Technische Chemie 2 · 2021. 2. 15. · Prof.Dr.P.Claus Vorlesung „Technische Chemie 2“_WS...

| 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: 06151-16-4788claus@ct.chemie.tu-darmstadt.de

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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5

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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7

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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9

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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10

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

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0.005

0.01\ \.01 \

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E-c '"CTJ

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Extraktion von Caprolactamaus einer 10 Yoigen Lösung in Triethylenglykol

mit Wasser

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Lösungsmittel-Feed-Verhältnis --*