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

После проведения через эти точки плавной кривой (являющейся рабочей линией) вписываем между рабочей и равновесной ли­ ниями ступени и подсчитываем их число. В данном случае необ­ ходимы 23 ступени экстрагирования; исходная смесь подается на 12-ю сверху ступень.

Пример 8.12. В вертикальном отстойнике о коническим дном находятся осадок и 7 м8 раствора, содержащего 2 т NaOH. После отстаивания сливается прозрачная часть в количестве 6 м8, от­ стойник доливается чистой водой, и суспензия перемешивается. После повторного отстаивания снова сливается 6 м8 чистого рас­ твора. Три слитых с осадка раствора смешиваются и направляются на выпарку. Определить: а) количество NaOH, остающееся в осадке (шламе); б) процент извлечения NaOH; в) процентное содержание NaOH в растворе, поступающем на выпарку.

Р е ш е н и е , а) В отстойнике происходит трехкратное промы­ вание осадка с отношением объемов удаляемого и удерживаемого

По данным табл. LIV экстрагированное вещество при трех­ кратном промывании шестикратным количеством растворителя со­ ставляет 99,71%.

в) Количество раствора:

Vp = 6-3 = 18 м*.

Содержание в нем NaOH:

Пример 8.13. С целью извлечения меди колчеданные огарки подвергаются хлорирующему обжигу с поваренной солью. В обож­ женной массе медь содержится в виде СиС12. Содержание хло­ рида меди составляет 11 %-. Обожженный продукт подвергается выщелачиванию в противоточной батарее подкисленной водой, получающейся от промывки отходящих газов. Инертная твердая

масса удерживает 2 кг воды на 1 кг твердого вещества. На каж­ дой ступени достигается равновесие. Сколько ступеней необходимо иметь в батарее для получения раствора, содержащего 12% (масс.) СиС12, и извлечения 98% Си из обожженного продукта?

Р е ш е н и е . Поскольку твердая фаза при движении со сту­ пени на ступень удерживает постоянное количество воды (кроме первой ступени, так как в эту ступень пбступает сухой обожженный продукт, который уходит из нее, удерживая 2 кг воды на 1 кг твердой фазы), для определения числа ступеней в установке можно воспользоваться формулой (8.32).

Примем за основу расчета 100 кг сухого твердого остатка, сво­ бодного от меди, и вычислим количества продуктов и концентра­ ции.

Собожженной массой поступает СиС12з

10 0 - ^ - = 12,36 кг.

Состатком уходит: 12,36 (100 — 98)/100 = 0,25 кг. С экстрак­ том уходит: 12,36-98/100 = 12,11 кг.

Определим количество поступающей в установку подкислен­

ной воды Св, учитывая, что 200 кг воды уносит твердый остаток, а остальное уходит с экстрактом:

(Gs — 200) 12/88 = 12,11,

откуда Gs = 288,8 кг.

Содержание СиС12 в экстракте (в кг на 100 кг воды):

уЕ = 4 г 100 = 13*64-

Такое же содержание будет иметь раствор, удерживаемый твердым веществом при переходе из первой ступени во вторую:

*! = * ïa 13,64.

Содержание СиС12 в растворе, уходящем с твердым остатком!

Поступающая в батарею подкисленная вода не содержит со­ лей меди и ув = 0 .

Содержание хлорида меди уг в верхнем потоке, переходящем из второй ступени в первую, определим по балансу СиС12 в пер­ вой ступени. Количество растворителя в верхнем потоке состав­ ляет 288,8 кг. В первую ступень поступает на 100 кг инертной су­ хой массы 12,36 кг СиС12 и Л кг с 288,8 кг растворителя из вто­ рой ступени; всего (12,36 + А) кг. Уходит из первой ступени!

с экстрактом 12,11 кг, с раствором нижнего потока —щ - 200 =

= 27,28 кг; всего 12,11 + 27,28 =39,39 кг.

Баланс первой ступени по СиС12:

12,36 + А = 39,39 кг.

откуда

А = 39v39 — 12,36 = 27,03 кг.

Содержание СиС12 в верхнем потоке (в кг на 100 кг воды):

противоточной трехступенчатой батареи с содержанием воды 50% от массы шлама (СаСОэ). В дальнейшем, при переходе со сту­ пени на ступень и выходе из батареи, шлам удерживает воды в 1,5 раза больше собственной массы. Желательно добиться 98%-го извлечения NaOH. Определить расход воды (на 100 кг сухого

каждой ступени нет достаточного количества данных.

По табл. LV для достижения 97,5%-го извлечения продукта при трехступенчатом непрерывном экстрагировании отношение ко­ личеств растворителя и удерживаемого раствора составляет 3. Остановимся на этих цифрах и составим последовательно балансы, начиная с третьей ступени. Расчет будем вести на 100 кг сухого

СаСОя.

На 100 кг СаС03 в первую ступень вводится 80 кг NaOH. Из этого количества переходит в экстракт 97 5%, или 80*97,5/100 =* = 78 кг.

Теряется с остаточным раствором: 80 — 78 = 2 кг. 100 кг шлама удерживают воды: 100*1,5 = 150 кг.

Содержание NaOH в остаточном растворе (в кг на 1 кг чистого

раствора):

x'R = 2/150 = 0,0133.

В систему через третью ступень вводится воды в качестве растворителя: 150*3 = 450 "кг.

Таким образом, в верхнем потоке по установке идет 450 кг воды, в нижнем вместе с твердой фазой 150 кг.

Содержание NaOH в растворителе: у8 = 0. Содержание NaOH в верхнем .потоке, переходящем из третьей ступени во вторую:

У3 = х'ц = 0,0133 кг/кг.

Неизвестно содержание NaOH в нижнем потоке х£. Опреде­ лим его по балансу NaOH в третьей >ступени:

4 5 0 + 150*2 = 150*^ + 4501/3; 450-0 + 150*2 “ 150-0,0133 + 450-0,0133;

150*2 = 8; * '= 8/150 = 0,0533 кг/кг.

Содержание NaOH в верхнем потоке, поступающем из второй ступени в первую: У2 = *5 — 0,0533 кг/кг.

Неизвестно лишь содержание NaOH в нижнем потоке, посту­ пающем из первой ступени. Это содержание х\ определяется из баланса второй ступени:

450(у3 + 150*5 = 450у2+ 150*j; 450-0,0133+ 150*5 = 450-0,0533+ 150-0.0533;

150*5 + 6 = 24 + 8 ;

*J = (32 — 6)/150 = 26/150 = 0.1733 кг/кг.

Для определения содержания NaOH в экстракте в первой сту­ пени необходимо составить водный баланс этой ступени, обозна­ чив через А количество воды, уходящее с экстрактом!

А + 150 = 450 + 50; А = 350 кг.

Экстракт содержит 78 кг NaOH. Следовательно, содержание NaOH в экстракте:

78

УЕ = 350 + 78 100 = 18,2 % (масс.)

Пример 8.15. Маслоэкстракционная установка перерабатывает 1 т/ч «лепестка» (раздавленные и частично обезжиренные семена подсолнуха) с содержанием масла 28% и бензина 2,5%. Посту­ пающий в установку в качестве растворителя регенерированный бензин содержит 1,5% масла. Количество растворителя, посту­ пающего в установку, составляет 50% от массы «лепестка». По опытным данным количество раствора, удерживаемого твердой фазой, зависит от содержания в нем масла (табл. 8.7).

Твердый остаток после экстрагирования содержит 5% масла. Определить: 1) количество экстракта и содержание в нем масла; 2) количество остаточного раствора, удерживаемого твер­ дой фазой (шротом) и содержание в нем масла; 3) число ступе­

ней экстрагирования.

Р е ш е н и е . Задача решается графическим методом в прямоуюльной системе координат X ' — z' (рис. 8.21).

Данные второй графы — массовые количества раствора на еди­ ницу массы твердого вещества — надо пересчитать на обратные величины; тогда они будут выражать отношения z' = хА/(хв + хс), т. е. количества твердой фазы на единицу массы раствора (см. табл. 8.8).

Данные табл. 8.8 представляют собой координаты точек кри­ вой нижнего потока (рис. 8.21). В верхнем потоке твердого ве­ щества нет (г' = 0), поэтому линия верхнего потока сливается с осью абсцисс. После нанесения кривой вычертим на диаграмме линии материального баланса.

Определим координаты точки F, отвечающей составу «лепест­ ка», поступающего на экстрагирование. По условию задачи:

Координаты точки S, соответствующей составу растворителя!

= 1,5/100 = 0,015; z s = 0.

Точки F и S наносятся на диаграмму, соединяются прямой, ко­ торая делится по правилу рычага точкой М на части, пропорцио­ нальные количествам поступающих продуктов, исключая нерас­ творимое твердое вещество (иначе правило рычага на таких диа­ граммах применять нельзя). Растворитель поступает в установку

в количестве 50% от массы «лепестка». Если принять эту массу за единицу, то жидкая часть в нем составит 0,28 + 0,025 = 0,305 единицы массы, а растворитель 0,5 единицы массы. Точка М ле­ жит на расстоянии 0,305/(0,5 + 0,305) = 0,38 отрезка SF, считая

от S.

Числовых данных для построения линии расхода RE нет. Из­ вестно лишь, что линия RE пересекается с SF в точке М и что

же можем определить их отношение, так как из условия задачи известно, что твердый остаток после экстрагирования содержит 5% масла:

Прямая, проходящая через начало координат и имеющая тан­ генс угла наклона 19, пересечет кривую в точке R. Проведя такую прямую, засечем точку R на кривой. Соединим точку R с точкой М и, продолжив прямую до оси абсцисс, найдем точку Е.

Определим по диаграмме абсциссы точек /?, М и Е:

X ’R в 0,03; Х'м = 0,36; Л ^= 0,58 .

В установку поступает жидкой фазы с «лепестком» и раство­ рителем:

1000-0,305+ 1000-0,5 = 805 кг/ч.

Это количество делится между остатком и экстрактом пропор­ ционально отрезкам ЕМ и MR. Для расчета можно воспользо­ ваться абсциссами концов отрезков:

Количество остаточного раствора составляет 322 кг/ч, а со­ став его определяется из предположения, что масло, теряемое в ос­ татке, содержится в этом растворе. Содержание масла в оста­ точном растворе:

1000-0,695-5 100 = 11,7 %.

95-322

Количество экстракта!

GE = 805 — 322 = 483 кг/ч.

Содержание масла в экстракте:

100-0,28— (1000-0,695-5/95) 100 = 50,4%. 483

Для определения числа ступеней через точки F, Е и R, S про­ водим два луча до пересечения их в полюсе Р. Так как при эк­ страгировании твердых тел в каждой ступени установки имеется только один раствор с одной концентрацией, то все хорды равно­ весия будут вертикальными линиями. Восстанавливаем перпенди­ куляр из точки Е — хорду первой ступени — до пересечения с по­ граничной кривой. Точку пересечения хорды с пограничной кри­ вой соединяем лучом с точкой Р. Из точки пересечения этого луча с осью абсцисс снова восстанавливаем перпендикуляр до пересе­ чения с пограничной кривой и т. д., пока не попадем в точку R или не окажемся в непосредственном соседстве с ней.

Число хорд равновесия указывает число ступеней. В данном случае необходимы семь ступеней экстрагирования.

Пример 8.16. В непрерывнодействующей противоточной уста­ новке производительностью 4,4 т/сутки из руды извлекается

озокерит (горный воск) с помощью керосина (или бензина). В экс­ тракте, выходящем из каскада экстракторов, содержится 5 кг озокерита в 100 кг чистого растворителя. В исходной руде ~ 25% озокерита и 75% породы. В рафинате 0,2 кг озокерита на 100 кг пустой породы. Растворитель содержит 0,05 кг озокерита на 100 кг керосина. Необходимо определить числб теоретических ступеней

где о! — соотношение потоков Ж : Т (количество жидкости, удерживаемое твер­ дой фазой); Gs — расход свежего растворителя, кг/ч; GR — расход твердой фазы в рафинате, кг/ч; х — содержание извлекаемого компонента {озокерита) в ра­ финате, кг А/кг В; у — содержание озокерита в экстракте, кг А/кг С; п — лю­ бая ступень в каскаде; т — конечная стулеьь, в которую поступает исходный твердый материал; А — озокерит; В — пустая порода; С — керосин.

При отсутствии взаимодействия между экстрагентом и пустой породой, а также при постоянстве потока твердой фазы из одной ступени в другую уравнение рабочей линии преобразуется к виду»

При постоянном соотношении потоков Ж ! Т = а1 = const можно упростить уравнение рабочей линии:

А ‘Уп-\ = А'Ув + хп — *гш

где А' — Gs/ GR O).

При условии равновесия концентрации озокерита в экстракте

где С — константа, которою можно найти из граничного условия: при л = 0

хп “ Хо=Уо*

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

8.1*. Построить треугольную диаграмму равновесия для сис­ темы вода — уксусная кислота — этиловый эфир при 25 °С, поль­ зуясь данными табл. 8.4. Сравнить полученную диаграмму с диа­ граммой X , Y — z, Z (см. пример 8.8).

8.2. Определить состав и количество сосуществующих фаз, на

эфира эта смесь перестанет расслаиваться? * 8.3. Уксусная кислота экстрагируется из водного раствора,

содержащего ее 15% (масс.) при 25 °С. Масса исходной смеси 1200 кг. Определить состав и количество конечных продуктов после отгонки растворителя, если экстракция производится чистым эфиром в перекрестном токе. Процесс ведется в две ступени при

вым эфиром из водного раствора, содержащего 20% (масс.) кис­ лоты. Определить необходимое количество растворителя на 1000 кг/ч исходной смеси и число теоретических ступеней экстра­ гирования, если экстракт должен содержать 60% (масс.), а ра­ финат— не более 2% (масс.) кислоты (после отгонки раствори­ теля).

8.5. Бензойная кислота экстрагируется из водного раствора с содержанием ее 1,5 кг на 1 м3 воды, последовательной промывкой бензолом, содержащим 0,2 кг бензойной кислоты на 1 м3 бензола, при отношении объемов воды и бензола Vt !Vb = 4. Определить, сколько понадобится промывок, если конечное содержание бензола в воде 0,2 кг/м8. Определить также составы получающихся экстрак­ тов. Равновесные данные при рабочей температуре: