Методика исследования фазового равновесия жидкость — жидкость в трехкомпонентных системах со смешанным растворителем N-метилпирролидон — этиленгликоль (90/10 % мас.). Сравнение экспериментальных данных с расчетными по Aspen Hysys

В данной работе описывается серия опытов одноступенчатой экстракции растворителем N-метилпирролидон — этиленгликоль(N-MП-ЭГ) (90/10 %мас.) арена или гетероатомного соединения из модельной смеси с н-ундеканом; сравнение данных, полученных в ходе эксперимента, с расчетными в Aspen HYSYS по методу UNIFAC.

Ключевые слова: экстракция, N-метилпирролидон, этиленгликоль, степень извлечения, выход рафината, Aspen Hysys.

Одноступенчатые экстракции ряда аренов и гетероциклических компонентов смешанным растворителем N-МП-ЭГ (90/10 % мас.) проводили из смеси с ундеканом при массовом соотношении растворитель:сырьё 1:1 и 25 °С при атмосферном давлении. Содержание экстагируемого компонента в сырье (бинарной системе с алканом) 10 %мас.

Экстрагируемые компоненты (арены и/или гетероатомные соединения), их брутто-формулы, молекулярные массы и нормальные температуры кипения приведены в таблице 1 [1,2].

Таблица 1

Экстрагируемые компоненты и их свойства

Далее составлялся материальный баланс для псевдотройной системы ундекан — экстрагируемый компонент — N-MП-ЭГ (90/10 %мас.). Затем по материальным балансам для каждой из систем были рассчитаны следующие основные параметры процесса экстракции: коэффициенты распределения и разделения компонентов, степень извлечения экстрагируемого компонента, выход рафината (табл. 2).

Коэффициент распределения i-го компонента К _i рассчитывается по формуле:

(1)

содержание i-компонента в рафинантной фазе, % мас.

Коэффициент разделения компонентов β представляет собой отношение коэффициентов распределения пары компонентов друг к другу. Для данной работы представляют интерес коэффициенты разделения н-ундекана и экстрагируемого компонента, поэтому β рассчитывается по формуле:

(2)

где К ₂ — коэффициент распределения экстрагируемого компонента;

К ₁ — коэффициент распределения н-ундекана.

Степень извлечения компонента α показывает, какая часть экстрагируемого компонента, содержащегося в сырье, была извлечена растворителем и перешла в экстрактную фазу. Степень извлечения рассчитывается следующим образом:

α =

где масса экстрагируемого компонента в экстрактной фазе, г;

масса экстрагируемого компонента в сырье, г.

Таблица 2

Экспериментальные данные о равновесии жидкость — жидкость в трехкомпонентных системах н-ундекан (1) — экстрагируемый компонент (2) — N -метилпирролидон-этиленгликоль (3) при 25 °С

Соединениями с несколькими ароматическими кольцами экстрагируются легче, чем с одним ароматическим кольцом. А также соединения, имеющие гетероатом превосходят по извлечению другие соединения, особенно, если этот гетероатом — азот. Чем больше N-МП содержится в рафинатной фазе, тем больше остается в ней соединений ароматического характера, образующих с молекулами растворителя — комплексы; с протонодонорными компонентами (дифениламином, индолом, карбазолом) N-МП образует еще и водородные связи, и со всеми гетероциклическими соединениями, имеющими дипольные моменты, проявляются и ориентационные взаимодействия.

Представляет интерес сравнить данные, полученные в ходе эксперимента, с расчетными в Aspen HYSYS по методу UNIFAC.

Метод UNIFAC (UNIQUAC функциональная группа Activity Coefficients) — это полуэмпирическая система для прогнозирования неэлектролитной активности в неидеальных смесях. UNIFAC использует функциональные группы, присутствующие в молекулах, составляющих жидкую смесь, для расчёта коэффициентов активности. Используя взаимодействия для каждой из функциональных групп, присутствующих в молекулах, а также некоторые коэффициенты бинарного взаимодействия, можно рассчитать активность каждого из растворов. Эта информация может быть использована для получения информации о жидкостном равновесии, которая полезна во многих термодинамических расчётах, таких как химический реактор расчёт и дистилляция.

Обобщенные результаты экстракции для исследованных в работе систем, рассчитанные с использованием программы Aspen HYSYS по методу UNIFAC, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Расчетные данные о равновесии жидкость-жидкость в трехкомпонентных системах н-ундекан (1) — экстрагируемый компонент (2) — N - M П:ЭГ (3) при 25 °С

Экспериментальные данные, приведенные в таблице 2, удовлетворительно согласуются по составам равновесных фаз и степени извлечения экстрагируемых компонентов с расчетными данными в таблице 3. Таким образом, для примерных расчетов допустимо использование метода UNIFAC c целью моделирования фазовых равновесий в подобных тройных системах.

Литература:

1. Гайле, А. А. Процессы разделения и очистки продуктов переработки нефти и газа / А. А. Гайле, В. Е. Сомов, А. В. Камешков. — 2. — 2018: Химиздат, 2018. — 432 c.
2. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов (рекомендуемые значения) / под ред. В. М. Татевского. — М.: Гостоптехиздат, 1960. — 412 с.