 m E3 /g x m RN RN /g x RN m RN /g
Tabuľka 12.4. Konečné výsledky Druh extrakcie Jednostupňová N-stupňová, m S1 = m S2 = m S3 N-stupňová, m S1 m S2 m S3 Vyextrahované množstvo Experiment Výpočet δ/%