Extracția lichidă produce separarea constituenților unei soluții lichide prin contactul cu un alt lichid insolubil. Dacă componentele soluției originale se distribuie diferit între cele două lichide, va rezulta separarea. Soldurile componente vor fi în esență identice cu cele pentru levigare, dar există două diferențe majore care complică calculele:

  • faza purtătoare este un lichid, nu un solid, astfel încât tehnicile de separare fizică se vor schimba și
  • se dezvoltă două faze distincte, deci simplitatea soluției uniforme se pierde.

Aplicațiile obișnuite de extracție lichidă includ: separarea și purificarea uleiurilor lubrifiante, separarea penicilinei de bulionul de fermentare etc.

Extracția este condusă de diferențe chimice, nu de diferențe de presiune a vaporilor și poate fi utilizată în situații în care distilarea este impracticabilă. De exemplu, poate fi folosit pentru a separa materialele cu puncte de fierbere similare (astfel încât distilarea să nu fie practică) sau amestecurile care conțin compuși sensibili la temperatură.

Distilarea și evaporarea produc produse finite; extracția lichidă în general nu. Produsele sunt încă amestecuri, deși au compoziții noi, iar acestea trebuie separate pentru a obține produse finale. Separarea secundară necesită adesea distilarea sau evaporarea. Astfel, costul global al procesului trebuie luat în considerare la alegerea extracției.

Extracția poate deveni economică pentru soluțiile apoase diluate atunci când evaporarea ar necesita vaporizarea unor cantități foarte mari de apă.

Terminologie

Anumiți termeni sunt utilizați în mod obișnuit atunci când se descriu procesele de extracție. Soluția care trebuie extrasă se numește furaj, lichidul utilizat în contact este solventul. Produsul solvent îmbogățit este extractul și furajul epuizat se numește rafinat.

Procesele de extracție pot fi cu o singură etapă, cu mai multe etape sau cu contracurent. Extracția cu cocurent nu oferă avantaje față de o singură etapă (convinge-te de asta!). Această clasă se va ocupa în primul rând de sistemele contracurente.

Echilibru

astfel încât

Calculele de extracție necesită o înțelegere a echilibrului ternar. Probabil ar trebui să vă reîmprospătați memoria cu privire la modul în care sunt citite și utilizate diagramele ternare. Aș anticipa că ați învățat acest lucru în cursul dvs. de echilibru material.

Un nou termen care poate să nu fie familiar este punctul de împletitură. Acest punct este situat în partea de sus a plicului bifazic, la punctul de inflexiune. Reprezintă o condiție în care amestecul cu 3 componente se separă în două faze, dar fazele au compoziții identice. (Comparați acest lucru cu un amestec azeotrop de lichid și vapori.)

Există două clase principale de echilibru lichid-lichid care apar în extracție. Un sistem de clasa I este cel cu care mă aștept că sunteți familiarizat; are o pereche nemiscibilă de compuși și produce învelișul familiar. Amestecurile de clasa a II-a au două perechi de compuși nemiscibili, astfel încât învelișul cu două faze traversează diagrama triunghiulară ca un pod. Amestecurile de clasa I sunt cele mai frecvente și sunt de preferat - deci, dacă puteți alege un solvent pentru a obține o clasă I, de obicei doriți să faceți acest lucru. Clasele se pot schimba odată cu temperatura, deci aceasta este și o preocupare.

Selecția solventului

Una dintre deciziile cheie atunci când se proiectează un proces de extracție este alegerea solventului de utilizat. Problemele includ:

  • Selectivitate - comparați raportul de echilibru al solutului în fiecare fază
  • Coeficienți de distribuție - y/x la echilibru; valori mari preferabile
  • Insolubilitate - solventul nu trebuie să fie solubil în lichidul purtător
  • Recuperabilitate - luați în considerare constrângerile (adică azeotropele)
  • Densitatea - trebuie să fie diferită, astfel încât fazele să poată fi separate prin decantare
  • Tensiunea interfațială - dacă este prea mare, lichidele vor fi greu de amestecat
  • Reactivitate chimică - solventul trebuie să fie inert și stabil
  • Vâscozitatea, presiunea vaporilor, punctul de îngheț - valorile scăzute facilitează depozitarea
  • Siguranță - toxicitate, inflamabilitate
  • Cost

Calcule

Ca și în cazul celorlalte separări pe care le discutăm, există două calcule principale:

  • numărul de etape necesare pentru a face o separare (amploare)
  • cantitatea de solvent necesară pentru a face o separare (viteză/capacitate)

Deoarece echilibrul LL este rareori disponibil sub formă algebrică, calculele tind să fie iterative sau grafice. Aveți la dispoziție o gamă de abordări grafice în funcție de tipul de diagramă de echilibru pe care o aveți la dispoziție (sau alegeți să o construiți):

  • O abordare modificată McCabe-Thiele poate fi utilizată dacă y vs. x datele sunt disponibile. Coordonatele pentru diagramă sunt fracția de masă a substanței dizolvate în faza de extracție și fracția de masă din rafinat pentru cealaltă. Curba este de obicei concavă în jos, începe la origine și se termină cu compoziția punctului de împletitură.
  • Când cineva are o diagramă de triunghi echilateral convenabilă, construcția se poate face direct pe triunghi. Unii autori se referă la aceasta drept metoda Hunter-Nash.
  • Se pot construi diagrame de echilibru dreptunghiular. Acestea seamănă mult cu diagramele de compoziție a entalpiei din calculele distilării sau cu diagramele „fără solide” utilizate în levigare.

Raportul solvent-alimentare

Pentru un anumit amestec de alimentare, gradul necesar de extracție, presiunea și temperatura de funcționare și alegerea solventului, există un raport minim solvent-alimentare care corespunde unui număr infinit de etape de contact.

Ca și în cazul celorlalte separări pe care le-am studiat, aceasta corespunde unei „ciupituri” între echilibrul și curbele de funcționare la compoziția de alimentare. Algebric, aceasta corespunde unei faze de extract în echilibru cu alimentarea care intră. Ciupitul poate fi găsit și grafic - pe o construcție de tip McCabe-Thiele, raportul minim de solvent corespunde unui ciupit (curbele care se intersectează) la compoziția de alimentare. În timpul unei construcții triunghiulare, o ciupire de alimentare este reprezentată de linia de operare care se suprapune peste o linie de legătură și trece prin punctul de alimentare.

Se poate determina, de asemenea, o limită teoretică superioară sau un raport maxim solvent-alimentare. Dacă vizualizați diagramele ternare, observați că, dacă se adaugă suficient solvent, curba de echilibru este traversată și se introduce regiunea monofazică. Odată ce acest lucru se întâmplă, este imposibil să împărțiți amestecul în diferite faze, prin urmare nu se realizează nicio separare. Raportul maxim solvent-alimentare este astfel cel care plasează amestecul la limita fazei.

Metoda McCabe-Thiele

O abordare modificată McCabe-Thiele este probabil cea mai simplă tehnică grafică pentru rezolvarea problemelor de extracție. Ca întotdeauna, principala constrângere o reprezintă datele de echilibru. Când datele sunt date într-o formă tabelară, nu este dificil să construim y-ul necesar (soluția în faza de extragere) vs. diagrama x (dizolvat în faza de rafinat); cu toate acestea, este un pic o corvoadă să scoți punctele dintr-o diagramă ternară. În acest din urmă caz, poate avea sens să construim direct pe triunghi.

Odată ce ai y vs. x grafic, soldurile componente și materiale pot fi utilizate pentru a seta punctele finale ale curbei de operare. Punctele interioare pot fi găsite selectând o valoare intermediară de x și calculând y-ul adecvat (acesta este de obicei un calcul iterativ). Doriți să găsiți suficiente puncte interioare pentru a fi siguri de forma curbei, dar nu ar trebui să calculați prea multe dintre aceste puncte. Curba de funcționare care rezultă va fi de obicei curbată. Pentru calculele de extracție, atât echilibrul, cât și ecuațiile de funcționare vor fi de obicei curbate.

Odată ce curbele sunt disponibile, acestea pot fi „îndepărtate” în triunghiuri, așa cum ne-am aștepta de la McCabe-Thiele.

Construcția pe diagrama ternară

Construcția pe o diagramă ternară este puțin mai dezordonată. Diagramele sunt de obicei mult mai aglomerate și deci numărarea etapelor este mai complicată. De obicei, aveți nevoie de un spațiu suplimentar substanțial pe partea diagramei; de multe ori doriți să înregistrați o foaie de hârtie de rezervă pentru a obține spațiul de lucru. Regulile de buzunar ajung să fie prea scurte, așa că asigurați-vă că aveți un

2 ft) drepte în jurul.

Primul pas este localizarea punctelor finale cunoscute.

  • Punctul de solvent proaspăt se va așeza de obicei pe o parte a triunghiului (are puțin sau deloc solut și rafinat minim). Dacă este pur, punctul de solvent proaspăt va fi la vârf.
  • Punctul de alimentare se va afla pe axa purtător-solut; numai rareori furajele vor conține solvent.
  • Produsele rezultă din separarea stadiului de echilibru, deci ambele vor sta pe anvelopa fazei. Adesea, doar una dintre acestea este dată în enunțul problemei.

Ideea fundamentală a tuturor construcțiilor este că o singură linie conectează punctele obținute din „amestecarea” a două fluxuri. Punctele finale sunt astfel conectate în două moduri diferite.

În primul rând, este trasat un segment care leagă fluxurile „care intră” (La, Vb) și unul dintre fluxurile „care părăsesc” (Lb, Va). Acestea se vor intersecta în mijlocul diagramei într-un „punct de amestecare”, M. Deoarece cele două fluxuri care părăsesc un stadiu ideal, sunt în echilibru, acest punct este legat de curba de echilibru. Se aplică principiile brațului pârghiei, astfel încât punctul M să împartă segmentele de linie proporțional cu raportul solvent/alimentare, astfel încât

Un punct de „funcționare”, P, este situat prin conectarea „laturilor” cascadei: La la Va și Lb la Vb. Punctul P poate fi situat pe ambele părți ale triunghiului, în funcție de panta liniilor de legătură. (Aici este utilă acea bucată de hârtie suplimentară!) Toate punctele de operare posibile trebuie să treacă prin punctul P.

Cu punctele finale și punctul P, etapele pot fi îndepărtate. Începeți de la punctul Va (extrageți produsul). Traceți o linie de legătură în partea rafinat a plicului; intersecția va fi la compoziția fluxului părăsind prima etapă, deci acesta este punctul L1. Apoi, construiți o linie care să conecteze L1 cu P și extindeți linia înapoi până la partea extrasă a diagramei. Aceasta este o linie de operare, iar intersecția este punctul V2. Triunghiul care a fost format reprezintă un stadiu ideal de echilibru.

Această procedură - în jos o linie de legătură, în sus pe o linie de operare - se repetă până când punctul de alimentare este atins/trecut. Numărul total de triunghiuri create este numărul de etape. Adesea, construcția devine aglomerată și poate fi greu de citit.

Problemele pot fi variate prin schimbarea informațiilor date. Va trebui apoi să vă gândiți la relații (raportul solvent/alimentare, linii de echilibru, linii de operare etc.) și să adaptați procedura.

Solventul minim la alimentare este determinat prin extinderea liniei de legătură care trece prin punctul de alimentare până când intersectează segmentul care leagă Vb și Lb. Această intersecție este punctul Pmin, un punct de operare la minim S/F. Linia este apoi extinsă înapoi pe plic până la partea extrasă. Intersecția este punctul Vmin, corespunzător produsului extras la minim S/F. (Amintiți-vă că o „ciupire” pe acest tip de diagramă înseamnă că funcționarea și echilibrul (legăturile) se suprapun.) Un punct de amestecare „Mmin” poate fi determinat folosind punctul de alimentare, Vb, Lb și Vmin și pârghia -regula bratului va oferi o valoare pentru raportul S/F.

Solventul maxim de alimentare se găsește prin localizarea unui punct „Mmax” pe linia care leagă solventul proaspăt de alimentare, în punctul în care intersectează partea extrasă a plicului. S/F este apoi calculat de brațul pârghiei.

Notă despre Tie Lines

Rareori aveți toate liniile de legătură de echilibru pe care le doriți. Prin urmare, este bine să știm că există o modalitate destul de ușoară de a genera linii suplimentare.

Pentru a face acest lucru, construiți o „curbă conjugată” din liniile de legătură existente. Luați fiecare punct final și trageți o linie din acesta în jos, perpendicular pe baza triunghiului. Extensiile din partea rafinat le vor intersecta pe cele din partea extractului și fiecare pereche formează un punct pe curba conjugată. Punctul final este punctul de împletitură. Când este necesară o nouă linie de legătură, este aleasă o compoziție, o linie este trasată până la curba conjugată și apoi înapoi în plic pe cealaltă parte. Acesta este celălalt capăt al liniei de egalitate.

Construcție pe diagramă de echilibru dreptunghiular

Soluția grafică poate fi realizată cu ușurință pe diagrame de echilibru dreptunghiular, dar această metodă nu va fi discutată aici. Această metodă este de obicei prima alegere numai dacă datele de echilibru sunt deja reprezentate grafic în formă dreptunghiulară.