книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1

Рис. 8*10. Экстрагирование из твердого тела с периодической сменой растворителя.

В случае если обработка производится чистым растворителем С, степень «недоизвлечения» экстрагируемого вещества (отноше­ ние количества экстрагируемого вещества в остатке к количеству его в исходном материале) можно вычислить по формуле:

объемов растворов); ^(1 — хА) — масса компонентов В и С»

Если отношение потоков постоянно, т. е. % = ^ = а3 == • • • =

— ап = const, то формула упрощается:

(1+я)

где пс — число ступеней экстрагирования.

Расчет с помощью треугольной диаграммы аналогичен расчету для жидкостной экстракции в перекрестном токе (рис. 8.10, б).

11. Противоточное экстрагирование из твердого тела. Уравнения материальных балансов те же, что и для противо-

точной жидкостной экстракции [рис. 8.11» а и уравнения (8.12) и (8.13)1.

В случае, если отношение потоков для всех ступеней, кроме первой, постоянно, т. е. а2 = аг = ... = а = const, ступень недоизвлечения экстрагируемого компонента можно определить по формуле:

__________________________ 1_______

При применении чистого растворителя (ys = 0) это выражение упрощается:

____________ 1____________

(8.30)

1■+■ (l Н- о -f- tZ -J- ... -j- ая

Если, кроме того, поступающий твердый материал уже содер­

Необходимое число теоретических ступеней экстрагирования пс при постоянном отношении потоков о2 = а3 = ... = а = const можно определить по формуле:

Это число можно определить графически, так же как для бинар­

ной системы, на прямоугольной диаграмме в координатах у — х',

%

где х' = ———, т. е. масса твердого нерастворимого вещества

1*А

врасчете не участвует. Уравнение линии равновесия в этом случае

у* = х'\ уравнения рабочих линий легко выводятся из уравне­ ний материальных балансов.

Вобщем случае расчет можно проводить с помощью треуголь­

ной диаграммы (рис. 8.11, б) или прямоугольной диаграммы в ко­ ординатах Х \ V — z', Z' (рис. 8.11, в). Методика расчета анало­ гична расчету для противоточной жидкостной экстракции.

Пример 8.1. Построить треугольную диаграмму фазового рав­ новесия для системы вода—ацетон—хлорбензол. Необходимые данные взять из табл. 8.1. Определить по диаграмме: а) содержа­ ние воды и хлорбензола в водном слое с концентрацией ацетона 45% (масс.); б) состав равновесного с ним слоя хлорбензола; в) количество ацетона, при добавлении которого перестанет расслаи­ ваться смесь 0,11 кг хлорбензола и 0,09 кг воды.

первой строке табл. 8.1. Внутри треугольника находим точки 2 и 2', соответствующие второй строке таблицы, и соединяем их от­ резком прямой 2—2'. При отыскании точек внутри треугольника сначала откладываем на стороне АВ содержание ацетона в рас­ творе, а затем параллельно стороне АС— содержание хлорбензола. После нахождения всех точек соединяем их плавной кривой.

а) Через точку а на стороне АВ проводим прямую ab парал­ лельно стороне АС. Отрезок ab является геометрическим местом точек, характеризующих смеси с содержанием ацетона 45% (масс.). На пересечении отрезка ab с левой ветвью бинодальной кривой находим точку с, характеризующую состав водного слоя: 52,8% (масс.) воды, 2,2% (масс.) хлорбензола.

б) Для определения состава сосуществующей фазы через точки 2, 2', 3, 3', ..., 7, 7' проводим прямые, параллельные боко­ вым сторонам треугольника, и точки их пересечения 2", 3", ..., 7" соединяем плавной кривой. Затем через точку с проводим прямую, параллельную стороне ВС, до пересечения с соединительной кри­ вой в точке с", а из точки с” — прямую, параллельную стороне АВ, до пересечения с бинодальной кривой. Точка с' является искомой. Состав слоя: 54,9% (масс.) ацетона, 4,3% (тсс .) воды, 40,8% (масс.) хлорбензола.

Т а б л и ц а 8.1

Равновесные составы сосуществующих фаз (в % (масс.))

Ацетон*,

В

в) Находим на стороне АС точку d, характеризующую общий

состав заданной смеси [ ô o^+ о п ^ = ^*% (масс-) воды и 55%

(масс.) хлорбензола]. При добавлении к этой смеси ацетона об­ щий состав ее будет изменяться по линии йВ, на пересечении кото­ рой с бинодальной кривой найдем искомую точку е. Необходимое количество ацетона найдем из соотношения отрезков Bè и ed:

Gd/0B= Be/ed; GB = (0,09 + 0,11) 53,5/33 = 0,325 кг.

Пример 8.2. Ацетон экстрагируется хлорбензолом из 50% вод­ ного раствора. Остаток должен содержать не более 2% (масс.) ацетона. Пользуясь диаграммой, построенной в предыдущем при-

в

Через точку Мг вновь проводам хорду равновесия и т. д. По­ строение продолжаем до тех пор, пока не будет достигнут требуе­ мый состав рафината. В настоящем примере для этого необходимы четыре ступени экстрагирования. Определяем количества рафи­ ната и растворителя по ступеням:

Общее количество растворителя:

Gs «= Е Os , t =* 100 + 63,5 + 55,1 + 52,1 « 270,8 кг.

Общее количество экстракта:

OE -=OF + Gs— 0д ,4= 100 + 270,8 — 49,0 =321щ8 кг.

Пример 8.4. В условиях примера 8.2 определить состав и вы­ ход продуктов, а также число теоретических ступеней экстрагиро­ вания, если экстракция производится противотоком при соотноше­ нии потоков 1 : 1 .

Р е ш е н и е . Через точку R (рис. 8.15), характеризующую состав рафината, и точку М, определяющую общий фиктивный со­ став смеси исходного раствора со всем растворителем (так как GF :GS = 1, FM = МС), проводим прямую до пересечения с пра­ вой ветвью бинодальной кривой в точке Е , соответствующей со­ ставу экстракта. При продолжении отрезков FE и RC они пере­ секаются в точке Р (полюсе). Полюс является общей точкой пере­ сечения всех лучей, проходящих через точки, характеризующие состав рафината на любой ступени и состав экстракта на последу­ ющей ступени. Линии 1—/', 2—2 4 —4' являются хордами равновесия; число их определяет число теоретических ступеней экстракции. Таким образом, число ступеней определяется графи­ чески, путем последовательного проведения линий: FC, RME (Г), FEP, RCP9V—1, 1— Р , 2 '— 2, 2— Р , 3'—3, 3—Я, 4'—4 (R). В даннохМ случае н*. = 4.

Количество экстракта находим из соотношения:

GEJGM = GE/(GF + Gs) =з RM/RE;

GE — (100 + 100) 64/85 = 150,5 кг.

После удаления из экстракта растворителя масса его состав­ ляет:

Gg 150,5 — 100 = 50f5 кг.

Состав конечного экстракта характеризуется точкой Е аце­ тона 97,5% (масс.); воды 2,5% (масс.).

Количество рафината:

G R « GR = GM — GЕ = 200 — 150,5 = 49,5 кг.

в данном случае большие преимущества (меньший расход раство­ рителя, большая чистота экстракта и др.).

Пример 8.5. Оценить приблизительно целесообразность ис­ пользования экстракции в примере 8.4, если удаление раствори­ теля из экстракта производится непрерывной ректификацией; допустимое содержание хлорбензола в дистилляте 10% (масс.), ацетона в кубовом остатке 1 % (масс.) Коэффициент избытка флегмы принять в обоих случаях равным 2.

Р е ш е н и е . Экстракт, поступающий на перегонку, считаем для упрощения бинарной смесью. Минимальное число флегмы и число теоретических тарелок определяем по равновесным данным обычными методами (расчет не приводится). Полученные данные сводим в табл. 8.3.

Из сопоставления результатов делаем вывод, что экстракцию в данном случае использовать целесообразно, но экономия, если учесть стоимость оборудования и эксплуатационные расходы, будет незначительной. Для окончательного решения вопроса необ­ ходим более подробный анализ.