Note de curs RMP
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
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.