technische chemie 2 · 2021. 2. 15. · prof.dr.p.claus vorlesung „technische chemie 2“_ws...
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| Fachbereich Chemie | Lehrstuhl Technische Chemie II | Prof. Dr. Peter Claus | 1
Wintersemester2011/2012
VorlesungVorlesung
Technische ChemieTechnische Chemie 22Masterstudium Chemie (M.TCII) Masterstudium Chemie (M.TCII)
ModulModul--Nr. 07Nr. 07--0606--0003 / 0003 / TUCaNTUCaN Nr. 07Nr. 07--0606--00030003--vlvlMaterialien zur Vorlesung Materialien zur Vorlesung –– kein Skriptkein Skript
Für Rückfragen: L2-04/R101Tel.: 06151-16-5369, Fax: [email protected]
Die Vorlesung TC-2 findet statt:
dienstags und mittwochs
jeweils von 9.50 – 11.20 Uhr
im Hörsaal L203/06.
Die Übung zur VO TC-2 findet statt:
mittwochs
im Anschluss an die Vorlesung
von 11.30 – 12.30 Uhr
im Hörsaal L203/06.
Beginn: Die., 25.10.2011
Beginn: Mittw., 02.11.2011
Bitte beachten Sie für die Erarbeitung des Lernstoffes diese beiden
Aspekte:
(1.) Wichtig sind Grundlagen, Fakten und das Verständnis für die
Zusammenhänge ( Vorlesung).
(2.) die Anwendung Deshalb ist das Beschäftigen mit den
Übungsaufgaben und deren Lösung notwendig.
= eine der essentiellen Voraussetzungen für einen (minde-
stens guten) Abschluss in Technischer Chemie.
Klausuren zur Vorlesung „Technische Chemie 2“:
1. Klausur: 16.02.2012, 15.00 – 18.00 Uhr, L203/05+06. 2. Klausur: 03.04.2012, 14.00 – 16.30 Uhr, L203/06.
Einführung in
das Lehrgebiet
der Vorlesung
Technische Chemie 2
Chemische Reaktionstechnik (Reaktoren, Kinetik, Stofftransport, Katalyse, Selektivität vs. Umsatz, ...)
Chemische Prozesskunde
(Vom Rohstoff zur Produkt, technische Verfahren, Stoffverbünde, ...) Stofftrennverfahren
(Unit Operations, ...)
Stoffbilanz (material balance)
Energiebilanz (energy balance)
...zeitliche und örtlicheKonzentrationsänderung
...zeitliche und örtlicheTemperaturverteilung
Formulierung der Bilanzen...in Worten
Zeitliche Änderungder Stoffmenge imBilanzraum
durch Konvektionin den BilanzraumeintretenderStoffmengenstrom
durch Konvektionaus dem BilanzraumaustretenderStoffmengenstrom
durch effektive Diffusion in den Bilanzraum eintre-tender Stoffmengen-strom
durch effektive Diffusion aus dem Bilanzraum austre-tender Stoffmengen-strom
durch Reaktion im Bi-lanzraum pro Zeitein-heit hervorgerufene Änderung der Stoffmenge
= -
-
+
+
Zeitliche Änderungder Wärme imVolumenelement
durch Konvektionin das Volumen-element eintretenderWärmestrom
durch Konvektionaus dem Volumen-element austretenderWärmestrom
durch effektive Wärmeleitung in das Volumenelement ein-tretender Wärme-strom
durch effektive Wärmeleitung aus dem Volumenelement austretender Wärme-strom
durch Reaktionpro Zeiteinheit er-zeugte Wärmemenge im Volumenelement
= -
-
+
+
Stof
fbila
nzEn
ergi
ebila
nz
Stof
fbila
nzEn
ergi
ebila
nz
jjijieffi
i rcgradDdivucdivtc ,
jRj
jeffipp HrTgraddivuTcdiv
tTc
,
erzwungene Konvektion
(„Strömungsterm“)
effektiveDiffusion
(„konduktiver Term“)
chemischeReaktion
(„Reaktionsterm“)
Akkumu-lation
Wärmetransport via Konvektion
(„Strömungsterm“)
effektiveWärmeleitung
(„konduktiver Term“)
Wärmeerzeugungvia chem. Reaktion(„Reaktionsterm“)
Akkumu-lation
- alternative Formulierungen möglich- Terme für Stoffübergang und Wärmetausch vernachlässigt Anwendung auf die Grundtypen der idealen Reaktoren unter Berücksichtigung oder Vernachlässigung
einzelner Terme liefert deren jeweilige Bilanzgleichung („design equation“)
zeitliche Änderung = Änderung durch Konvektion + Änderung durch Diffusion + Änderung durch Reaktion(lokal)
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1
1. GRUNDLEGENDE BEZIEHUNGEN DER TECHNISCHEN CHEMIE Umsatz
0
0
i
iii n
nnX
ein
i
ieini
i nnn
X
Selektivität
ii
PP nn
nS
0 i
eini
PP nn
nS
Ausbeute
0i
PP n
nY eini
PP n
nY
Raum-Zeit-Ausbeute RZA = Menge Produkt / (Reaktionsvolumen . Zeit)
Umsatzvariable i
ii ccx
0
Fortschreitungsgrad i
ii nn
0
Zusammenhang Molenbruch - Umsatz
kkk
ii
kkk
ii
ii
ii
Xx
Xxx
nn
x
0
0
1
Arrhenius-Gleichung
RTEAk Aexp
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2
2. REAKTIONSTHERMODYNAMIK Gleichgewichtskonstante(n)
RTG
ocf
oxf
opfppfa
oR
iiio
e
pRTKKppKKpKKKKK
///
Aktivität / Fugazität
oi
Tip
pa
Fugazität im Standardzustand: bar 01325.1 oo
i pp
Fugazitätskoeffizient
ii
i fpp
Temperaturabhängigkeit:
T
T
oTR
TT dTRT
HKK
oo 2
)()()( lnln
R
S
RT
HK
oTR
o
oTR
T)()(
)(oo
oln
o
TpRo
Tpi
i
p
oR
ccT
H
i )()(
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3
3. REAKTIONSKINETIK ZEITGESETZE DER KINETIK EINFACHER HOMOGENER REAKTIONEN 1.Ordnung
AA
A
kcdt
dcr
1 kt
cc
AA
A 0ln
ktX AA exp1 2. Ordnung
21A
A
A
kcdt
dcr
A
A
A XX
c
AAA
ktcc
11
0
0
11
ktcX
XAA
A
A 0
1
n-ter Ordnung
nA
A
A
kcdt
dcr 1 ktn
cc AnA
nA
)1(11101
0. Ordnung
ktcc AAA 0 0A
AA c
ktX
Reaktion (A+B P) mit unterschiedlichen Anfangskonzentrationen
BABA ckc
dtdc
dtdcr xcxck
dtdx
BA 00
ktcccc
cc
BAB
A
B
A lnln 000
0
ZEITGESETZE DER KINETIK HETEROGEN KATALYSIERTER REAKTIONEN
2)1( BBAA
BABA
pKpKppKkKr
2)1( BBAA
BABA
pKpKppKkKr
BBAA
pBAA
pKpKKppkK
r
1AA
BAA
pKppkKr
1
Langmuir-Hinshelwood
Rideal-Eley Hougen-Watson
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4
ZEITGESETZE DER KINETIK KOMPLEXER REAKTIONEN EINFACHE PARALLELREAKTION
AkkdtAd
21 tkkAA 210 exp
AkdtPd
1 tkkkk
kAP
2121
10 exp1/
AkdtNd
2 tkkkk
kAN
2121
20 exp1/
Wegscheider-Prinzip 2
1/kkNP
Temperaturabhängigkeit RTEEAA
kk
AA /exp 1,2,2
1
2
1
EINFACHE FOLGEREAKTION
AkdtAd
1 tkAA 10 exp
BkAkdtBd
21 tktkkk
kAB
2112
10 expexp/
BkdtCd
2 tkktkkkk
AC
211221
0 expexp11/
BAAC 0 Vereinfachungen via Prinzip des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes und Bodenstein-Prinzip EINFACHE GLEICHGEWICHTSREAKTION BkAkdtAd
11 tkKtkk
AAAA
Ceq
eq1
111
0 1ln
1
1/
kkKAB ceqeq
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4. REAKTIONSTECHNIK (REAKTORBERECHNUNG) Batch
rdt
dci
i rdt
dnV
i
Ri
11
jj
iji
Rr
dtdn
V 1
ktcc
ktX
Xk
t
AAA
A
A
exp
exp1
1ln1
0
An
AI cktDa 10 )(
IA DaX exp1
I
IA Da
DaX
1
CSTR
rcc ausi
eini
ausR
V
V
kc
ceinA
A
1
1 I
IA Da
DaX
1
PFR
rx
cwtc
RdVdxq
R
Kein
k
eink
dVdX
Vc
r
kX
k
Keink
ein
RrdXc
VV
0
ci
c
i
ein
R
eini
rdc
VV
Kaskade
ni
ausni
ausni
rcc
1,, kc
c
nA
nA
1
1
1,
,
NI
NAN
NNA
NNAeinA
NANA
DaX
kkX
kX
c
cX
111 ;
111
111 ;1
,,
,,
,
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6
VERKNÜPFUNG VON BILANZGLEICHUNG DES JEWEILIGEN REAKTORS MIT DEM KINETISCHEN ZEITGESETZ: VERGLEICH DER REAKTOREN VIA UMSÄTZE VS. REAKTORVOLUMINA:
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5. REAKTIONSTECHNIK (VERWEILZEITVERHALTEN) Verweilzeit-Bestimmung
funktion-Summen-VWZ
der Kenntnis
)(1
0
tdFt
sfunktionVerteilung- VWZder Kenntnis
dttEt )(0
Stoßmarkierung
ttE )( ...Verteilungskurve (Spektrum) PFR:
tfürtE )(
tfürtE 0)( mit der Delta- oder Dirac-Funktion:
00
0
tfür
tfür
Verdrängungsmarkierung
tHtF )( ...Summenkurve PFR:
tfürtF 0)(
tfürtF 1)( mit der Sprung-Funktion:
00
01
tfürH
tfürH
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8
Verweilzeit-Summenkurve des CSTR
/exp1)( ttFcc
eini
ausi
Verweilzeit-Spektrum des CSTR
/exp//
)( ttEtd
tdF
Bodensteinzahl
axDLwBo
0
BoDax
BoDax 0
CSTR PFR
Dispersions- vs. Zellenmodell
Bo
ddF
21)(
)1(
2)(
)1(
Nd
dF
NBo 2
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6. ENTHALPIEBILANZ Verschiedene Fälle werden unterschieden (stationär, adiabat oder gekühlt), z.B.
adiabate Temperaturerhöhung 7. ZUSAMMENFASSUNG: DIE „MUTTER“ ALLER BILANZGLEICHUNGEN:
Zeitliche Änderungder Enthalpie
Enthalpieänderungdurch Konvektion= + +
Enthalpieänderungdurch Reaktion
Enthalpieänderungdurch Austausch
Zeitliche Änderungder Enthalpie
Enthalpieänderungdurch Konvektion= + +
Enthalpieänderungdurch Reaktion
Enthalpieänderungdurch Austausch
tQ KQ RQAQ
HrTTV
FkTTcdtdTc RKe
R
Wepp 0
1
p
Rad c
HXcTTT
00
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8. TRENNVERFAHREN (REKTIFIKATION, ABSORPTION, EXTRAKTION-TEIL1) Kenntnis der Phasengleichgewichte (G-L, L-L, ...) RAOULT-DALTON
pypyppyp
ABB
AA
1
ppp BA BABBB
AAA
pxpyppxp
00
0
1
TAUKURVE SIEDEKURVE
BAAB
AAA ppxp
pxy000
0
BA
BA pp
ppx00
0
GLEICHGEWICHTSKURVE RELATIVE FLÜCHTIGKEIT
11
ABA
AABA x
xy
AA
AA
B
AAB xy
xypp
110
0
HENRY-GESETZ
ii
i
iii
iii
Xp
HY
xHpyxHp
NERNSTSCHER VERTEILUNGSSATZ RELATIVE LÖSLICHKEIT
)2(3
)1(3
)1(3
)2(3
xx
K N 31)1(1
)2(1
)1(3
)2(3
1
331 /
/S
xxxx
KK
Kenntnis der Bilanzierung: Rektifikationskolonne, Absorptionskolonne, Extraktor Konstruktion des Gleichgewichtsdiagramms Anwendung McCabe-Thiele-Verfahren/Diagramme Stufen zählen
Ziel der Vorlesung „Technische Chemie 2“ (Master-Studium)
Weiterführende und vertiefte Behandlung von Themen der Chemischen Reaktionstechnik und Verfahrenstechnik
Thermische Stofftrennverfahren
Stoff- und Wärmetransport
Stoffübergang und chemische Reaktion (G/L-, G/L/L-, G/S- und G/L/S-Systeme)
Heterogene Katalyse (Mikro-/Makrokinetik; Reaktoren; Auswertung kinetischer Daten/Model-
lierung)
Chemische Prozesskunde (Organische Produktionsverfahren an ausgewählten Beispielen)
ChemischeProzeßkunde
ChemischeReaktionstechnik
Grundoperationen
Technische Chemie II(Chemische Technologie II)
thermisch mechanisch
SBRZulaufM
Propylen
CO/H2
n-Butyraldehyd-Dämpfe
n-Butyraldehyd
i-Butyraldehyd
n-Butyraldehyd
Rohprodukt
n/i-C4H8O
n : i = 97 :3
H2O + Katalysator
Abgas
(b.p. 64 oC)
(b.p. 75 oC)
ThermodynamikMikrokinetik
Reaktoren- Typen: BR, CSTR, PFR;- Auslegung (Berechnung)
Umsatz / / Ausbeute
Makrokinetik / Stoff- u. WärmetransportHeterogen katalysierte Reaktionen
SBR
SelektivitätExp. und Auswertungsmethoden
Rektifikation II
ExtraktionKristallisation
AbsorptionAdsorption
Membranverfahren
SedimentationZentrifugationFiltration
Erdöl, Erdgas, Kohle
Weiterführende und vertiefte Betrachtung ?Weiterführende und vertiefte Betrachtung ?
BeispielBeispielGas/Flüssig/(Flüssig)-Reaktion bzw.Mehrphasenkatalyse:Von der phänomenologischen Beschreibungzum mikroskopischen Detail...
ZweiphasenkatalyseZweiphasenkatalysePrinzip der wässrigen ZweiphasenkatalysePrinzip der wässrigen Zweiphasenkatalyse
ZweiphasenkatalyseZweiphasenkatalyseHydroformylierung Hydroformylierung von Propylen (Ruhrchemie/Rhônevon Propylen (Ruhrchemie/Rhône--PoulencPoulenc--Verfahren)Verfahren)
9797::33
VerfahrensfließbildVerfahrensfließbild HydroformylierungHydroformylierung von Propylenvon PropylenRuhrchemie/RhôneRuhrchemie/Rhône--PoulencPoulenc--VerfahrenVerfahren - Chemische Prozesskunde
- Trennverfahren
Löslichkeit von Löslichkeit von OlefinenOlefinen
StoffübergangStoffübergangim Gim G--LL--LL--SystemSystem
AbsorptionAbsorption
AnalogieAnalogiezu Stofftrennzu Stofftrenn--Verfahren:Verfahren:
ExtraktionExtraktion
Hatta-Zahl(Gas-Flüssig-Reaktionen, Homogene Katalyse)
AL
Dkk
Ha 1
Dicke des FilmsLA kD /
ADkHa
Thiele-Modul(Gas-Fest-Reaktionen, Heterogene Katalyse)
eff
vsc D
SkL,1
z.B. Pelletradius, Dicke der MetallbeladungcL
Größen, die das Zusammenspiel der rein chemischen Reaktion (Mikrokinetik) mit dem Stofftransport (Makrokinetik) beschreiben
Fortsetzung
Stofftrennverfahren
1. Extraktion – Teil 2
Grundlage für die Berechnung vonSystemen nit teilweiset Mischbatkeit
Ralf inet RAbgeberprimäres LMTräigerphase
0,0
(Extrakt)Ü bergangs kom pone nte
E
0,2
0,3
0,4
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2<- xR
' , - , f
0,o
XL
0,1 0,9
1 ,0
25:83=0.3 E42:83=0.5 L16:83=0.2 R
0,
a\
0,8
1,0 0,9 0 ,1 0 ,0
- drei Seiten...drei binitre Mischungen (EL, LR, RE)
- Höhe des Dreiecks U -pe +pt-W (= 100%)
Die einem Punkt P entsprechende Konzentration an Komponente i (i : E, L, R)vird aus dem Abstand des Punktes P von der dem Eckpunkt E, L oder Rgegenüberlie genden Dreiecksseite ermittelt.
Pe r F7+ Pr- mn^:mr - :mp^L t ' LY ' \ t
P [30% E, 50% L, 20% R]
L ExtraktionsmittelAufnehmersekundäres LM
(Enrakl)U bergangskomponente
Abgebelp märes LMTrägephase
<- XRExtraktionsmittel
Autnehmers€kundäres LM
1. Fügt man zu einem Zweistofigemisch der Zusammensetsung Z den Sloff L hinzu,so liegt die Zusammensetsung der Mischung auf einer Geraden, die von Z durch Lgeht. Aul dieser Strecke ZL ist das Mengenverhältnis R:E konshnt.
2. Bei Vereinigung von zwei cemischen, die durch die Punkte P und O dargestelltwerden, liegl die Zusammensetung der Mischung M aus den Mengen mp und mOaul der Strecke P0, und zwar vethalten sich die Strecken zu den Mengen umgekehrtproportional:
pM:M0=mO:mp
lanalog zu Hebelgesetz der Mechanik)
3. Wird die Menge mp aus m[4 entnommen, bleibt mO zurück:
mM-mP=mO
4. Sind zv'leiweitere Gemisdre me und mS vorhanden, deren DarstellungspunkteQ und S aut einer Geraden durch den Punkt O liegen, so lassen sich aus den Gemischenmp und mS durch geeignele Stofiübertragung die Gemische mM und me erzeugen:
mtul -mP =mOmS - m0 =mOmtul - mP =mSBmQmM + mQ =mP+mS
Aus den Gemischen me und mS können also mp und mM hergestellt werden, wenn sich dieVerbindungslinien der beiden Gemische schneiden.
Dabeikann der SchnitFunkt auch außerhalb des Dreiecks liegen.
Arbeiten mit dem Dreiecksdiagramm
Anderung der Zusammensetzungnach Zugabe von L zu RO
(Enrakt)Übergangskomponente
E
Mengenverhältnis
L - XR,O-XRP
R6 xR.p !
RaffinatAbgeberprimäres LMTregeFhase
R LExtraktionsmittel
Aufnehmersekundäres LM
Xn,o Xn,pG-xR
Ro' x&o +L. o - (Ro +L). xqp
Ra{f inat RAbgeberprimäres LMTrägerphase
(Extrakt)Ü bergangskom pone nte
<- XR
Binodalkurve(Löslichkeitskurve)
Konode
L ExtraktionsmittelAufnehmersekundäres LM
Eine Mischung der Konzentration P innerhalb der Mischungslückezertälltin zwei koexistierende Phasen mit in der Regel unterschiedlichen Konzen-üationen A und B (konjugierte Punkte). * Arbeitsbereici bei der Extraktion
Die Konoden sdrrumpfen nach oben zum krltlschen Punkt Kzusammen.Am kritischen Punkt ist eine Unterscheidung zwiscfien den Eigenschaftender beiden Phasen nicht mehr moglich.
Typen von Phasengleichgewichten in ternären Systemen
1... ofiene Mischungslücke zwischen B und C11... geschlossene Mischnungslücke (C ist unbegrenzt mischbar mit
Komponente A des Feeds und Komponenle B, z.B. Extraktionsmittel)lll... offene Mischungslücke zwischen A und C1V... System, das drei Phasen bildet
Phasengleichgewichte im System Benzol / n-Heptan / gemischtes Lösungsmittel
n-Heptan NMP n-Heptan(+10 % H2o)
NMP/Ethylengylkol
NMPNMP (90%) + H2o (10%) NMP (60%) + EG (a0%)
20 0c 60 0c
Zusatz von Wasser oder Ethylenglykol zum Extraktionsmittel vergrößert die Mischungslücke:Aromat und Extraktionsmittel sind nicht mehr unbegrenzt mischbar !
Benzol Benzol
Phasengleichgewichtein ternären Systemen: Beispiel 1
Trichlorbenzol (A )- Wasser (B) _ Caproiactam iC)20 0c
o f ,
ü j .o> h .ü
0.8
0.6
OJ
002 0.4 Ae o.s
Mass6ait6il Cih der A.reichen phase
1
1
0.2 0.1 0.6 0.8Masseanleil C
in d6r A-reid€n (a)bzw. B-reichen (b) phese
0,2 03 0.G 0.E
Dreiecksdiagramm
II Gleichgewichtsdiagramm
III Verteilungsdiagramm
fV Selektivitätsdiagramm
-9
E.!ss.6
E
E
6
6
't0.
10.
le
101
100
' Verhällnis der Verteitlngskoeflizient€n lij(die oxlrahjede Kompon€nle C und ffu A
l$Iirr;;** oo"*nk€it b€i der Rekütikalor
Ma$eantdlCin der A-roich€n (a) bzw. B-reichei (b) phase
9 i= ö
0.E
0.6
0.4
0
E20
=.!!
=6
€ rnr
!
B 102
:>
0.2 0.1 0.6 03Masseanleil C
in der A-reichen Phas6
0.2 0.1 0.6 0,8Masseanleil C
in dd A.reichen (a) bzw. B-reichsn (b) Phase
MasseanleilCdef A'teichen (a) bzw. B-reichen (b) Phase
Phasengleichgewichtein ternären Systemen: Beispiel 2
Wasser (A)- Butylacetat (B) - Phenol (C)20 0c
I Dreiecksdiagramm
II Gleichgewichtsdiagramm
III Verteilungsdiagramm
IV Selektivitätsdiagramm
' Vefiällnis der V€deilung6koefliziedon fürdie extrahierle Kornpohenle C und lüt A(er sF. der relaliv€n Flüciligkeil beider Feklifikalion,s. VO'CT l')
0.2 0.4 0.6 0.8
i P
= b
0.8
0,6
0.1
o2
0
Massear 6il Cjn d€r A-reich€n (a) buw B-teichen (b) phase
0.2 0.1 0.6 0.8Masseoteil C
dsr A-rdch€n (a) bzw. B-reidFn (b) Fhase
Phasengleichgewichtein ternären Systemen: Beispiel 3
n-Heptan (A). Diethylengtykot (B) - Benzot (C)20 0c
I Dreiecksdiagramm
II Gleichgewichtsdiagramm
III Verteilungsdiagramm
IV Selektivitätsdiagramm
' Veftällnis d€r Vedeilungskoeläzienten fürdie eirahi€rte Kofipononle C und fir A(6nl6pr d€r r€laliv€n Flücht:gk€it b€i der Fektitikatioi,,6. Vo 'cT l")
0.2 0.a 05 08Massearieil C
in dgl A-reichen Phas€
Eo4
E.q
€02
5I
E63
B,8
E6
1 0
6
in
0.2 0.4 0J 0.8
' : r ' , i l l t , ; : ! l : : 1 . ' ] i " . ! t l , - . i : - i ; i l , . , , . . l
Trennung einer Mischung P2in die koexistierenden Phasen P1 und P3
Pl _ xR,2-xR,3 _ xL,2- xL,3 _ xE,2-xE.3
P3 xR,l - xR,2 xL,l - xL,2 , xE,l - xE,2
(Extrakt)Übergangskomponente
EMengenJStrecken-
verhältnis
P1
P3
PzPzPtPz
Binodälkurve
Itr;rf finatAbgeberprimäres LMTrägerphase
<- XRL Extraktionsmittel
Aufnehmersekundäres LM
XL
Experimentelle Methoden1. Trübungstitration ------ Binodalkurve ... wenn nur 1 Komponente im ternären system analysierbar
1.1 Bestimmung des RaffinatAstes:(a) Ausgehend von einem (bekannten) Punkt eines homogenen binären Systems (E+R)titriert man mit L bis zur Trübung (= Punkt 81 aulder Binodalkurve);(b) Titration mit E, bis die Trübung wieder verschwindet;(c) Erneute Zugabe von L bis zur erneuten Trübung (= B2); usvv..
1.2 Bestinmung des Autnehmerasbs:analog; Titration eines (L + E)-Gemisches mit R.
2. Verfahren mit chemischer Analyse -----+ Binodalkurve + Konoden(R + E + L)-Mischung in vielen willkürlichen Gewichtsverhältnisses bis zur GGW-Einstellung;dann Analyse von wenigstens 2 Komponenten; Kontrolle über Mischungsregel (Punkte aufAufnehmer- und Abgeber-Ast der Binodalkurve müssen mit M eine Linie bilden).
ist
L
,1,lv l11
üffiTrübung
B2
EI
l+lrltlklar
LI
l+lT-t
fttrf,Trtibung
BI
E+RI
l+lnI IUklar
Punlt A1
Graphische Methode"Sch ichlenzuordnungskurve"-- Konstruktion der Konjugationslinie
R2
R
1 . Exoerimentelle Bestimmuno von 5-10 Konoden. via Trübungstitration oder chemischer Analyse.
2. Linien zeichnen, WaUpl: von den Schnittpunkeneiner Konode mit der Binodalkurve zur jeweilsgegenüberliegenden Dreiecksseite.
3.
...lieterl Schnittpunkt, der innerhalb oder auch außerhalbdes Dreiecksdiagramms liegen kann.
Konjugationslinie ergibt sich als Kuvenzug, wennman die für verschiedene Konoden erhaltenenSchnittounkte verbindet.
Davon ausgehend können neue Konoden konstruiertwerden.
Schnittpunkt von Konjugationslinie und Binodalkurve= kritische Mischungspunki.
4.
Bilanzierung: (a) R0x0 + L2y2 = R1x1 + Leye 1. Stufe (b) R0x0 + Ln+1yn+1 = Rnxn + Leye bis n-te Stufe (c) R0x0 + L0y0 = Rexe + Leye Gesamt Es wird gesetzt : Leye – R0x0 = PxP (a´) R1x1 + PxP = L2y2 R1 , L2 und P (b´) Rnxn + PxP = Ln+1 yn+1 Rn , L n+1 und P liegen auf einer Geraden, dem sogen. Polstrahl (c´) Rexe + PxP = L0y0 Re , L0 und P Interpretation: z.B. Mischung Ln+1, yn+1 zerfällt in Rn, xn und P, xP Im GGW stehen z. B. die Phasen Le und R1 (1.Stufe), L2 und R2 (2.Stufe), Ln und Rn (n-te Stufe)... .
}
Polstrahlverfahren*
h . ExtraktionsmittelLe ... beladenes, aus dem Extraktor austretendes
ExtraKionsmittelRo ... in den Extraktor eintretendes RafiinatRsoll ... angestrebte Rafiinat(end)konzentation
Schlusstolgerung aus der Bilanzierung:Die Punkte R1, L2 und P
Rs, Le und P. Rn, Ln*1 und P usw.
liegen auf einer Geraden, dem sogen. POLSTRAHL.
Arbeitsvorschrift
abwechselndes Ziehen von Geraden, ausgehend von Ro (vorgegeben),dann von R1 , R2 usw.- einerseits zum Pol P, Polstrahlen, und- andererseits Konoden durch den Schnittpunkt des Polstrahls mii derBinodalkurve, bis die Reinheit R.011 (ebenfalls vorgegeben) eneicht ist.
* T.G. Huater, A.W Nash,J. Soc. Chem. Ind. 1934, 53, 95T.
Es ergibl sichtRe überL. vorgegeben oder übern1t^R2IL3u3w.
"s0GesamtbilanzKonodeBilanz Stufe 1 (Gerade durch P)KonodeBilanz Stufe 1, 2 (Gerade durch P)
überüberüberüber
Grenzfall 1Mi ni males Zulaufverhältnisdes Lösungsmittels* Arbeitsvorschrift
Vorgegeben dnd; Re und Lo (Ro)
1. Zeichnen der Gerade ffi / Verlängerung2. Verlängerung der Konoden
Der am weitesten innen liegende Schnittpunktliefert Pr;n (Lr1n, M11ln).
Die Gerade RoPmin schneidet die Binodalkurve bei Lp;n.
Die Geraden R6Le und R.Lrln schneiden sichdann im Punkt fulr;n.
- unendlich große Stufenzahl(...wenn Pol P mit dem innersten Schnittpunkt einer Konodezusammenfällt)
Grenzfall2Minimale StufenzahlAbreicherung der Abgeberphasevon Ro nach Rs kann mit einer Stufeerreichbar sein(aber Einsatz von sehr viel LM),
d.h. die Gerade ReLe fällt mit einerKonode zusammen
Arbeitsvorschrift
Vorgegeben sind; Ro, Re und Lo
1. Zeichnen der Konode durch R. (via M) liefert L.2. Punkt P ergibt sich aus Schnittpunkt der Geraden
RgLs und R.L.
ÜbersichtPrinzip einiger Extraktionsapparate
a) >Eixor-lcttleK-Battqiob) FüIkörpqkolon&c) Siebbodoakololtad) Drehschoibenkolonne,l pdin&aa Laauugtoiltcl (lcichtcra !b..c),B !ll&t r StofrC r.tuodliür L6lutrSsdittcl
(rctwcl€rc Phalc)
Gegenstrom-Extraktionskaskade aus vier hintereinandergeschaltetenMischer- S cheider-Paaren
I Extraktionsmiuel (Solvent); 2 flüssiges Extraktionsgut;
3 beladenes Extraktionsmittel (Extrakt); 4 entladenes Extraktionsgut @affurat)
-->Ablaufschwere
Phase
Abb.3 SchematischeDarstel lungeinerstatischen Siebbodenkolonne
-{>AblaufIeichtePhase
<-Zulaufschwere.
Phase
*-ZulaüileichtePhase
Abhufschwere
Phase
Abb.4 Schemalische Oarstellung eines Rotating Disc Contactors
Wichtige technische Anwendungen der LLE Trennproblem Lösungsmittel Verfahren
1. Entphenolung
von Abwässern1
Butylacetat
Trikresylphosphat
Di-i-Propylether
Phenosolvan
2. Aromaten-Extraktion aus KWS-Gemischen
(Aliphaten, Cycloalkane)
N-Methylpyrrolidon
(NMP)2
N-Formylmorpholin
(NFM)3
Tetramethylsulfolan
N-Methylcaprolactam
Diethylenglycol
Arosolvan (Lurgi)
Morphylex
(Krupp/Uhde)
Sulfolan
AREX (Leuna)
UDEX (Union Oil)
3. Butadien-Extraktion CuOAc/NH3/H2O CAA (Exxon)
1 Verteilungskoeffizienten von Phenol zwischen Wasser und Lösungsmittel (20oC) 2 NMP
OH
LM
PhenolPhenol
K2
Benzol: 2 Toluol: 2 Trikresylphosphat: 28 Di-i-Propylether: 28 3 NFM Diethylether: 54 Butylacetat: 56
Aromatenquellen
Feed-Zusammensetzung zur Aromatengewinnung
rarqEJ:ro^-Nv^.Iosollv : uorlIEuxS-Srssr.ll:l-6rssnl jI
a,
Fli issig-Fli issig-ExtmLtion: MOR PHYLE X-Prozeß
Butadien-Extraktion nach dem CAA-Verfahren*
C4-Raffinat
-Schnitt
_ ' .
I\ l
V\ o.oor
a'.*r\
0.005
0.01\ \.01 \
co)=
U)(D
E-c '"CTJ
N
Extraktion von Caprolactamaus einer 10 Yoigen Lösung in Triethylenglykol
mit Wasser
'==i
Lösungsmittel-Feed-Verhältnis --*