Institut für echnische Chemie echnische Universität Clausthal echnisch-chemisches Praktikum CB Versuch: Extraktion Einleitung Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist ein thermischer Prozess zur rennung eines Flüssigkeitsgemisches mit Hilfe einer Zusatzflüssigkeit (olvens), die mit der rägerflüssigkeit eine Mischungslücke aufweist und selektiv eine Komponente bzw. mehrere Komponenten aus dem zu trennenden Gemisch aufnimmt. Die Extraktoren werden im Allgemeinen kontinuierlich betrieben und finden industriell dort Anwendung wo die rennung eines Flüssigkeitsgemisches durch Destillation bzw. Rektifikation nicht möglich ist. Im Labor findet die Extraktion diskontinuierlich im cheidetrichter zur Aufarbeitung in der ynthesechemie Anwendung. Im Praktikum wird eine kontinuierlich betriebene Gegenstromkolonne bestehend aus 10 iedeböden verwendet. Zur Optimierung des toffübergangs dient die Pulsation der Flüssigkeitssäule. Die Einspeisung der rägerflüssigkeit und des olvens wird durch Dosierpumpen vorgenommen. Wobei das olvens () mit der Beladung Yein = 0 und die rägerflüssigkeit () mit der Beladung Xein 0.05 eingespeist wird. Die resultierenden olvat- (E) und Raffinatströme (R) gelangen über einen Abscheider in den entsprechenden Vortragsbehälter und können dort für weitere Untersuchungen entnommen werden. Aufgabenstellung Mit Hilfe der Extraktion soll das Flüssigkeitsgemisch n-butylacetat (BuAc) - Essigsäure () getrennt werden. Als olvens dient Wasser; die Essigsäure ist die Übergangskomponente. Folgende Versuchsschritte werden im Einzelnen durchgeführt: 1. Ermittlung der Verteilungsgleichgewichte (Binodalkurve, Konoden, Konjugationslinie) für das vorgegebene Dreistoffgemisch. 2. Durchführung von Extraktionsversuchen in einer kontinuierlich betriebenen Gegenstrom- iebboden-pulsationskolonne bei drei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Ermittlung der jeweiligen Bilanzgeraden sowie der theoretischen tufenzahl der Kolonne. 1
Informieren ie sich anhand der nachstehenden Literatur über folgende hemenkomplexe: Vergleich: Destillation - Extraktion Verteilungsgleichgwicht Phasendiagramm (Dreiecksdiagramm) Binodalkurve, Konode, Konjugationslinie Bilanzierung einer kontinuierlich betriebenen Gegenstrom-Extraktionskolonne Beladungsdiagramm (Gleichgewichtslinie, Bilanzgerade) Ermittlung der tufenzahl der Kolonne Extraktionsapparate Literatur Vorlesungsskript, hermische und Mechanische Grundoperationen, U Clausthal. M. Baerns, echnische Chemie, Wiley, Weinheim, 2013. K. attler, hermische rennverfahren, Wiley, Weinheim, 2012. Versuchsdurchführung Die für die Durchführung benötigten toffdaten sowie Richtwerte für die Einwaagen / Vorlagen zur Bestimmung der Binodalkurve, der Konoden und des Verteilungsgleichgewichts liegen am Arbeitsplatz vor. Verteilungsgleichgewicht Für das Dreistoffgemisch n-butylacetat, Essigsäure, Wasser ist das Verteilungsgleichgewicht zu bestimmen. Die Binodalkurve wird durch rübungs- und Klärungstitration ermittelt. Die itrationen sollten unter gutem chütteln schrittweise vorgenommen werden, um ein Übertitrieren zu vermeiden. Die Ergebnisse der itrationen können über ein im Praktikum bereitgestelltes Programm überprüft werden. Die Lage der Konoden wird durch titrimetrische Bestimmung der Essigsäurekonzentration mit NaOH in den jeweils koexistierenden Phasen vorgenommen. Das Verteilungsgleichgewicht für Beladungen X 0,05 wird ebenfalls durch diskontinuierliche Extraktionen im cheidetrichter und itrationen der Essigsäurekonzentrationen mit NaOH in der Raffinat- und olvatphase bestimmt. Kontinuierliche Extraktion Vor Versuchsbeginn der kontinuierlich betriebenen Extraktion ist die Beladung Xein der vorgegebenen rägerflüssigkeit zu ermitteln. Die jeweiligen Betriebsbedingungen der Gegenstrom-Extraktionskolonne werden vom Assistenten festgelegt. Mit einer Leitfähigkeitsmessung in der wässrigen Phase am Auslauf wird die Einstellung des stationären Zustands der Kolonne überwacht. Zur Vermeidung unnötiger Wartezeiten sind deshalb alle Betriebsbedingungen sorgfältig konstant zu halten, vor allem die Lage der Phasengrenzen in den Abscheidern. Die Beladungen der austretenden Raffinat- und olvatströme sind titrimetrisch zu bestimmen. 2
Hinweise zur Auswertung und Diskussion der Ergebnisse Diskontinuierliche Extraktion tellen ie die Binodalkurve des Dreistoffsystems n-butylacetat, Essigsäure und Wasser mit dem Massenbruch als Maßstab im Dreiecksdiagramm grafisch dar. Nutzen ie dafür die an das Messprotokoll angehängten Daten des Verteilungsgleichgewichtes, sowie die experimentell ermittelten Daten aus den rübungs- und Klärungstitrationen. Berechnen ie aus den itrationen für die Bestimmung der Konoden die Massenbrüche der Essigsäure in den koexistierenden Phasen mittels folgender Gleichung. V NaOH M m Vorlage c NaOH : Massenbruch Essigsäure; M: Molare Masse Essigsäure; cnaoh: Konzentration Natronlauge; mvorlage: Masse der Vorlage ragen ie die Konoden in die Binodalkurve ein und konstruieren ie die Konjugaktionslinie, sowie eine weitere Konode. tellen ie die erhalten Messwerte, sowie die Daten der konstruierten Konode entsprechend dem Nernst schen Verteilungsgesetzes grafisch dar. K K: Verteilungskoeffizient; Y: Beladung der olvat, X: Beladung Raffinat Berechnen ie dafür die Beladung der olvat- und Raffinatphase im Verteilungsgleichgewicht nach folgender Gleichung: Y X X, Y 1 Ermitteln ie das Verteilungsgleichgewicht für Beladungen X 0.05 und stellen ie dies grafisch dar. Dabei soll angenommen werden, dass Raffinat- und olvatphase nur aus dem jeweiligen Lösungsmittel und der Übergangskomponente bestehen. Geben ie außerdem den Mittelwert aus den ermittelten Verteilungskoeffizienten an. Kontinuierliche Extraktion Die Beladung (Xein) der vorgegebenen rägerflüssigkeit sowie die Beladung der austretenden olvat- und Raffinatphase (Yaus, Xaus) im stationären Zustand der Extraktionskolonne sind für die drei Betriebszustände zu bestimmen. Die Beladung des olvens (Yein) zu Beginn der Extraktion beträgt Null. tellen ie die Bilanzgerade der Kolonne in den unterschiedlichen Betriebszuständen in Beladungsdiagrammen dar und geben ie die jeweilige teigung an. 3
Zeichnen ie in diese Diagramme zusätzlich das Verteilungsgleichgewicht ein und ermitteln ie grafisch die rennstufenzahl. Für die rechnerische Ermittlung der rennstufenzahlen soll das McCabe-hiele-Verfahren verwendet werden. Dafür muss neben dem Verteilungsgleichgewicht die unten angegebene Gleichung der Bilanzgeraden herangezogen werden. Y aus m Xein Xaus Yein : Massenstrom rägerflüssigkeit; : Massenstrom olvens Ausgehend von den experimentell bestimmten Daten Xaus und Yein(=0) wird mittels dem Verteilungsgleichgewicht und Xaus die Beladung der olvatphase (Yaus) bestimmt. Im nächsten chritt kann so durch die Verwendung der Gleichung der Bilanzgeraden die Eingangsbeladung der rägerflüssigkeit (Xein) bestimmt werden. Für die Berechnung der nächsten tufe werden die ermittelten Beladungen Yaus und Xein zu Yein bzw. Xaus. Die beschriebene Rechenvorschrift wird solange wiederholt bis Xein bzw. Yaus die experimentell bestimmten Daten aus der Betrachtung der kontinuierlichen Extraktion überschreiten. Erläutern ie für einen Betriebszustand die Berechnung der theoretischen rennstufen ausführlich im Protokoll. Der Massenstrom der rägerflüssigkeit wird näherungsweise als Massenstrom des Raffinats für die Auswertung angenommen. Berechnen ie das Lösungsmittelverhältnis für den jeweiligen Betriebszustand aus der teigung der Bilanzgeraden und mittels folgender Gleichung. LV LV: Lösungsmittelverhältnis Ermitteln ie zusätzlich das minimale Lösungsmittelverhältnis und den Wirkungsgrad für die unterschiedlichen Betriebszustände. Zu einer vollständigen Auswertung gehören neben der Berechnung der Ergebnisse auch der Vergleich und die Diskussion dieser, sowie eine Fehlerdiskussion. cript Version 24.10.2016 4
B ua c M B BuAc 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 M B H 2 O M B 0,00 H 2 O 5