Trong những trường hợp đơn giản, nồng độ chất tan trong dung môi sơ cấp cũng,
như trong dung môi thứ cấp khá nhỏ và hai dung môi này không hòa tan vào nhau thì để thiết kế thiết bị chiết người ta chỉ cần đến những dữ kiện vẻ hệ số phân bố Nemst hoặc đỏ thị biểu diễn đường cong cân bằng chiết C„, = f (C,;) trên toạ độ vuông góc (hình 2.20). Trên cơ sở của các hệ số phân bố người ta lựa chọn dung môi thứ cấp thích hợp.
Ví dụ, trên bảng 2.9 đưa ra hệ số phân bố của phenol trong nước và các dung môi hữu cơ
khác nhau.
Bảng 2.9. Hệ số phân bỏ cua phenol trong nước và các dung mỏi hữu co 6 20°C
k- [PhOHl; moạc.
Dung moi (PROMI
Benzen 2
Toluen 2
Tricresylphophat 28
Diisopropylete 28
Isobutylaxetat 47
Dietylete 54
Etylaxetat %5
n-butylaxetat 56
Bảng trên cho thấy hệ số phân bố đối với n-butylaxetat là lớn nhất và trước đây
n-butylaxetat được dùng để chiết phenol. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là
khụng thể bỏ qua sự thủy phõn của ứ-butylaxetat. Do vậy vẻ sau người ta đó thay n-
butylaxetat bằng isopropylete là sản phẩm phụ trong quá trình điều chế isopropanol từ propylen (phản ứng hyđrat hóa với xúc tác axiU.
Ở các lò than cốc, người ta dùng benzen thỏ để chiết phenol từ nước thải của quá trình sản xuất vì ở đây benzen là sản phẩm phụ nên giá tương đối rẻ.
58 Chương 2. Các phương pháp nhiệt tách chất
Phương pháp chiết lỏng - lỏng không chỉ để tách chất hữu cơ mà còn ứng dụng để tách muối vô cơ. Ví dụ trong quá trình chế biến nhiên liệu hạt nhân, người ta chiết
uranylnitrat từ dung dịch axit nitric bằng triankylphophat. Trong chế biến quặng,
phương pháp chiết dùng chất trao đổi ion lỏng rất có ý nghĩa. Các cation kim loại của
kim loại chuyển tiếp có thể được chiết tại các giá trị pH trung bình bằng hỗn hợp gồm
hydrocacbon (toluen) và các axit cacboxylic với mạch cacbon từ Cụ đến Cạ,. Người ta giải chiết bằng axit mạnh. Quá trình chiết và giải chiết biểu thị bởi phương trình phản ứng:
2| RCOOHI,,..„ + |MỶ'lo, = J(RCOOJ2M|.„„ + |H*ljo,
“Tách chọn lọc hơn so với axit cacboxylic là các phối tử tạo phức vòng càng như.
ứo-hyđroxybenzophenon-oxim ankyl húa hoặc ứ-hyđroxyoxim.
NOH R OH NOH
QFe At — C R'-CH-C-R’
OH
Phối tử tạo phức vòng càng này có khả năng tạo phức tốt với ion Cu”. Người ta có thể chiết Cuˆ" từ dung dịch nước ở vùng pH tương đối rộng bằng hỗn hợp gồm phối tử tạo phức vòng càng va dung mdi hydrocacbon. Ở đây giải chiết cũng bằng axit mạnh.
Quá trình chiết các anion kim loại chuyển tiếp (V O;, MO} ....) được thực hiện với các
phối tử amin và giải chiết bằng bazơ mạnh.
Việc sử dụng chất trao đổi ion lỏng đồi hỏi kiểm tra pH chính xác. Bằng phương, pháp chiết, người ta có thể thu được dung dịch thể giàu của các ion kim loại nặng và tách chọn lọc chúng khỏi nhiều nguyên tố đi kèm.
Nếu chất tan cần chiết có nồng độ cao trong hỗn hợp ban đầu thì thông thường chúng có tác dụng như chất trung gian hòa tan, và do đó ở trường hợp này không thể bỏ
qua sự hòa tan tương hỗ giữa dung môi sơ cấp và dung môi thứ cấp. Lúc này cân
giữa hai pha lỏng không thể mô tả bởi định luật phân bố Nemst hoặc đường cân bằng chiết trong hệ tọa độ vuông góc (hình 2.21). Trường hợp này phải biểu diễn cân bằng
trong hệ bậc ba (chất tan, dung môi sơ cấp, dung môi thứ cấp) thường trong hệ tọa độ tam giác (hình 2.23). Để mô tả cân bằng pha trong hệ người ta sử dụng đường binodan,
đường này phân chia vùng trộn lẫn (vùng đồng thể phía trên đường cong) với vùng tổn tại hai pha (vùng dị thể phía dưới đường cong). Ngoài ra phải biết các đường Konnot (giây cân bằng), các đường này nối các điểm cùng tồn tại cân bằng trên đường binodan.
Hóa kỹ thuật sọ
Khi đã biết chính xác 4 đến 8 đường Konnot và các đường này phân bố trên toàn
vùng dị thể thì người ta có thể xây dựng các đường Konnot mới bằng phương pháp đỏ
thị, Hình 2.23. biểu diễn quan hệ cân bằng trong quá trình giải chiết caprolactam từ dung dịch tricloetylen bằng nước. Khi đã biết nồng độ caprolactam trong dung dịch đầu, biết nóng độ dung dịch chiết đòi hỏi phải thu được và nồng độ caprolactam cuối cùng tronứ pha tricloetylen, bằng phương phỏp đồ thị người ta xỏc định được:
- Lượng dung môi thứ cấp cần thiết;
và từ đó tính toán thiết kế thiết bị chiết.
Caprotactam
Hình 2.23. Can bing pha trong hé tricloetylen - caprolactam - nước ở 20°C.
Vấn đẻ quan trọng là điều chế các hyđrocacbon thơm từ các phân đoạn chế biến đầu mỏ có chứa hyđrocacbon thơm, trước hết là từ sản phẩm reforming xăng nặng.
Trong quá trình reforming xăng nặng, các naphthen (xicloankan vòng 5 và 6 cạnh) có chứa trong đó bị đêhyđro hóa trên xúc tác Pt/AI,O, tạo thành hyđrocacbon thơm. Xăng reforming có chứa khoảng 40 đến 70% hợp chất thơm, trong đó chủ yếu là toluen,
etylbenzen và xylen. Từ hỗn hợp này người ta tách các hợp chất thơm ra một cách thuận
tiên nhất là dùng phương pháp chiết lỏng - lỏng sử dụng dung môi đietylenglycol (phương phỏp Udex), tetrametylensunfon (phương phỏp sunfolan) hoặc ứ-metyl- pyroliđon (phương pháp Arosolvan).
Phương pháp Udex dùng đietylenglycol (hình 2.24) có nhược điểm là khả năng hòa tan hợp chất thơm của đietylenglycol kém, nhưng chúng lại có độ chọn lọc tốt. Để
tăng khả năng hòa tan của đietylenglycol, người ta tiến hành chiết ở nhiệt độ 100 đến
60 Chương 2. Các phương pháp nhiệt tách chất 120C. Để giữ các hydrocacbon ở pha lỏng cản tiến hành chiết dưới áp suất 3 đến 5 at,
thiết bị
bơm vào ở đầu cột. Sản phẩm lấy ra ở đầu cột là hợp chất không thơm và tại đáy cột là
dịch chiết có chứa hyđrocacbon thơm. Phần này được đưa vào chưng cất ở cột thứ hai,
trong đó dung môi sẽ ở lại đáy cột, còn hyđrocacbon thơm lấy ra ở đầu cột.
8
N Hop chat
thơm
iết sử dung 1a cot dia ray. Xang reforming được đưa vào ở giữa cột, dung môi
Đietylenelycol
Sản phẩm refoming
Hinh 2.24, Tach hop chất thom tit xang reforming bing phuong phip chiết lỏng - lỏng dựng dung mửi. đietylenglyeol.
Trích một phần sản phẩm hydrocacbon thơm này đưa trở lại phần dưới của cột
chiết, mục đích để thu được sản phẩm hydrocacbon thơm tỉnh khiết hơn. Phần
hydrocacbon thơm dẫn trở lại cột chiết tạo nên pha lỏng thứ hai, pha này đi vào trao đổi chất với pha dịch chiết ở đáy cột chiết.
Như vậy, pha dịch chiết lấy ra khỏi cột chiết nằm ở trạng thái cân bằng với pha hydrocacbon thom tinh khiết. Với cách làm như vậy, hàm lượng hyđrocacbon thơm của
dịch chiết lấy ra rất cao. Lẽ dĩ nhiên phần hợp chất thơm dẫn quay trở lại cột chiết chỉ có
ý nghĩa khi hợp chất thơm chỉ hòa tan giới hạn trong dung môi . Một dung môi chọn lọc
cho việc chiết hợp chất thơm nhất thiết phải tạo thành được với hợp chất thơm và hợp
chất không thơm một hệ bậc ba có “vùng dị thể mở *. Trong trường hợp giữa dung môi
và hợp chất thơm, hợp chất không thơm có tạo nên hệ bậc ba với “vùng dị thể kín”, người ta có thể mở rộng vùng này lên bằng cách thêm nước hoặc etylenglycol vào dung môi và như vậy đạt được mong muốn hợp chất thơm và dung môi hòa tan hoàn toàn có giới hạn vào nhau.
Hóa kỹ thuật 61
Benzen
cheptan NMP n-Heptan NMP/etylenglycol
a) Œ10%HO) by
Hình 2.25. Căn bằng trong hệ benzen/a-heptan/dung mỏi hồn hợp:
) Can bang trong hé benzen-n-heptan-N-metylpyrolidon va (N-metylpyrolidon + nudc) & 20C:
dung moi N-metylpyrolidon (NMP) ;
- dung moi N-metylpyrolidon (90%) + nước (10%)
n bang trong hé benzen-n-heptan-(N-metylpyrolidontetylenglycol) 6 20°C
N-metylpyrolidon (60%) + etylenglycol (40%)
Hình 2.25 giải thích khả năng này trong ví dụ của hệ benzen - n-heptan - N- metylpyroliđon. Hình 2.26 trình bày sơ đồ chiết butađien bảng dung dịch đồng (I)- axetat-amoniac (dung dich CAA).
Phương pháp này nhằm chiét butadien ra khdi các phân đoạn C, có chứa
butađien. Cỏc phõn đoạn C¿ này nhận được từ phản ứng đehydro húa ứ-butan hoặc từ quỏ
trình phân hủy nhiệt của xăng nhẹ.
Tác dụng chiết của dung dich CAA là Cu" có phản ứng tạo phức chất thuận
nghịch trong dung dịch amoniac vdi olefin. Hang số tạo phức trong trường hợp butađien
là lớn hơn nhiều so với hằng số tạo phức của monoolefin (độ chọn lọc cao). Phương pháp CAA làm việc ở 20 đến 30C và để giữ hệ ở pha lỏng phải chiết dưc
khoảng xấp xỉ 10 at. Để đảm bảo độ tỉnh khiết cao của butađien trong dịch chiết, người ta dẫn một phần butađien đã tách bằng chưng cất dung dịch CAA quay trở lại bậc chiết cuối cùng. Phương pháp chiết lỏng - lỏng được ứng nhiều trong kỹ thuật tách chất.
62 Chương 2. Các phương pháp nhiệt tách chất
Dịch bã C,
Phân đoạn C,
‡ | | Ị |
„Hồi lưu butadien....
Butadien
Hình 2.26. Chiết butadien theo phương pháp CAA:
pha năng, 37] pha nhẹ
Bảng 2.10. Các phương pháp chiết lỏng - lỏng quan trọng trong kỹ thuật
Vấn để cần tách
- Tách phenol từ nước thải
~ Tinh chế benzen thô - Chiết isobuten
~ Chiết các hyđrocacbon thơm
- Chiét caprolactam -Chiết axit photphoric
~ Chiết uranylnitrat
~ Chiết 0-xylen
Dung môi Butadien
Diisopropylete Tricresylphotphat H,S0,
H;SO,/H,O Dietylenglycol 'Tetrametylensulfon N-metylpyrolidon N-metylcaprolactam Tricloetylen
Butanol
‘Tributylphotphat HF /BF,
Phương pháp
Phenosolvan Phenosolvan
CAA Udex Sunfolan Arosolvan Arex
Arex M
Hóa kỹ thuật 63