Wissenschaftliche Forschungsarbeit 174/75 - Synopse

CHEMIE INGENIEUR TECHNIK

Berechnung der Flussig/Flussig-Gleich- gewichte eines Extraktionsverfahrens mit der NRTL-Beziehung * Ulrich Block, Bernd Hegner und Dieter Wolf * *

Zur Beurteilung und Auswahl eines Extraktionsmittels und zur Auslegung des Extraktionsverfahrens ist der Trennauf- wand zu ermitteln, der durch die Trennstufenzahl und die Extraktionsmittelmenge bestimmt wird. Diese GroBen kon- nen aus den Flussig/Flussig-Gleichgewichten berechnet werden, wobei die Extraktion durch gekoppelte Gleichge- wichtsstufen mit den entsprechenden Massenbilanz- und Gleichgewichtsbeziehungen modelliert wird. Das Flussigl Flussig-Gleichgewicht ist thermodynamisch bestimmt durch die Gleichheit der Aktivitaten jeder Komponente in den beiden Phasen. Die Abhangigkeit des Aktivitatskoeffizienten von der Zusammensetzung des Gemisches wird rnit der NRTL-Beziehung [ 11 beschrieben.

Das Vorgehen u-ird am Beispiel der Trennung von Isopren und n-Pentan durch Extraktion mit einem Extraktions- mittelgemisch, bestehend aus N-Methylpyrrolidon (NMP) und Wasser, gezeigt. Diese Trennaufgabe stellt sich im BASF-Verfahren [2] zur Gewinnung von Isopren aus Cg- Schnitten der Athylon-Erzeugung.

Gleichgewichten und der bintiren Mischungslucke bestimmt. Nur fur die voll loslichen Gemische Isopren (1) / NMP (4) und Wasser (3) / NMP (4) wurden die Parameter aus den ternaren Flussig/Fliissig-Gleichgewichten des Systems Iso- pren (1) / Wasser (3) / NMP (4) ermittelt. Die so erhaltenen Aktivitatskoeffizienten stimmen gut mit den aus binhen Dampf/Flussigkeits-Gleichgewichten berechneten Werten uberein. Auch die Extrapolation auf die Flussig/Flussig- Gleichgewichte des quaternaren Systems wurde anhand von Extraktionsversuchen in einem sechsstufigen Mixer-Settler uberpriift.

Fur die verfahrenstechnische Beurteilung des Extraktions- mittels sind das Verteilungsverhaltnis K1 der Schlussel- komponente Isopren ( 1 ) zwischen Extrakt- und Rafha t - Phase und die Selektivitat g1,2 des Extraktionsmittels be- zuglich Isopren (1) und n-Pentan (2) von Bedeutung. Diese GroBen sind in Abhangigkeit vom Wassergehalt in der Extraktphase in Abb. 2 aufgetragen. Mit steigendem Was- sergehalt wird das Extraktionsmittel zunehmend selektiver in bezug auf die Trennung Isopren / n-Pentan, gleichzeitig sinkt jedoch die Kapazitiit des Extraktionsmittels, ausge- druckt durch das Verteilungsverhaltnis K1. Die Ermittlung

Abb. 1. Schematische Darstellung der Konnoden und Binodalkurven der ternilren Randsysteme.

Abb. 2. Verteilungsverhiiltnis K von Isopren und Selek- tivitat des Extraktionsmittels NMP / Wasser bezuglich Isopren / n-Pentan in Abhiingigkeit vom Wassergehalt z der Extraktphase.

Das quaternare System Isopren (1) / n-Pentan (2) / Wasser (3) / NMP (4) setzt sich aus sechs binaren bzw. vier ternaren Randsystemen zusammen, Abb. 1. Es wurde ein Algorithmus zur Bestimmung der Wechselwirkungsparameter t i j und t j i

und des Koordinationsparameters lxij der NRTL-Gleichung entwickelt, der zu widerspruchsfreien Binarparametern fuhrt und die Vorausberechnung des quaternaren Flussig/ Flussig-Gleichgewichtes erlaubt, wobei in erster Linie die Empfindlichkeit der verschiedenen Typen von ternken Systemen berucksichtigt wird. Die NRTL-Parameter fur die nahezu unloslichen Systeme Isopren (1) / Wasser (3) und n-Pentan (2) / Wasser (3) wurden aus der binaren Mischungs- lucke berechnet, die nach einer von Wagner [3] angegebenen Konsistenzbeziehung aus ternilren MeBwerten extrapoliert wurde. Fur das teilweise losliche Gemisch n-Pentan (2) / NMP (4) wurden die Parameter aus DarnpflFliissigkeits-

* Vortrag auf dem Jahrestreffen der Verfahrens-Ingenieure, 17. bis 20. September 1974 in Miinchen.

* * Dr.-Ing. U . Block (Vortragender), Dip1.-Math. B. Hegner und Dr.-Ing. D. Wolf, BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/Rh.

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des gunstigsten Wassergehaltes ist eine verfahrenstechnische Optimierungsaufgabe, in die Trennstufenzahl, Extraktions- mittelbedarf und Aufwand der Extraktionsmittelriickge- winnung einflieaen, wobei auch die Extraktivdestillation mit dem vorliegenden Berechnungsverfahren gelost wird.

Eingegangen am 11. Oktober 1974

[l] H . Renon, J . M . Praunitz, A.1.Ch.E. Journal 14, 135/44

[2] H . KrGper, H . M . We&, Oil Gas J. 9, H. 1, S. 98/104 [1967]. [3] C. Wagner, Thermodynamics of Alloys, Addison-Wesley,

[1968].

Cambridge/Mass. 1952.

Sch~iisselworte : Thermische Trennverfahren, Extrak tion, Destilla- tion, Trennaufwand, Mathematische Simulation, Isopren, NRTL- Beziehung.

Das vollstdndige Manuskript dieser Arbeit umfaBt 24 Seiten mit 1 Tabelle, 15 Abbildungen und 24 Literaturzitaten. Es ist als Photokopie oder Mikrofiche M S 1 74/75 erhaltlich. Einen Bestell- schein finden Sie in diesem Heft auf der letzten Innenseite.

Chernie-hg.-Techn. 47. lahrg. 19751 Nr. 7 35