F 3 Flussig-Fl ussig-Extraktion SS 2013 · Fortgeschrittenen Praktikum "Technische Chemie" F 3 Flussig-Fl ussig-Extraktion SS 2013 Versuchsanleitung und Betriebsanweisung ... A Prim

Ruhr-Universitat-Bochum– Lehrstuhl fur Technische Chemie –

www.techem.rub.de

Fortgeschrittenen Praktikum”Technische Chemie”

F 3Flussig-Flussig-Extraktion

SS 2013

Versuchsanleitung und Betriebsanweisung

Betreuer: Ahmet Becerikli Hendrik DudderRaum: NBCF 04 / 684 NBCF 04 / 693Tel.: 24534 25012E-Mail: [email protected] [email protected]

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis I

1 Symbolverzeichnis 1

2 Einfuhrung 3

3 Aufgabenstellung 5

4 Theoretische Grundlagen 64.1 Dreiecksdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.2 Verteilungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Extraktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.4 Technische Durchfuhrung und Extraktionsapparate . . . . . . . . . . . . 134.5 Bilanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.5.1 Bestimmung der Trennstufenzahl aus den Extraktionskoeffizienten 154.5.2 Methode nach Hunter und Nash (Polstrahlverfahren) . . . . . . . 174.5.3 McCabe-Thiele-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.5.4 HTU-NTU-Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5 Versuchsaufbau und -durchfuhrung 235.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.2 Arbeitsanleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Hinweise zum Arbeitsschutz 27

7 Hinweise zur Auswertung und zur Diskussion 28

8 Rechenaufgabe 29

9 Erstellen des Theorieteils 30

Anhang 32Kalibrierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Vorlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Sicherheitsdatenblatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

I

1 Symbolverzeichnis

Latein

Symbol Einheit Beschreibung

A [m2] Kolonnenquerschnitta [m2/m−3] Flacheci,j [mol/L] Konzentration der Komponente i in Phase jD [kg/s · m] Diffusionskoeffizienth [m] Hohenkoordinate der KolonneH [m] KolonnenhohekL [kg/s · m2] Stoffubergangskoeffizientl [m] Charakteristische Langemi,j [kg] Masse der Komponente i in Phase jmi,j [kg/h] Massenstrom der Komponente i in Phase jN [-] Verteilungskoeffizientni, [mol] Stoffmenge der Komponente i in Phase jni,j [mol/h] Stoffmengenstrom der Komponente i in Phase jS [m2] Phasenaustauschflachet [h] Zeitwi,j [-] Massenanteil der Komponente i in Phase jV [l] Volumen

Vi,j [L/h] Volumenstrom der Komponente i in Phase jxi,j [-] Molenbruch der Komponente i in Phase jX [kg/kg] Beladung RaffinatY [kg/kg] Beladung Extrakt

Griechisch

Symbol Einheit Beschreibung

δ [m] Grenzfilmdickeε [-] Extraktionskoeffizientν [-] Losungsmittelverhaltnis

1

1 Symbolverzeichnis 2

Indices

Symbol Beschreibung

0 StandardA PrimarlosungsmittelB Sekundarlosungsmittel

C UbergangskomponenteF FeedR RaffinatE ExtraktS SolvensM MischungspunktMax MaximalwertMin MinimalwertP Polpunkt

Abkuerzungen

Symbol Beschreibung

HTU Height of Theoretical UnitsNTU Number of Theoretical Units

2 Einfuhrung

Unter Extraktion im Allgemeinen wird das selektive Uberfuhren eines Stoffes aus einemfesten oder flussigen Mehrstoffgemisch mit Hilfe einer flussigen Phase, dem Extraktions-mittel, verstanden. Hierbei wird dieses Mehrstoffgemisch intensiv mit dem Losungsmittelin Kontakt gebracht (dispergiert ⇒ moglichst große Phasengrenzflache). Dabei geht derWertstoff in das Losungsmittel durch Stoffaustausch uber. Die Losung des Wertstoffesim Losungsmittel wird Extrakt genannt; die Abgeberphase nach der Extraktion Raffinat.Da mit der Extraktion der Wertstoff nicht in Reinform gewonnen werden kann, sondernimmer als Gemisch mit dem Extraktionsmittel anfallt, ist eine zugige Separation der Pha-sen fur eine weitere Aufarbeitung notwendig. Die Reingewinnung muss in einem weiterenTrennschritt erfolgen. Die Zeit, die das System nach dem dispergieren zur Separation inzwei Phasen benotigt, wird Koaleszenz1 genannt.Eine Extraktion besteht demzufolge aus drei Arbeitsschritten:

1. Inniges Vermischen der Flussigkeiten, um Einstellung des Verteilungsgleichgewichtszu bewirken (Dispersion),

2. Trennung der Phasen in einem Abscheider oder einer Ruhezone (Koaleszenz) und

3. Entfernung und Wiedergewinnung des Extraktionsmittels.

Wie im Falle der Rektifikation wird auch bei der Extraktion im Gegenstrom gearbeitet,um den elementaren Trenneffekt zu vervielfachen. Im Folgenden wird nur die Flussig-Flussig-Extraktion (Solvensextraktion) behandelt.Auf Grund einer Vielzahl von verschiedenen Bezeichnungen fur die einzelnen Phasen undKomponenten folgt eine Definition der im Skript verwendeten Abkurzungen und Begriffe.Eine Ubersicht uber den Fluss der Phasen gibt Abbildung 2.1.

Abbildung 2.1: Schematische Darstellung einer kontinuierlich arbeitenden Gegenstromextrak-tionsanlage.

1Es wird zwischen Primar- und Sekundarkoaleszenz unterschieden. Primarkoaleszenz bedeutet das Auf-trennen der Emulsion in einzelne Tropfchen. Dies ist in der Regel ein sehr schneller Prozess. Proble-matisch ist meist die Sekundarkoaleszenz, also das Trennen der Tropfchen in zwei Phasen mit einerklar definierten Phasengrenze.

3

2 Einfuhrung 4

Komponenten:A: Verdunnungsmittel, primares LosungsmittelB: Losungsmittel, Aufnehmer, sekundares Losungsmittel, Extraktionsmittel

C: Ubergangskomponente, Wertstoff

Phasen:Feed F (auch Zufuhr,Abgeber): A, beladen mit CSolvens S: B, eventuell mit Spuren von A, CRaffinat R: A, verarmt an CExtrakt E: B, beladen mit C

Die Auftrennung eines Stoffgemisches mit Hilfe der Flussig-Flussig-Extraktion findet inder Industrie immer dann Anwendung, wenn eine Rektifikation aus technischen und/oderwirtschaftlichen Grunden nicht in Frage kommt. So ist ihre Anwendung zum Beispiel inden folgenden Fallen vorzuziehen:

• Die Siedetemperatur einer abzutrennenden Substanz liegt hoher als die Zersetzungs-temperatur einer Komponente des Gemisches bei Normaldruck und das niedrigsie-dende Produkt liegt im Uberschuss vor (Gewinnung von Caprolactam aus wassri-ger Ammoniumsulfatlosung mittels Benzol, Antibiotikagewinnung, Extraktion vonpflanzlichen Wirk- und Aromastoffen aus wasserigen Losungen und die Isolierungvon Hormonen im praparativen Maßstab).

• Das zu trennende Gemisch bildet Azeotrope, so dass nur durch aufwendige De-stillationsverfahren (z.B. Zweidruckverfahren, Distrex-Verfahren) die gewunschteTrennung erzielt werden kann.

• Es sind schwerfluchtige Substanzen in geringer Konzentration abzutrennen, so dassdie Rektifikation sehr hohe Kosten fur die notwendige Verdampfungswarme mitsich bringt, die den Wert des erzeugten Produkts bei weitem uberschreiten. (Bei-spiel: Essigsaureabtrennung aus Abwasser der Zelluloseherstellung, Extraktion vonPhenol aus Kokereiabwassern mittels Methylisobutylketon).

Daruber hinaus gibt es Trennprobleme, die sich durch Rektifikation nicht, wohl aberdurch extraktive Prozesse losen lassen. Beispiele der großen Anwendungsbreite extrakti-ver Verfahren sind die Metallsalz-Extraktion, die extraktive Fettverseifung unter Druck,die Abtrennung von TiO2 von begleitendem Chrom oder die Wiederaufbereitung abge-brannter Kernbrennstoffelemente durch das PUREX-Verfahren. Von Bedeutung ist auchdie Extraktion (Fest-Flussig) mit uberkritischen Gasen zum Beispiel zur Gewinnung vonGewurzextrakten und Aromastoffen und zur Entkoffeinierung von Kaffee.

3 Aufgabenstellung

Im Rahmen des vorliegenden Versuches soll die Trennleistung verschiedener kontinuier-lich im Gegenstrom betriebener Extraktoren verglichen werden. Hierzu wird Hexansaure,welche in definierter Konzentration in dunnflussigem Paraffin gelost ist, mit unbelade-nem Wasser extrahiert. Die Extraktoren werden jeweils zunachst bis zur Einstellungstationarer Bedingungen betrieben, welche durch kontinuierliche Leitfahigkeitsmessungder wassrigen Phase bestimmt werden. Danach werden die Konzentrationen der Hex-ansaure in den beiden Phasen maßanalytisch bestimmt. Diese Messwerte bilden dann dieGrundlage fur die vergleichende Bewertung der Trennleistungen. Als weitere Parameterkonnen die Volumenstrome der beiden Phasen und ihr Verhaltnis in den Extraktorenvariiert werden.

Am Versuchstag selbst sollte parallel zu dem Versuch die Auswertung in Origin erfolgenund die Rechenaufgabe (mit Hilfe des Assistenten) gelost werden.

5

4 Theoretische Grundlagen

4.1 Dreiecksdiagramme

Bei teilweiser Mischbarkeit der beiden Losungsmittel mussen die Vorgange bei der Ex-traktion uber ein Dreikomponentensystem beschrieben werden. Auch in einem solchenternaren System ist die Summe der Massenbruche gleich Eins. Damit diese Bedingungerfullt wird, sollte ein gleichseitiges Dreieck zum Zeichnen des Dreiecksdiagrammes ver-wendet werden. Prinzipiell konnte auch jedes andere Dreieck genutzt werden, doch bietetnur das gleichseitige Dreieck die folgenden geometrischen Eigenschaften: Die Summe derAbstande eines Punktes im Innern des Dreiecks von den Dreiecksseiten (gemessen aufden Geraden, die parallel zu den Dreiecksseiten durch P verlaufen) ist gleich der Langeeiner Dreiecksseite. (Abbildung 4.1). Wenn diese drei Abstande als Massenbruche derKomponenten betrachtet werden, dann wird ein System mit einer bestimmten Zusam-mensetzung gerade durch einen einzigen Punkt in dem so erhaltenen Dreiecksdiagrammdargestellt. Neben den Massenanteilen kann die Erstellung eines Dreiecksdiagramms auchuber Stoffmengen- oder Volumenanteile erfolgen. Bei einer Definition uber Volumenan-teile ist allerdings zu beachten, dass das Volumen einer Flussigkeit von der Temperaturabhangt und deswegen in der technischen Chemie meist auf die Anwendung von volu-menbezogenen Großen verzichtet wird.

Abbildung 4.1 zeigt ein Beispiel. Am Punkt P hat das System die ZusammensetzungwA = 0, 50, wB = 0, 20, wC = 0, 30.

Abbildung 4.1: Darstellung eines Dreistoffgemisches im Dreiecksdiagramm.

6

4 Theoretische Grundlagen 7

Die Seite AB entspricht dem Wert wC = 0, entsprechendes gilt fur die anderen Seiten.Jede Dreiecksseite stellt also eines der binaren Systeme (A,B), (B,C) und (A,C) dar.Um den Massenanteil einer Komponente in einem Punkt bestimmen zu knnen wird eineGerade, parallel zum binaren Gemisch, das die gesuchte Konzentration nicht enthaltgezogen (ist wc zu bestimmen, so wird die Gerade parallel zur Seite AB gezogen).Die Gerade von einem Eckpunkt zu einem Punkt auf der gegenuberliegenden Seite (diegraue, gestrichelte Linie in Abbildung 4.1) hangt mit einer wichtigen Eigenschaft desDreiecksdiagrammes zusammen. Jeder Punkt auf dieser Linie gehort zu einer Zusam-mensetzung, die um so reicher an B ist, je naher der Punkt bei dem Eckpunkt liegt undimmer dem gleichen Mengenverhaltnis von A und C entspricht. (Das ist eine Eigenschaftder Dreieckskoordinaten, denn nach dem Strahlensatz ist w′A/w′C bei P ′gleich w′′A/w′′C beiP ′′.) Um zu verfolgen, wie sich die Zusammensetzung eines Systems aus A und C andert,wenn B hinzugefugt wird, muß eine Gerade vom Eckpunkt B zu dem Punkt auf der SeiteAC gezogen werden, der die Zusammensetzung des ursprunglichen Systems beschreibt.Alle ternaren Systeme, die man daraus nach der Zugabe von B erhalt, liegen dann aufder Geraden.

Setzt man eine beliebige Mischung M aus dem Zweiphasengebiet an, so zerfallt die-se in die beiden Phasen Q1 und Q2 (Abbildung 4.2). Dieser Zerfall geschieht entlang einerKonnode, die sich experimentell bestimmen lasst. Sind einige Konnoden experimentellbestimmt, so kann uber die graphische Konnodeninterpolation jede beliebige Konnodeerzeugt werden. Nahert man sich dem Einphasengebiet in Richtung hoherer Konzen-trationen an C, so werden die Konnoden immer kleiner und fallen schließlich in einemPunkt zusammen. Diesen Punkt nennt man plate-point oder kritischen Punkt.

Abbildung 4.2: Darstellung der graphischen Konnodeninterpolation.


Um unbekannte Punkte im Dreiecksdiagramm bestimmen zu konnen, wendet man dasHebelgesetz und die Differenz von Mengen an (Abbildung 4.3).

Abbildung 4.3: Dreiecksdiagramm zur Veranschaulichung des Hebelgesetzes und der Diffe-renz der Mengen.

Das Hebelgesetz setzt analog der Anwendung in der Physik die Langen der Strecken aufeiner Geraden mit den Massen einer der Komponenten in den Endpunkten der Streckenins Verhaltnis:

mF

mP

=EP

EF(4.1)

mE

mF

=PF

EP(4.2)

Eine anschauliche Anwendung des Hebelgesetzes folgt im Kapitel uber absatzweise Ex-traktion. Die Differenz der Mengen bildet die Grundlage fur das Verfahren von Hunter-Nash und ist die logische Weiterfuhrung des Hebelgesetzes. Wird das Hebelgesetz zweimalangewendet und ist eine der Eckpunkte der Geraden identisch, dann konnen auch die Be-ziehungen, die aus den Hebelgesetz gewonnen werden durch die Gleichheit an diesemeinen Punkt gleichgesetzt werden (Abbildung 4.3):

mP +mF = mE (4.3)

mE −mF = mP . (4.4)

Analog gilt fur die Strecke RQP

mQ −mR = mP . (4.5)

Gleichsetzen von Gleichungen 4.4 und 4.5 liefert:

mE −mF = mQ −mR (4.6)


4.2 Verteilungsgesetz

Physikalisch-chemische Grundlage der Flussig-Flussig-Extraktion ist das Verteilungs-gleichgewicht von C auf die beiden Phasen E und R. Wenn die beiden Losemittel Aund B nicht ineinander loslich sind (z. B. Benzol/Wasser) und mit verdunnten Losungenvon C gearbeitet wird, gilt das Nernstsche Verteilungsgesetz:

cC,E = N · cC,R (4.7)

Es gibt die Verteilung des gelosten Stoffes zwischen Raffinatphase und Extraktphase an.Das Verhaltnis der Konzentrationen des Wertstoffes in den beiden Flussigkeiten, N =cC,E/cC,R, ist konstant und wird als Nernstscher Verteilungskoeffizient bezeichnet. Gunstigfur die Extraktion sind Losungsmittelpaare mit einem großen Wert von N . In der Tabelle4.1 sind einige Beispiele angegeben.

Tabelle 4.1: Verteilungskoeffizienten einiger ausgewahlter Beispiele.

Extrakt E Raffinat R gelost N

Ethylacetat Wasser Essigsaure 0,7CCl4 Wasser Essigsaure 0,06CCl4 Wasser Brom 20

Alternativ kann der Nernstsche Verteilungssatz uber Massen- oder Volumenprozentesowie Beladungen definiert werden. In diesem Fall spricht man von dem modifiziertenVerteilungskoeffizienten N

′= Y/X.

Die Beladungen sind fur kleine Stoffmengenanteile Wertstoff nahezu identisch mit denKonzentrationen. Fur großere Konzentrationen des Wertstoffes gilt:

X = wC,R/wR,R (4.8)

Y = wC,E/wE,E (4.9)

Hierbei beschreibt X die Beladung der Raffinatphase und Y die Beladung der Ex-traktphase. Neben Massenprozenten konnen auch Volumen- oder Stoffmengenprozentezur Definition herangezogen werden. Auf die Verwendung von Volumenprozenten wirdallerdings meist verzichtet, da Volumina sowohl temperatur- als auch dichteabhangig sind.


4.3 Extraktionsverfahren

Prinzipiell werden zwei Arten der Durchfuhrung einer Extraktion unterschieden:

1. Absatzweise ExtraktionWie bei der Rektifikation und der Adsorption, so lasst sich auch bei der Extrakti-on die vereinfachte Modellvorstellung der theoretischen Stufe anwenden, die durchfolgende zwei Merkmale gekennzeichnet ist:

• Einstellung des Phasengleichgewichts zwischen den beiden Phasen und

• Trennung der beiden nicht (oder kaum) mischbaren Phasen durch Absetzen..

Eine theoretische Trennstufe wird somit naherungsweise durch einen Mischer undeinen Abscheider realisiert, wobei der Feed (F) und das Solvens (S) eingehen undRaffinat und Extrakt (R + E) abgefuhrt werden (Abbildung 2.1). Die Gesamtmassemuss konstant bleiben; also liefert die Massenbilanz:

mF +mS = mE +mR (4.10)

Der Abgeber F (mit der Zusammensetzung wA,F , wB,F , wC,F ) besteht nur dannaus zwei Komponenten, d. h. dem primaren Losungsmittel A und dem gelostenWertstoff C, wenn das Extraktionsmittel B und das primare Losungsmittel A volligunmischbar sind. In technischen Prozessen besteht das Solvens haufig nicht auseinem Reinstoff, sondern ist auf Grund geringer gegenseitiger Loslichkeit (soluli-bility = Ruckloslichkeit) von Verdunnungsmittel A und Extraktionsmittel B leichtverunreinigt. Ebenfalls ist es moglich, dass der Wertstoff C im nachgeschaltetenAufarbeitungsschritt nicht vollstandig aus dem Extraktionsmittel abgetrennt wirdund durch die Kreislauffuhrung von B dieses noch Spuren von C enthalt. In Ab-bildung 4.4 ist dieser verunreinigte Zustand mit S gekennzeichnet. Wurde reines Bverwendet werden, musste der Punkt in der unteren rechten Ecke liegen, S wurdemit B zusammenfallen.

Abbildung 4.4: Dreiecksdiagramm zur Veranschaulichung einer Trennstufe bei teilweiserMischbarkeit der beiden Losungsmittel.


Die Lage des Mischungspunkts M wird mit Hilfe des Hebelgesetzes im Dreiecks-diagramm gefunden. Er liegt auf der Verbindungsgeraden FS und entspricht derZusammensetzung des homogenen Gemisches. Es gilt:

mF

mS

=MS

FM(4.11)

Je nach unterschiedlicher Zusammensetzung und Masse von S ergeben sich unter-schiedliche Mischungspunkte (siehe Abbildung 4.4), wobei die Punkte D und GGrenzfalle darstellen. Wenn M mit D zusammenfallen, ergibt sich die minimaleLosungsmittelmenge Smin, die benotigt wird, um eine zweiphasige Mischung zuerhalten. Ein unterschreiten dieses Wertes fuhrt zu einer einphasigen Mischung,so dass eine Extraktion nicht mehr moglich ist. Analog dazu wird die maxi-male Losungsmittelmenge Smax erhalten, wenn M mit G zusammenfallen. Wirdder Massenanteil der Losungsmittelkomponente großer, findet ebenfalls eine Homo-genisierung statt. Auch unter diesen Umstanden ist keine Extraktion mehr moglich.

Durch intensives Mischen findet ein Stoffaustausch zwischen den beiden PhasenF und S statt. Die homogenisierte Mischung zerfallt entlang der Konnode in einzweiphasiges Gemisch, bei dem die Zusammensetzung der Raffinatphase durch R,die der Extraktphase durch E beschrieben wird. Die relativen Mengen von Raffinat-und Extraktphase konnen aus dem Hebelgesetz bestimmt werden. Es gilt:

mR

mE

=ME

RM(4.12)

Bei der Trennung mittels absatzweiser Extraktion sind zum Erreichen hoher Rein-heiten mehrere Stufen notwendig. Haufig wird daher ein Kreuzstromverfahren an-gewendet. Dabei wird der Feed nacheinander durch mehrere mit frischem Extrak-tionsmittel gespeiste Stufen gefuhrt, um mit moglichst hoher Reinheit als Raffinatgewonnen zu werden (siehe Abbildung 4.5).

Abbildung 4.5: Darstellung mehrerer theoretischer Trennstufen im Dreiecksdiagramm beiteilweiser Mischbarkeit der beiden Losungsmittel (Kreuzstromverfahren).


2. Kontinuierliche GegenstromextraktionIn diesem Verfahrenwerden Feed und Sol-vens dem Extraktoran entgegengesetztenEnden zugefuhrt.Dabei kommt derFeed zunachst inKontakt mit derbereits angereichertenExtraktphase. DasRaffinat wird hinge-gen zuerst mit denreinen Extraktions-mittel in Kontaktgebracht. So kannebenfalls eine hoheAnreicherung von Cin B erreicht werden(Abbildung 4.6).

Abbildung 4.6: Schema einer kontinuierlichen Gegenstromex-traktion mit n theoretischen Trennstufen.

Die Massenbilanz ergibt:

mF + mS = mE1 + mRN(4.13)

mF − mE1 = mRN− mS = mP (4.14)

Bei mP handelt es sich um einen fiktiven Differenzstrom (siehe Differenz der Men-gen). Es wird eine stufenweise Betrachtung durchgefuhrt:

mF − mE1 = mR1 − mE2 = mR2 − mE3

= mRj−1− mEj

= mRj− mEj+1

= mR − mS = . . . = mP

(4.15)

Es besteht also eine Beziehung zwischen der Raffinatphase auf dem Boden j undder Extraktphase auf dem Boden j+1. Nach dem Hebelgesetz mussen die Zustandevon Raffinat, Extrakt und fiktivem Differenzstrom auf einer Geraden liegen. AlleBilanzgeraden schneiden sich somit in einem Punkt P, der als ,,Polpunkt“ bezeich-net wird. Er ergibt sich graphisch als Schnittpunkt durch Verlangerung der Gera-den E1F (Kolonnenende) und SRN (Kolonnenanfang). Aus der Bilanzgerade wirdein Geradenbuschel. Setzt man diese Losung der Bilanzierung zeichnerisch um, sowird das Verfahren Hunter-Nash-Methode oder Polstrahlverfahren genannt (Abbil-dung 4.7 ).


Abbildung 4.7: Auswertung im Dreiecksdiagramm mit Hilfe des Polstrahlverfahrens. (Ri:Zusammensetzung Raffinatstrom in Trennstufe i, S: Zusammensetzung desSolvens vor der ersten Stufe).

4.4 Technische Durchfuhrung und Extraktionsapparate

Bei den meisten Extraktionsproblemen ist die Beladung des Abgebers vorgegeben. Gefor-dert werden entweder ein gutes Ausbringen des Transferstoffes oder eine Mindestreinheitdes Raffinats. Dies soll in einer moglichst einfachen Apparatur bei moglichst geringemLosemittelverbrauch (= kostengunstig) realisiert werden.An Extraktionsapparate werden somit folgende Anforderungen gestellt:

• Hohe Stromungsgeschwindigkeit und Turbulenz zur Erhohung des Stoffaustauscheszwischen beiden Phasen,

• moglichst große Austauschflache durch feine Verteilung der dispersen Phase in derkontinuierlichen Phase,

• genugend lange Kontaktzeit zur Gleichgewichtseinstellung zwischen den beidenPhasen und

• geringe Koaleszenzzeiten (< 1 min).

Da sich zwischen Aufnehmer- und Abgeberphase ein Verteilungsgleichgewicht einstellt,wird nur in seltenen Fallen die gewunschte Trennung in Apparaten mit einer einzigenTrennstufe erreicht. Meist sind mehrere Stufen erforderlich. Heute wird in der Technikmeist in kontinuierlichen Gegenstromanlagen extrahiert. Zum Einsatz kommen entwe-der Kolonnen mit und ohne Einbauten (Fullkorper, Lochboden etc.) oder hintereinandergeschaltete Mischer und Absetzer (Mixer und Settler). Im Mischer erfolgt der Stoffaus-tausch und im Absetzer trennen sich die leichtere und schwerere Phase aufgrund ihrerDichteunterschiede1. Jeder der verwendeten Extraktoren bringt Vor- und Nachteile mitsich:

1Maßgeblich an der Phasentrennung ist die Grenzflachenspannung beteiligt, welche wiederum auch vonder Ionenkonzentration der Phasen abhangt. Aus diesem Grund kann die Zugabe von Salz in eine derbeiden Phasen die Koaleszenz signifikant beschleunigen


• Mischer-AbscheiderSie sind apparativ aufwendig und verursachen hohe Investitions- und Betriebskos-ten.

• Fullkorper- und SiebbodenkolonnenIn ihnen wird keine Turbulenz erreicht, weswegen die Stoffdurchgangszahlen kleinsind und eine betrachtliche Bauhohe notwendig ist. Die Kosten sind hier jedochgering.

• RuhrkolonnenSie sind unterteilt in eine Mischzone mit einem Ruhrer und eine Beruhigungszone,die Fullkorper oder Drahtgewebe enthalt.

• ZentrifugalextrakterDie Wartung ist hier aufwendig und es fallen hohe Kosten an.

Untenstehend ist eine Auswahl an Extraktoren gezeigt (Abbildung 4.8):

Abbildung 4.8: Extraktionsapparate (entnommen aus Brotz/Schonbucher,Technische Chemie1, Verlag Chemie 1982), a Phasengrenzflache.


4.5 Bilanzierung

Zur Quantifizierung der Trennleistung einer Kolonne wird der Begriff der theoretischenTrennstufe eingefuhrt. Eine theoretische Trennstufe entspricht einer vollstandigen Gleich-gewichtseinstellung zwischen Raffinat- und Extraktphase. Zur Bestimmung der Trennstu-fenzahl einer Extraktionskolonne gibt es eine Vielzahl von Methoden, von denen hier nurdie wichtigsten vorgestellt werden sollen.

4.5.1 Bestimmung der Trennstufenzahl aus denExtraktionskoeffizienten

Bei der einfachsten Berechnungsmethode fur Trennstufenzahlen wird vorausgesetzt, dassder Verteilungsfaktor N und die stromenden Mengen von Raffinat und Extraktionsmittelund somit auch der Extraktionskoeffizient ε uber die Kolonne konstant sind. Das Extrak-tionsmittel fließt dem Extraktor als Reinstoff zu. Unter diesen Voraussetzungen wird furn Gleichgewichtseinstellungen erhalten:

w0C,R

wnC,R=

εn+1 − 1

ε− 1(4.16)

mit w0C,R als Massenfraktion des Wertstoffes C in der Raffinatphase R vor der ersten

Gleichgewichtseinstellung, und wnC,R als Massenfraktion des Wertstoffes C in der Raffi-natphase R nach der n-ten Gleichgewichtseinstellung. Die erste Gleichgewichtseinstellungfindet definitionsgemaß im Feed statt, so dass w0

C,R identisch mit der Massenfraktion desWertstoffes im Feed ist (siehe Abbildung 4.6).Gleichung 4.16 kann auch uber die Volu-menanteile berechnet werden.

Eine detaillierte Betrachtung erfolgt aus der Bilanzierung. Nach Abbildung 4.6 ergibt dieBilanz uber die n-te Stufe:

mR wn−1C,R + mS wC,S = mR w

nC,R + mE w

nC,E (4.17)

Mit der Bedingung des reinen Losungsmittel und uber die Definition des Verteilungsko-effizienten N = wn

C,E/wnC,R (siehe analoge Gleichung 4.9 und 4.8) ergibt sich:

mR wn−1C,R = mR w

nC,R +N mE w

nC,R (4.18)

wn−1C,R = wnC,R +NmE

mR

wnC,R (4.19)

mit der Definition des Extraktionskoeffizienten ε = N mE/mR ergibt sich:

wn−1C,R = wnC,R + εwnC,R = (1 + ε) wnC,R (4.20)

Eine analoge Bilanzierung der (n-1)-ten Stufe ergibt:

wn−2C,R =(1 + ε+ ε2

)wnC,R (4.21)


Diese Bilanzierung kann fur jede Stufe durchgefuhrt werden und daraus eine Abhangigkeitder Massenfraktion des Wertstoffes im Raffinat vom Extraktionskoeffizienten erhaltenwerden. Somit ergibt sich analog fur die erste Stufe:

w0C,R =

(1 + ε+ ε2 + · · ·+ εn−1 + εn

)wnC,R (4.22)

Daraus ergibt sich uber eine Reihenentwicklung Gleichung 4.16:

w0C,R

wnC,R=

εn+1 − 1

ε− 1

Durch umformen kann daraus die theoretische Trennstufenzahl n bestimmt werden:

n =

ln

(w0C,R

wnC,R(ε− 1) + 1

)ln(ε)

− 1 (4.23)

Kann die Anderung der stromenden Raffinat- und Extraktionsmittelmengen aufgrunddes Ubergangs des Wertstoffes nicht vernachlassigt werden, so kann, unter verbleibenderVoraussetzung der gegenseitigen Unloslichkeit von Raffinat und Extraktionsmittel, mitBeladungen gerechnet werden. wE,E und wR,R konnen uber die Beziehung wa,i = 1−wb,igewonnen werden. Auf der Basis der Beladungen kann ein modifizierter VerteilungsfaktorN′

definiert werden:

N′

=Y

X=

wC,EwC,R

wR,RwE,E

= NwR,RwE,E

(4.24)

Ebenso kann ein modifizierter Extraktionskoeffizient ε′

definiert werden:

ε′

=wE,EwR,R

mE

mR

N′

=mE

mR

N (4.25)

und es gilt analog zu Gleichung 4.16:

X0

Xn

=ε′n+1 − 1

ε′ − 1(4.26)

Auch aus dieser Gleichung kann durch Auflosen nach n die Trennstufenzahl berechnetwerden.

Haufig findet sich auch eine Definition der Beladungen uber Stoffmengenverhaltnisse,selten uber Volumenverhaltnisse.


4.5.2 Methode nach Hunter und Nash (Polstrahlverfahren)

Bei nicht konstantem Verteilungsfaktor und Anderungen in den einzelnen Stoffmengen-stromen kann die Hunter-Nash-Methode verwendet werden.Wieder wird zur Losung mit einem Dreiecksdiagramm gearbeitet (Abbildung 4.9). NachKonstruktion des Arbeitspunktes P (siehe Kapitel 4.3) lasst sich uber die wechselseitigeZeichnung von Konnoden und Polstrahlgeraden die Zahl der theoretischen Trennstufen,die gleich der Zahl der zur Konstruktion benotigten Konnoden ist, ermitteln. Es ist an-zumerken, dass die Lage des Poles nur durch das zu trennende System vorgegeben ist.Es ist somit moglich, dass er links, rechts oder sogar innerhalb des Dreiecksdiagrammesliegt.

Abbildung 4.9: Auswertung im Dreiecksdiagramm mit Hilfe des Polstrahlverfahrens. (Ri:Raffinatstrom in Trennstufe i, Eo: Eingangsstrom des Solvens in der erstenStufe).

Der Extrakt der Stufe 1 steht im Gleichgewicht mit der Raffinatphase R1. Die Zusam-mensetzung dieser Phase ergibt sich uber die Konnode. Die Zusammensetzung der Ex-traktphase E2 der zweiten Stufe ergibt sich uber die Polgerade durch den Punkt R1. DieKonzentration R2 erhalt man dann wieder uber die Konnode. Die Vorgehensweise unddie benotigten Geraden sind in Abbildung 4.9 dargestellt. Aus dieser Abbildung ist zuerkennen, daß vier Gleichgewichtstrennstufen zur Losung des Trennproblems ausreichen.

4.5.3 McCabe-Thiele-Verfahren

In Analogie zur Rektifikation kann auch bei der Extraktion zur Berechnung der theoreti-schen Trennstufen das McCabe-Thiele-Verfahren dienen. Bei dieser Berechnungsmethodewird vorausgesetzt, dass der Verteilungsfaktor N und die stromenden Mengen von Raffi-nat und Extraktionsmittel uber die Kolonne konstant sind. Letzteres fließt dem Extraktor


als Reinstoff zu.Die allgemeinen Vorgange sind in Abbildung 4.10 gezeigt. Bei den weiteren Ausfuhrungenwerden die Beziehungen nur fur einen gelosten Stoff hergeleitet. Die Beladungen ergebensich zu

X =mC,R

mR,R

(4.27)

Y =mC,E

mE,E

(4.28)

(4.29)

Die Massenbilanz lautet:

mF + mS = mR + mE (4.30)

Aus Abbildung 4.10 ergibt sich:

(X −X0)mR = (Y − Y 0)mE (4.31)

Durch Umformen kann die Bilanzgerade erhalten halten:

Y =mR

mE

X + Y0 −mR

mE

X0 (4.32)

Da die Strome konstant sind und primares und sekundares Losemittel nicht miteinandermischbar sind gilt:

Bilanzgerade Y =mF

mS

(X −X0) + Y0 (4.33)

Man definiert das Losemittelverhaltnis ν:

ν =mF

mS

(4.34)


Abbildung 4.10: Allgemeine Beziehungen in einer Extraktionskolonne.

Bei vollstandiger Unmischbarkeit der beiden Phasen gilt ν = const. Ist auch dasVerhaltnis mR/mE = const, so ergibt sich aus der Bilanzgleichung eine Arbeitsgerademit der Steigung mR/mE. Wie bei der Rektifikation laßt sich durch eine Stufenkonstruk-tion im McCabe-Thiele-Diagramm die Anzahl der theoretischen Trennstufen ermitteln(Abbildung 4.11). Dies erfolgt ganz analog der Konstruktion nach McCabe-Thiele beider Rektifikation. Diagramm Zur Veranschaulichung dient eine graphische Darstellungdes Extraktionsprozesses in einer Gegenstromkolonne mit n theoretischen Boden. DieGraphik enthalt die Nernst-Beziehung als Gleichgewichtsgerade und die vom Losungs-mittelverhaltnis abhangige Bilanzgerade.

Die minimale Menge des Extraktionsmittels ergibt sich fur eine unendliche theoretischeStufenzahl. Aus der Bedingung, daß dann die Arbeitsgerade die Gleichgewichtslinie imPunkt y0, x0 schneidet, wird vmin erhalten. Bei eingestelltem Mindestlosungsverhaltniswurden unendlich viele theoretische Boden fur das Trennproblem erforderlich sein, wasnur bei unendlich langer Austauschzeit erreicht werden konnte. Um die Extraktion wirt-schaftlich zu gestalten, muss v > vmin sein. Da Austauschstufen kostenaufwendig sind,versucht man in der Praxis, mit wenigen Boden (maximal 10) auszukommen.

Abbildung 4.11: Ermittlung der Zahl der theoretischen Trennstufen bei der Gegenstrom-extraktion bei hoher Verdunnung (a) und Gleichgewichtsdiagramme beimMindestlosungsmittelverhaltnis νmin (b).


Bei konzentrierten Losungen von P und einer begrenzten Mischbarkeit der Losemittel sindzusatzliche Angaben zum Verteilungsgleichgewicht erforderlich. Zur Beurteilung einesExtraktionsprozesses dient die Ausbeute A des Wertstoffes C:

A =Masse von C /Zeit im abstromenden Aufnehmer E

Masse von C /Zeit im zustromenden Abgeber R=

mC,E

mC,R

. (4.35)

Die Berechnung (die in diesem Skript nicht behandelt wird) zeigt, daß die Ausbeute vondem Wert der Verteilungskonstanten N und dem Verhaltnis nE/nR als Produkt

ε = NmE

mR

(4.36)

abhangt. Bei einer einfachen Extraktion (ein theoretischer Boden) betragt die Ausbeute

A1 =ε

ε+ 1. (4.37)

Fur eine Gegenstromkolonne mit n theoretischen Boden erhalt man

An = ε

(εn − 1

εn+1 − 1

)(4.38)

4.5.4 HTU-NTU-Konzept

Eine weitere Moglichkeit zur Bestimmung der Trennstufenzahl bietet das NTU-Konzept(Number of Theoretical Units). Wahrend das Konzept der idealen Trennstufe in ersterLinie fur Bodenkolonnen angewendet wird, bietet sich im Falle des kontinuierlichen Stof-faustausches, wie er in Fullkorperkolonnen stattfindet, das Konzept der Ubertragungs-einheit an. Die Grundlage fur dieses Verfahren liefert das Zweifilmmodell von Lewis undWhitman (Abbildung 4.12) und die differentielle Betrachtung des Stoffubergangs Abbil-dung 4.13). Es wird davon ausgegangen, dass an keiner Stelle der Extraktionskolonneeine Gleichgewichtseinstellung erfolgt. Zur Beschreibung der Leistungsfahigkeit des Ex-traktors werden die Phasenubergangsflache und der Stoffubergangskoeffizient verwendet(Abbildung 4.12).


Abbildung 4.12: Zweifilmmodell nach Lewisund Whitman (δ =Grenzfilmdicken, ∗ kenn-zeichnet Gleichgewichts-zustande).

Abbildung 4.13: Schema des differentiellenStoffubergangs.

Der Stoffaustausch zwischen Extrakt- und Raffinatphase wird durch die Diffusion desWertstoffes durch die Phasengrenze beschrieben. Der Quotient aus Diffusionskoeffizientund Grenzfilmdicke wird Stoffubergangskoeffizient genannt (kL = D/δ). Im hier beschrie-benen Ansatz wird davon ausgegangen, dass auf der Raffinatseite kein Stoffubergangswi-derstand vorliegt. Dies bedeutet, dass δX = 0 und X = Xgl ist. Fur den Stoffubergangauf der Seite der Extraktphase gilt dann:

dnC,E = mE dY = kLaAdh(YC,E − Y gl

C,E

)(4.39)

oder anders ausgedruckt ist der Stoffubergang auf der Seite der Extraktphase zum einengleich der Stoffmenge, die aus der differentiellen Anderung der Beladung auf der Extrakt-seite und den angelegten Massenstrom resultiert und zum anderen kann der Stoffuber-gang als Ubergang innerhalb eines Volumenelements (dhA korrigiert mit der spezifischenPhasenaustauschflache a)) von der Phasengrenzflache (fiktives Gleichgewicht Y gl

C,E) in dieExtraktphase (YC,E) verstanden werden. Die treibende Kraft ist dann durch kL gegeben,in dem der Diffusionskoeffizient steht.

dh =mE

kLaA

dY(YC,E − Y gl

C,E

) (4.40)

und nach Integration∫ H

0

dh = H =mE

kLaA

∫ Y glC,E

Y 0C,E

1

(YC,E − Y glC,E)

dY = HTU ·NTU (4.41)


Die Werte fur (Y gl − Y ) ergeben sich aus dem Beladungsdiagramm. Hierbei liegt Yauf der Arbeitslinie und Y gl auf der Gleichgewichtslinie. Durch Auftragung von 1/Y gl−Y

gegen Y kann NTU durch graphische Integration bestimmt werden (siehe Abbildung4.14). Aus NTU kann nach Gleichung 4.41 leicht das Produkt kl a gewonnen werden.Dies ist ein Maß fur die Gute des Stoffubergangs. Das Produkt beinhaltet nicht nur denDiffusionskoeffizienten, sondern auch die spezifische Austauschflache und besitzt dadurcheine hohe, mit anderen Experimenten vergleichbare Aussagekraft.

Abbildung 4.14: Ermittlung der Zahl der theoretischen Trennstufen mit dem HTU-NTU-Verfahren.

5 Versuchsaufbau und -durchfuhrung

5.1 Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 5.1 dargestellt. Das zur Extraktion notwendige en-tionisierte Wasser befindet sich in einem Vorratsbehalter (A). Dieses wird mit einer Tauch-pumpe gefordert und uber einen Stromungsmesser (2) zudosiert. Die Konzentration derHexansaure im abfließenden Wasser wird maßanalytisch und kontinuierlich durch Mes-sung der elektrischen Leitfahigkeit bestimmt. Das zur Extraktion verwendete dunnflussigeParaffin ist mit Oracetblau 2R zur besseren Unterscheidung vom Wasser eingefarbt undbefindet sich im unteren Tank (B), der mit einer Offnung zum Einfullen der Hexansaureversehen ist. Das Paraffin wird mittels einer Dosierpumpe (12) uber einen Stromungsmes-ser (3) in die Apparatur eingespeist. Die Pumpe wird mit Schalter 10 An/Aus geschaltet.Das ablaufende Paraffin sammelt sich im oberen Tank (C). Die Gehaltsbestimmung desExtraktes erfolgt maßanalytisch. Um den pulsierenden Olstrom, den die Kolbenpum-pe erzeugt, zu glatten, ist der Pumpe ein Druckausgleichsgefaß nachgeschaltet vor demEinlassventil der Pumpe befindet sich ein Wasserabscheider mit Ablasshahn (11) undein Drahtsieb, um Verunreinigungen zuruckzuhalten. Die Fordermenge des Paraffin lasstsich an dem dafur vorgesehenen Rotameter variieren. Die Leistung der Pumpe (schwarzesHandrad) und die Einstellung an den Ruckschlagventilen (5a, 5b) durfen nicht variiertwerden! Um die Fullhohe in den Extraktoren konstant zu halten, ist ein elektrisch be-wegter Uberlauf eingebaut. Dieser verhindert, dass die Kolonnen von selbst leer laufenkonnen. Der Motor hierfur wird mit 4 eingeschaltet und die Auf/Abwartsbewegung mit8/9 geregelt. Die oberen Magnetventile (Wasser) werden mit Schalterreihe 6 bedient, dieunteren (Paraffin) mit Schalterreihe 7.Insgesamt konnen drei unterschiedlich gefullte Kolonnen untersucht werden. Kolonne 1 istmit einem engmaschigen Drahtsieb gefullt. Kolonne 2 und 3 sind mit RASCHIG-Ringengefullt, wobei Kolonne 2 komplett und Kolonne 3 nur teilweise auf mehreren Boden gefulltist.

23

5Versu

chsau

fbau

und-durch

fuhrung

24

Abbildung 5.1: Bild der Extraktionsanlage

5 Versuchsaufbau und -durchfuhrung 25

5.2 Arbeitsanleitung

Vorbereitung der Messungen

Der Gehalt des Paraffins an Hexansaure im Tank (2) ist durch Titration mit 0,1 M NaOHzu bestimmen. Der Hexansauregehalt im Ol wird auf den gewunschten Wert eingestellt(Vorgabe am Versuchstag). Gegebenenfalls ist die entsprechende Menge Hexansaure unterRuhren einzutragen.

Die Extraktoren werden durch Offnen der jeweiligen Magnetventile, je nachdem, welcherExtraktor betrieben werden soll, zur Halfte mit Wasser gefullt. Hierzu muss die Tauch-pumpe eingeschaltet werden. Die Zuspeisung des Paraffins erfolgt von unten her durchOffnen eines der Magnetventile und Einschalten der Dosierpumpe. Die Regulierung desVolumenstroms fur das Wasser ist uber ein Ventil moglich; er kann am Stromungsmesserabgelesen werden. Der Volumenstrom des Paraffins ist ebenfalls nur uber den Schwe-bekorperdurchflussmesser zu variieren, auf keinen Fall direkt an der Pumpe oder uberdie Durchflusse der beiden Ruckschlagventile. Die Trennschicht Wasser-Paraffin muss im-mer auf gleicher Hohe gehalten werden, dazu werden auch die Volumenstrome konstantgehalten1. Im Regelfall wird ein Phasenverhaltnis von 1:1 eingestellt. Dies entspricht ei-ner Phasengrenze innerhalb der blauen Markierungen an den Kolonnen. (Anmerkung: Inder Praxis mussen die Volumenstrome nachgeregelt werden, um ein konstantes Phasen-verhaltnis zu gewahrleisten) Die genauen Volumenstrome werden am Versuchstag bekanntgegeben (ca. 10–30 l h−1 Wasser und 1–10 l h−1 Paraffin).

Bestimmung der Gleichgewichtskurve fur dasMcCabe-Thiele-Verfahren

Zur Bestimmung der Gleichgewichtskurve im McCabe Thiele Diagramm werden die amVersuchstag vorgegeben Mischungen jeweils 5 min im Scheidetrichter geschuttelt unddie Beladungen an Saure in Paraffin und Wasser nach der Koaleszenz maßanalytischbestimmt.

1Es ist nicht zwingend notwendig, dass die Volumenstrome der beiden Phasen identisch sind. Wichtigist, dass die beiden Strome uber die Versuchsdauer reproduzierbar konstant bleiben und die Phasen-grenzflache immer auf gleicher Hohe bleibt.

5 Versuchsaufbau und -durchfuhrung 26

Tabelle 5.1: Gleichgewichtszusammensetzung von Raffinat- und Extraktphase

Zusammensetzung [g] Verbrauch X im Raffinat Y im ExtraktParaffin/Wasser/Saure 0.1 M NaOH [ml]

50/50/150/50/550/50/1050/50/1550/50/2050/50/2550/50/30

Durchfuhrung der Messung

Fur den Extraktor, der zur Messung vorgesehen ist, werden die vorgegebenen Arbeitsbe-dingungen eingestellt (Volumenstrome fur Extrakt- und Raffinatphase).

Nach Einstellung stationarer Bedingungen (Uberprufung durch Leitfahigkeitsmessung)wird eine fest definierte Menge Extrakt und Raffinat entnommen und der Hexansaurege-halt maßanalytisch bestimmt. Die Titrationen liefern die Werte fur die Endbeladungen.Es sind Doppelbestimmungen durchzufuhren.

Die Maßanalysen werden mit dem bereitstehenden Autotitrator (Schott, Titroline Alpha)durchgefuhrt. Eine Einweisung in das Gerat findet am Versuchstag statt und ist nichtBestandteil dieser Betriebsanweisung. Es ist unbedingt darauf zu achten den Autotitratorvor der erstmaligen Benutzung zu kalibrieren. Hierfur werden Pufferlosungen mit pH 4.0und pH 7.0 bereitgestellt.

Wahrend auf die Gleichgewichtseinstellung des Systemes gewartet wird, ist das Auswer-tungssheet unter Excel oder die Auswertung der bisherigen Versuche per Hand vorzuneh-men. Allerdings ist von einer Auswertung per Hand dringend abzuraten, da sich leichtRechenfehler oder systematische Fehler einschleichen, die in Excel einfach korrigiert wer-den konnen, aber bei Rechnung per Hand einer aufwendigen Korrektur bedurfen.

Nach Beendigung aller Messungen ist die Wasser- und Oldosierung zu unterbrechen unddie Gerate vom Netz zu trennen.

Alle verwendeten Glasgerate sind sorgfaltig zu spulen, eventuelle Oltropfen an der Anlagesind zu beseitigen.

6 Hinweise zum Arbeitsschutz

Beim Umgang mit Hexansaure sind die R-Satze und S-Satze zu beachten! Diese sinddem ausliegenden Sicherheitsdatenblatt zu entnehmen. Weiterhin ist die Kenntnis dieserBetriebsanweisung erforderlich.

Vermeiden Sie Hautkontakt

Die Hexansaure ist nicht nur atzend, sie besitzt auch einen unangenehmen, lange anhaf-tenden Geruch. Das Paraffin ist ein Ol und kann nur mit entsprechenden Reinigungsmit-teln (”Spuli”) entfernt werden. Es ist unbedingt zu vermeiden, dass mit verolten Schutz-handschuhen andere Gerate angefasst werden. Eventuelle Tropfmengen des Ols am Bodensind sofort aufzunehmen und die betroffene Stelle grundlich zu reinigen (Rutschgefahr).

Die Sicherheitsdatenblatter fur:

• Paraffin (dunnflussig),

• Hexansaure,

• Natronlauge (0.1 M),

• Pufferlosung pH 4,0,

• Pufferlosung pH 7,0,

• Oracetblau 2R und

• Phenolphtalein

liegen diesem Dokument als Anhang bei.

Das Essen und Trinken ist in dem Labor nicht gestattet. Das bedeutet auch, dass kei-ne Flaschen, Joghurts, Brotchen oder ahnliches offen oder geschlossen im Labor stehendurfen. Nahrungsmittel sind am besten außerhalb des Labors aufzubewahren oder we-nigstens innerhalb der Tasche. Außerdem sollte es selbstverstandlich sein (eventuell) kon-taminierte Schutzkleidung (Kittel, Handschuhe) auszuziehen.

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7 Hinweise zur Auswertung und zurDiskussion

Alle benotigten Daten liegen am Arbeitsplatz aus und sind auf der ausgehandigten CDbeigefugt.

1. Bestimmen Sie fur Ihre Messwerte (nach Einstellung stationarer Betriebszustande)die Trennstufenzahl nach folgenden Verfahren und diskutieren Sie diese verglei-chend:

• Extraktionskoeffizienten

• McCabe-Thiele Verfahren

• HTU-NTU

Tip: Xaus und Yaus sind aus der Maßanalyse nach der Einstellung des Gleichgewichts

zu bestimmen. Yein ist Null, da reines, unbeladenes Wasser als Losemittel genutzt wird.

Xein wird vor Versuchsbeginn maßanalytisch bestimmt und stellt die Beladung im Par-

affinvorratsgefaß dar. Die Eingangsbeladungen werden uber die Versuchsdauer konstant

gehalten.

2. Diskutieren Sie vergleichend die Trennleistung der verschiedenen Kolonnen, insbe-sondere den Einfluss des Volumenstroms. Warum wird bei deutlich unterschiedli-chen Volumenstromen der Phasen ein konstantes Phasenverhaltnis erreicht?

3. Wie kann allgemein die Trennleistung einer kontinuierlichen Gegenstromextraktiongesteigert werden? Machen Sie konkrete Vorschlage zur Umsetzung dieser theoreti-schen Moglichkeiten an der bestehenden Apparatur.

4. Schatzen sie aus dem HTU-NTU Verfahren das Produkt kLa ab.

5. Warum ist die Hunter-Nash-Methode nicht auf das hier behandelte ternare Systemanwendbar? Welche weiteren Eigenschaften eines ternaren Gemisches wurden denEinsatz des Polstrahlverfahren scheitern lassen?

28

8 Rechenaufgabe

In der folgenden Rechenaufgabe soll das Hunter-Nash- Verfahren vertieft werden:

a) Stellen Sie fur die Konnodenzusammensetzungen aus Tabelle 8.1 ein ternaresPhasendiagramm fur ein Wasser/Aceton Gemisch auf, in dem das Acetondurch Chlorbenzol extrahiert wird.

Tabelle 8.1: Massenbezogene Gleichgewichstzusammensetzungen des ternariesGemisches Wasser-Aceton-Chlorbenzol.

wassrige Phase organische PhaseWasser Aceton Chlorbenzol Wasser Aceton Chlorbenzol

99,89 0,00 0,11 0,18 0,00 99,8289,79 10,00 0,21 0,49 10,79 88,7279,69 20,00 0,31 0,79 22,23 76,9869,42 30,00 0,58 1,72 37,48 60,8058,64 40,00 1,36 3,05 49,44 47,5146,28 50,00 3,72 7,24 59,19 33,5727,41 60,00 12,59 22,85 61,07 16,0825,66 60,58 13,76 25,66 60,58 13,76

Tip: Die Daten aus der Tabelle in Origin kopieren und als ternares System zeichnen.

Dies wird am Praktikumstag erlautert.

b) Aceton wird aus einer 50-gew.%igen wassrigen Losung mit Hilfe von Chlorben-zol extrahiert. Der Ruckstand darf nicht mehr als 2 gew.% Aceton enthalten.Die Extraktion wird in einer Stufe durchgefuhrt und es sollen 100 kg An-fangsgemisch aufgearbeitet werden. Bestimmen sie die Losemittelmenge,Raffinatmenge und die Zusammensetzung des Extraktes nach der Abtrennungdes Losemittels.

c) Fur die Bedingungen aus Teil b sind die Zusammensetzung und Menge derProdukte und daruber hinaus die Stufenzahl der Extraktion nach dem Hunter-Nash-Verfahren zu bestimmen, wenn diese kontinuierlich im Gegenstrom be-trieben wird und die beiden Volumenstrome gleich groß sind.

29

9 Erstellen des Theorieteils

Der Gesamtumfang des Theorieteils sollte 3 Seiten nicht uberschreiten. Die untenstehen-den Fragen sollen kurz in einem fortlaufenden Text beantwortet werden. Außerdem sollkurz ein Entwurf fur einen Auswertungsplan skizziert werden, der ausgehend von derLeitfahigkeit der wassrigen und der maßanalytischen Bestimmung der Paraffinphase dieTrennstufen nach den im Theorieteil des Skriptes besprochenen Verfahren bestimmt.Es ist ausreichend einen Theorieteil pro Gruppe zum Antestat mitzubringen. Trotzdemmussen alle aus der Gruppe mit diesem Theorieteil vertraut sein.

• Was ist das Prinzip einer Extraktion?

• Definieren Sie die gebrauchliche Terminologie fur die an der Extraktion beteiligtenPhasen.

• In welchen Fallen eignet sich die Extraktion besonders zur Trennung von Stoffge-mischen und in welchen Fallen ist sie ungeeignet?

• Was wird durch den Nernst’schen Verteilungssatz beschrieben?

• In welchen Fallen ist die Anwendung des Nernst’schen Verteilungssatzes nicht aus-reichend und welches Darstellungsverfahren wird fur das Stoffgemisch in solchenFallen gewahlt?

• Welche Informationen konnen aus einem Dreiecksdiagramm gewonnen werden?

• Was wird unter einer theoretischen Trennstufe verstanden?

• Welche Methoden zur Bestimmung der Trennstufenzahl sind Ihnen bekannt undwelche Voraussetzungen gelten jeweils?

• Was sind Beladungen?

Zusatzlich sollten Sie sich Gedanken zu folgenden Punkten machen, die im Antestatdiskutiert werden. Das bedeutet, dass keine vollstandige oder gar richtige Losung verlangtwird. Sie sollen sich ”nur” mit dem Thema beschaftigen.

• Was ist eine Trubungstitration und warum wird Sie in diesem Versuch nicht ange-wandt?

• Fur alle Verfahren zur Bestimmung der Trennstufe sollten Sie wissen, welche Großenbekannt sind, welche gemessen werden und welche berechnet werden mussen.

• Lesen Sie sich die Rechenaufgabe durch.

• Konstruieren Sie fur jedes Verfahren zur Bestimmung der Trennleistung eine (rea-listische) Situationen in der es versagt, also nicht sinnvoll anwendbar ist.

• Bereiten Sie ein beliebiges industrielles Extraktionsverfahren vor, so dass sie einekurze Skizze, die beteiligten Komponenten und eine kurze Erklarung der Besonder-heiten geben konnen (Literaturrecherche).

30


Ein Auswertungsplan sollte jede Berechnung enthalten um von den Messwerten zu dengewunschten theoretischen Trennstufen nach den einzelnen Verfahren zu gelangen. Hier-bei ist es sinnvoll nicht eine einzige riesige Formel aufzubauen, sondern sich logischeZwischenschritte zu uberlegen (Fehlersuche). Es wird nicht verlangt, dass dieser Auswer-tungsplan fehlerlos oder vollstandig sein muss, aber es muss erkennbar sein, dass sich mitdem Thema Auswertung auseinandergesetzt wurde.Ein moglicher, unverbindlicher Aufbau ist im Folgenden skizziert:

• Messwerte

• Berechnung der Gewichts- und Volumenprozente aus den Titrationsergebnissen

• Bestimmung der Gewichts- und Volumenprozente aus den Leitfahigkeitsmessungen

• Berechnung der theoretischen Trennstufenzahl nach Nernst

– Verteilungskoeffizient

– Extraktionskoeffizient

– theoretische Trennstufenzahl

• Berechnung der theoretischen Trennstufenzahl nach McCabe-Thiele

– Gleichgewichtskurve

– Bilanzgerade

– Treppenzug und theoretische Trennstufenzahl

• Berechnung der theoretischen Trennstufenzahl HTU-NTU

– Y ∗

– Graphische Bestimmung von NTU

– Bestimmung von HTU und kL a

Anhang

Kalibrierung des Schwebekorperdurchflussmessers (Rotameter) der Feed-Phase.

Kalibrierung der Leitfahigkeitsmesszelle zur kontinuierlichen Bestimmung der Hexansaurekon-zentration in der wassrigen Phase.

32


Abbildung 9.1: Dreiecksdiagramm.

F3 - Extraktion von Hexansäure aus dünnflüssigen Paraffin mit Wasser

Versuchsanlage F3

Flüssig-Flüssig-Extraktion

Raum NBCF-05-487

Maßnahmen bei Notfällen • Die mit einem roten X gekennzeichneten Stecker ziehen (links

und rechts neben der Anlage auf Kopfhöhe)!

• Tür nach außen zur Belüftung öffnen!

• Personen in den angrenzenden Räumen warnen!

• Betreuer benachrichtigen!

Bei allen Arbeiten sind Kittel und Schutzbrille zu tragen!

Verschüttetes Paraffin ist SOFORT zu beseitigen (Rutschgefahr)

Betreuer:

M.Sc. Ahmed Becerikli Raum: NBCF 04 / 684, Tel.: 24534

Betreuer: Hendrik Düdder Raum: NBCF 04 / 693, Tel.: 25012

Arbeitsplatz: Technische Chemie Praktikum NBCF05/487

Stoffbezogene

BETRIEBSANWEISUNG

Datum:

4.4.2013

Natronlauge c=1 mol/l NaOH (Staub): AGW: 2 mg/m

3

Gefahren H314,

H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

Allgemeine Gefahren: Reagiert heftig und exotherm mit Säuren, sowie unter starker Hitzeentwicklung beim Verdünnen mit Wasser.

Gesundheitsgefahren: Wirkt stark ätzend! Die Auswirkungen sind schwerwiegender als bei Säuren. Basen wirken gefäßerweiternd und dringen tief zerstörend in das Gewebe ein. Verätzungen mit Basen niemals mit Säuren neutralisieren.

Gefahr!

Schutzmaßnahmen P280, 301+330+331, 305+351+338

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen.

P301 + P330 + P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen.

P305 + P351 + P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

Technische Maßnahmen: Zur Herstellung hochprozentiger NaOH Eiswasser verwenden.

Organisatorische Maßnahmen: Staub/Aerosole von Basen nicht einatmen. Basen nicht mit Säuren zusammen lagern.

Persönliche Schutzausrüstung: Geeigneter Handschuh: bei gezielter Exposition Neopren/Latex, als kurzzeitiger Spritzschutz Nitril.

Verhalten im Gefahrenfall

Verschüttete Basen bzw. Laugen mit Chemikalienbinder aufnehmen.

Erste Hilfe Notruf 23333

Hautkontakt: Min. 15 min mit Wasser spülen

Augenkontakt: Min. 15 min mit Wasser bei gut geöffnetem Lidspalt spülen, Augenarzt!

Verschlucken: Sofort und reichlich Wasser trinken lassen.

Hinweise für Betriebssanitäter und Arzt: Frühestmöglich bei Augenkontakt Chibro-Kerakain Tropfen; bei Inhalation Auxiloson-Spray benutzen. Beim Verschlucken Wasser mit Aktiv-Kohle Zusatz trinken lassen.

Sachgerechte Entsorgung

Kleinstmengen neutralisieren. Größere Laugenmengen verdünnen und in blauen 20 Liter-Kunstoffkanister, Abfallschlüssel 060205 entsorgen. Aufsaugmassen und benetzte Kleidung in blauen 30l Metallfass, Abfallschlüssel 150202 entsorgen. Standort: NBCF04/669

( Unterschrift )

Arbeitsplatz: Lehrstuhl für Technische Chemie

Stoffgruppenbezogene

BETRIEBSANWEISUNG

21.03.2011

Organische Säuren

Ameisensäure: AGW: 9,5 mg/m3

Propionsäure: AGW: 31 mg/m3

Oxalsäure: AGW: 1- mg/m3

Essigsäure: AGW: 25 mg/m3

Maleinsäure: AGW: 10 mg/m3

Hexansäure: AGW: -

Starker Eigengeruch bei Hexansäure!

Gefahren Ameisensäure: H 226, H 314, Propionsäure: H 314,Hexansäure: H 314, H

302, H 311, Oxalsäure: H 302, H 312, Essigsäure: H 314, H 226, Maleinsäure: H 302, H 315, H 319, H 335, H 317

Allgemeine Gefahren: Die meisten organischen Säuren sind brennbar. Alle Säuren

dringen sofort tief in die Haut ein. Ameisensäure ist instabil und spaltet mit der Zeit CO ab (Explosionsgefahr durch Überdruck).

Gesundheitsgefahren: Aufnahmeweg überwiegend durch Haut, Schleimhäute und

Atemwege. Alle Säuren wirken mehr oder weniger stark ätzend auf die Haut und Schleimhäute.

Gefahr!

Schutzmaßnahmen

Ameisensäure: P 260, P280, P301+330+331 Essigsäure: P 305+351+338

Hexansäure: P 280, P 301+330+331, P 302+352, P305+351+338

Propionsäure:P280, P301+330+331, P 305+351+338 Oxalsäure: P 262, P 302+352

Maleinsäure: P 280, P 302+350, P 305+351+338

Technische Maßnahmen: Dampf/Aerosol nicht einatmen, ggf. im Abzug arbeiten.

Berührung mit der Haut insbesondere mit den Augen vermeiden.

Organisatorische Maßnahmen: Säuren dürfen nicht zusammen mit Basen gelagert

und am Arbeitsplatz über Kopfhöhe abgestellt werden! Ameisensäure darf nur in dunklen Flaschen mit Druckentlastung aufbewahrt werden.

Persönliche Schutzausrüstung: Schutzbrille oder Vollgesichtsschutz, Neopren-

Schutzhandschuhe, bei Ameisensäure sowie Propionsäure PVC-Schutzhandschuhe, als Spritzschutz auch Nitril-Schutzhandschuhe, und beim Umgang mit größeren Mengen Gummischürze tragen.

.

Verhalten im Gefahrenfall Verschüttete Säuren mit Chemikalienbinder aufnehmen.

Erste Hilfe Notruf 23333 Hautkontakt: Min. 15 min mit Wasser spülen. Kontaminierte Kleidung sofort entfernen. Arzt

hinzu ziehen. Augenkontakt: Min. 15 min mit Wasser bei gut geöffnetem Lidspalt spülen, Augenarzt!

Einatmen: Für Frischluftzufuhr sorgen. Sofort Arzt hinzu ziehen.

Verschlucken: Wasser trinken lassen (max. 2 Trinkgläser), Erbrechen vermeiden!

(Perforationsgefahr) .Sofort Arzt hinzu ziehen.

Sachgerechte Entsorgung Raum NBCF 669 Organische Säurereste vorsichtig verdünnen und in 20l Kunststoffkanister, Abfallschlüssel 060106 entsorgen. Aufsaugmassen und benetzte Kleidung in blauen 30l Metallfass, Abfallschlüssel 150202 entsorgen.

( Unterschrift )

Arbeitsplatz: Lehrstuhl für Technische Chemie


BETRIEBSANWEISUNG

21.03.2011

Hexansäure C6H12O2, Cas.-nummer: 142-62-1

Molare Masse: 116,16 g/mol

Smp. : -3 °C

Farbe: farblos

Geruch: übel riechender Eigengeruch

pH-Wert:4(1g/l, H2O, 20°C)

Dichte:0,93g/cm3 (20°C)

Wasserlöslichkeit: 9,7g/l (20°C)

AGW-Wert: bis jetzt nicht festgelegt!

Gefahren H 314, H 302, H 311 H302:Gesundheitsschädlich bei Verschlucken

H311:Giftig bei Hautkontakt

H314:Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden

Allgemeine Gefahren: Die meisten organischen Säuren sind brennbar. Alle Säuren

dringen sofort tief in die Haut ein.

Gesundheitsgefahren: Aufnahmeweg überwiegend durch Haut, Schleimhäute und

Atemwege. Alle Säuren wirken mehr oder weniger stark ätzend auf die Haut und Schleimhäute.

Gefahr

Schutzmaßnahmen P 280, P 301+330+331, P 302

+352, P305+351+338 Technische Maßnahmen: Dampf/Aerosol nicht einatmen, ggf. im Abzug arbeiten.

Berührung mit der Haut insbesondere mit den Augen vermeiden.

Organisatorische Maßnahmen: Säuren dürfen nicht zusammen mit Basen gelagert

und am Arbeitsplatz über Kopfhöhe abgestellt werden! Ameisensäure darf nur in dunklen Flaschen mit Druckentlastung aufbewahrt werden.

Persönliche Schutzausrüstung: Schutzbrille oder Vollgesichtsschutz, Neopren-

Schutzhandschuhe, bei Ameisensäure sowie Propionsäure PVC-Schutzhandschuhe, als Spritzschutz auch Nitril-Schutzhandschuhe, und beim Umgang mit größeren Mengen Gummischürze tragen.

.

Verhalten im Gefahrenfall Verschüttete Säuren mit Chemikalienbinder aufnehmen.

Erste Hilfe Notruf 23333 Hautkontakt: Min. 15 min mit Wasser spülen. Mit Polyethylenglycol 400 abtupfen.

Kontaminierte Kleidung sofort entfernen. Arzt hinzu ziehen. Augenkontakt: Min. 15 min mit Wasser bei gut geöffnetem Lidspalt spülen, Augenarzt!

Einatmen: Für Frischluftzufuhr sorgen. Sofort Arzt hinzu ziehen.

Verschlucken: Wasser trinken lassen (max. 2 Trinkgläser), Erbrechen vermeiden

(Perforationsgefahr) .Sofort Arzt hinzu ziehen.

Sachgerechte Entsorgung Raum NBCF 669 Organische Säurereste vorsichtig verdünnen und in 20l Kunststoffkanister, Abfallschlüssel 060106 entsorgen. Aufsaugmassen und benetzte Kleidung in blauen 30l Metallfass, Abfallschlüssel 150202 entsorgen.

( Unterschrift )

Arbeitsplatz: Technische Chemie Praktikum NBCF05/487

Stoffbezogene

BETRIEBSANWEISUNG

Datum:

4.4.2013

Oracetblau 2R, 1-Amino-4-anilinoanthrachinon CAS-Nr.: 4395-65-7

Indikator zur Titration in nichtwässrigen Lösungsmitteln

M: 314,34 g/mol Farbe: blauviolett

Smp.: 194°C Löslichkeit in Wasser: unlöslich

Gefahren Kein gefährliches Produkt im Sinne der Richtlinie 67/548/EWG.

Schutzmaßnahmen

Personenbezogene Schutzmaßnahmen: Staubentwicklung vermeiden. Stäube nicht einatmen Geeignete Handschuhe: Nitrilkautschuk

Verhalten im Gefahrenfall/Brandfall

Brennbar. Im Brandfall Entstehung gefährlicher Brandgase oder Dämpfe möglich. Im Brandfall können entstehen: Nitrose Gase.

Erste Hilfe Notruf 23333

Hautkontakt: Min. 15 min mit Wasser spülen

Augenkontakt: Min. 15 min mit Wasser bei gut geöffnetem Lidspalt spülen, Augenarzt!

Verschlucken: Sofort und reichlich Wasser trinken lassen. Bei Unwohlsein Arzt konsultieren.

Einatmen: Frischluft

Sachgerechte Entsorgung

Trocken aufnehmen. Aufsaugmassen und benetzte Kleidung in blauen 30l Metallfass, Abfallschlüssel 150202 entsorgen. Standort: NBCF04/669

( Unterschrift )

Arbeitsplatz:

Technische Chemie


BETRIEBSANWEISUNG

Datum:

08.12.09

Paraffin

Schmelzpunkt:

Siedetemperatur:

Nicht verfügbar 300°C-500°C

Gefahren

Mögliche Gefahren: Kein gefährliches Produkt im Sinne der Richtline 67/548/EWG. Brennbar: Im Brandfall Entstehung gefährlicher Brandgase und Dämpfe möglich. Dämpfe schwerer als Luft.

Schutzmaßnahmen

Technische Maßnahmen: Atemschutz erforderlich beim Auftreten von Dämpfen/ Ae-rosolen.

Organisatorische Maßnahmen: Dämpfe/ Aerosolen nicht einatmen.

Persönliche Schutzausrüstung: Schutzhandschuhe: Nitrilkautschuk

Verhalten im Gefahrenfall Verhalten bei Unfällen: Mit flüssigkeitsbindenden Material z.b. Chemisorb aufnehmen. Der Entsorgung zufügen. Nachreinigen.

Verhalten bei Entstehungsbränden: . CO2, Schaum oder Löschpulver verwenden. Eindringen von Löschwasser in Oberflächengewässer oder Grundwasser vermeiden.

Erste Hilfe Notruf 23333 Hautkontakt: Mit reichlich Wasser spülen. Kontaminierte Kleidung entfernen.

Augenkontakt: Mit reichlich Wasser bei gut geöffnetem Lidspalt spülen.

Einatmen: Person an die frische Luft bringen.

Verschlucken:

Viel Wasser trinken. Bei Unwohlsein Arzt konsultieren.

Sachgerechte Entsorgung (auch Öl/Wassergemisch)

Sondermüll Chlorierte Machinen-, Getriebe- + Schmieröle ( Behälter 130204) in Raum 669 NBCF/04

Falls notwendig: * Standort angeben

( Unterschrift )

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