氣液流動層による液-液回分抽出 利用統計を見る

氣液流動層によう液―液回分抽出

大輪宗秀

加藤康夫

輪

Batch Liquid-Liquid Extraction for a Fluidized

Air-Liquid Mixture

MunehideOwa YasuoKato

 The mass transfer rate of phenol from water phase to benzene was investigated， using an ・i㌃1iquid fluidi・ed b・d・90mm i・d・91ass pip・， and・bt・in・d th・f・11・wing・esults・  Important factors for the over−aU mass bransfer coefficient were the air velocity and the ratio of liquid volume．

For

For

川γlo・66＜0．1 KAa ㏄ uO・7 ∋γlo・66＞0．1 KAa＝400 ul・5｜γ1 cm／sec cm／sec  Where KAa：over−all mass transfer coefficient，（1／hr）， VA：volume of aqueous phase，（m3）， VB ：volume of benzene phase， （m3）， u ： apParent air velocity， （cm／sec）， 1γ1＝VB／VA for VR／VA＜1，  1’）’t ＝＝VA／「VB  for  「VB／VA＞1  Experimental ranges ：   Total volume of liquid（Vo）：300∼1800cc   Rat io of l iquid （γ＝γみ／レ「A）：o．084∼2．6   Air veloity（の：0．1∼1．7 cm／sec   Temperature：13∼13．5°C

 1．緒   言

 液一液系の抽出速度に関しては、充蟹塔、スプレ｛ 塔を用いて行われた多数の研究が発表されている。ま た最近に至つてパルスコラムを用いる抽出の研究がな されている。回分抽出についての研究は、A． W・Hi− xon（1）のCCI4−−12−H20系についてプロペラ型撹拝器 を用いて行つた研究と、矢木氏ら（2）のC6H6・一一・C6HsOH ・−g20系にっいて平面円板を用いて行つた研究とがあ る。流系反応装置に属する烈風噴霧管を用いてC6H6− C6H50H−H20系、 C6H6−−CH3COOH−一一H20 ．Xにつ いて行つた矢木氏ら（3）の研究がある。  筆者らは襲置性能の比較をするためにC6H6・・一一C6Hs OH−H20系にっいて実験した。

2．抽出速度の表示

矢木氏らの速度式（2）を用いることにする。部ち、二

液相AおよびBは相互に不溶解で、A相からB相への

物質移動は二重境膜説に従うものとすれば次式が成立 する。  −4rγA／de＝leAA（CA−CAi）＝ゐ刀A（CBi−ch）…（1）   CRi／CAZ＝CB・e／CA。。≡H（分配系数）…………（2）  いま、γ＝：VB／VA， A＝aYo， Vo＝VA＋VB，1／KA ＝1／ね＋1／Hle刀とおき、両相間の物質牧支を考慮すれ ば（1）および（2）式から次式が得られる。  一一dCA／dθ＝KAa（1十γ）（1十1／Hγ）（CA−（7Aec）…（3）  いま、A相濃度＝CAO， B相濃度＝Oの状態から抽出 を開始してθ時間後に、それぞれCAおよびCBになつ たとすれば、（3）式を積分して次式が得られる。   e・kAlia（、＋，支、＋、／爾」・       （、一（c＿α｝／（c、、−C ））………（4）

37

昭和32年7月

_{山梨大学工学部研究報告}

第  8 号  （4）式が求める表示式で、これから容量総括係数 （KAのを実験的に求める。 KA’a＝KAa（1＋γ）（1＋1／Hγ）， KA’“a ：KAa（1＋’）’） とする。Kぱ4はHixonが‘‘Extraction Coefficient” と呼んでいるものに相当する。  （3）式を積分するに当つて次の二つの仮定をした （i）両液相の接触面積は時間と共に変化しない。 （ii）分配係数Hは、実験の範囲内で一定と見なし得 るか、あるいわ、その平均値が採れる。

3．実 験 装 置

、

C66

400㎜司

40侃mi．d、

H20

G㎞而㎏

1 v

島H50H

80酪h

泣匙z・ sαe￠n 閲・ω繭 sω凪 ’

←Alr

 実験襲置の略図を

Fig．1に示す。室気吹 込み部には80メツシユ の金網二枚の間に50∼

60メツシユの砂粒を

1Ommの厚さに入れた

ものを用いた。室気吹 込部の上部が抽出部で

内径90mm長さ400m

mのガラス管をフラン ジで固定した。

操作および分析法

      槽内に室気を通しっ       S一定濃度のフエノ｛  Fig．．1 E。p，rim。・t、1ル水溶液（5∼79−Ph      ApParatus   OH／100cc−H20）を入 れ、吹に塞気をとめてベンゾールを水溶液に混合しな いように静かに入れる。水） tLfi．．の濃度を測定し、これ をもつてθ＝0のときの水溶液の濃度CAOとした。 i次に 室気を一定流速で送入し、約15∼20秒毎に水側の試料 を採り、最終濃度CA。・に達したと見倣されるまで通気 撹絆する。室気流速が大きくなるに従つてベソゼソの 滴が小さくなるが、これを放置すると30秒以内で分離 した。試料は水側を採つて分析した。抽出温度は13∼ 13．5°Cであつた。  分析は少量の試料で迅速に行いうるように、Abbe 屈折計を使用してnもを測定した。  実験結果によると、水溶液濃度とその屈折率との間 にはF ig・ 2に示すように直線的関係のあることがわか つた。従つて、（4）式のなかの濃度差の項は直接に 屈折率の差をもつて表わされる。  （4）式を導くに当つて分配係数Hは一定であると したが、実際には溶液濃度がかなり広く変化している   0∬160  治

§側40

♂

｝§O．Ot20

 

_き灘：

誓・0060 ／

ご’／

     ，s’．Ll

／tEI

／  ・Sl

§1 ・ s：       9 Ph、，。t、。，、e輌侃皿戚・？1in5・（9−PJ・OH／tOOcc−H・O）  Fig．2Refract ive Index vs Concentraticn     of Aqueous Solute of Phenol ので、ここで用いた分配係数が問題になる。しかし、 ここで問題とするHの値は相界面濃度に対応するもの であるから、各境膜係数がわかればkA／kBから求めら れる。ところが、この比は未知であるからぬ／砺÷1 と仮定して、図解法によつて抽出開始時の値と抽出終 了時の値とを求め、それらの平均値を平均分配係数と することにした。13°CにおけるC6H6−一・C6HsOH−H2 0系の平衡分配濃度をFig．3に示す。    30 』 ㌻＿ ξ，・e

嚢マ20

ぶ§

喜§・

経lo

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苫

奎

     ／

    ／

  L／V／

〆／

  O    Pherlo∼ concentrationN in w㎡ter p↓』邸e        （9−PhO1It，／100 tC−H20） Fig．3 Equil ibrium Distribution for  C6H6−C6H50H−H20 System at 13°C

 4．実験結果および考察

 実験結果を1−一（CAO−CA）／（CA−一 CA e。）および θの二つを変数にとつて半対数紙上に点綴すると、 Fig．4∼8に示すようにきれいな直線群が得られ、（4） 式が大体成立すると考えられる。Fig・4∼7は室気流速

気液流動層による液一液回分抽出

uがパラメータで、Fig．4はべソゼソの容積γρと水 溶液の容積VAとの比γ＝γみ／VA＝O．084， F ig．5はγ＝ 0．20，Fig．6はγ ・O．385， Fig．7はγ＝0．80の結果で ある。Fig．8はγ＝1．57およびγ＝＝2．6の結果である。 登液容積はいつれも900ccである。   ｜ ＾o・8

306

き04

Sα3

る。これは混合に高さが関係することを意味する。す なわち、室気流速によつて混合度合は大体きまるから その作用高さとの関係から上記の条i牛では1200ccまで は大体同じような混合作用をうけるが、1800ccになる と混合作用が界面より遠いところではあまり及ぼされ Y1 o・2 §

⊥㍑

 0060

，、＼、＼＼＼＼

 o，8  0．6

3

 0．4 30．3 ≒

己02

20  40  60  80 100 120 140 160 180 200 220240 260 280 300         へ θ   〔5eo         Fig．4 」 ・Ol  l）08  006  004  0．δ  0．6 C O，4 eR o・3 ※9 O．2

3

きo」 ：α08  邸6  0．04  003   0  20  40  60  80 oO，llicmltsec

＼。

   ＼

120 i40 100 t90 299 220240 260 289 30 θ f5ε〔】 Fig．5

o＼o

il＝ O，395 V』・250cc VA・ 650cc

  u  ＼t

。0、124cψet  O、lei 7”  O、33 ムO、46  e． 73 lOe S20 ｛40 160 180 20σ 220240 260 280 300    θ   〔sec〕   Fig．6  査液量の影響をFig．9に示す。室気流速O・55cm／s− ec，γ ＝O．20の場合γo＝300∼1200ccの範囲では始ん ど影響なく、1800ccになると傾斜が緩かになつてい

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ないところが生ずるものと考えられる。  Fig．4∼9と（4）式とからK万αあるい わKAaを求めて、 KA’iaと室気流速Uとの関 係をFig．10に、また、 KAaとuとの関係を Fig．11に示す。 Fig．10∼11のパラメータ はγすなわちベソゼソの容積VRと水溶液の 容積γ4との比で、全容積は900ccである。 KA VaおよびKAaは、室気流速の小さいと ころではuo・7に比例し、室気流速の大きい ところではul・5に比例している。これらの 臨界点はγが小さくなるにつれて室気流速 の大きな方に移行している。これは混合に 必要なエネルギt’一’から説明出来る。容積の        L 大きなものと小さなものとを同じ混合程度 にするには容積の大きな方が大きなエネル ギーを必要とする。この場合には、ベソゼ ソが水溶液に分散するので、γが小さくな るとべソゼソが分散すべき容積が大きくな る、従つて同じ程度の分散をさせるに必要 なエネルギーは大きくなる。混合分散のエ ネルギーは室気流速に比例するから、γの 小さいときには臨界点の室気流速が大きく なる。この臨界点は大体写真および観察に よると均一分散になる臨界点と一致してい る（4）。  Fig．11において、γが0．80まではKNaは γと共に大きくなつているが、γ・＝1・56お よびγ・＝2．60の値はγ＝O．80の値より小さく なつている。これは主として単位容積当り の有効接触面積aの減少と分散状態が悪く なることによるものと考えられる。すなわ ち、ベソゼソの容積が水溶液の容積より大 きくなると、ベソゼソは小さな液滴として 分散出来難くなり大きな液滴または連続し て水溶液がその中を通りぬけるような状態 になり、接触面積が減少すると共に分散状 態が悪くなることによると考えられる。Kaaの値がγ によつて変つていることはaとγとの関係によるもの と考える。そこで、γ・・VR／V］ ＝＝1を境としてVB／VA

 0．8 x o．， 』；：； ミo乏 ｛〈 9 8．61 ⊥0．06  0．04  0．03     20   i  O，8 ”5 O．b

J

‘04

303

，ミ 餐0．2 ㌣ ，3 1）0．1 ’⊥O．08  0，06 、  0．04 80  100  120  140  160   θ 〔」測 Fig．7 O，186cm／tsec O244〃 O．378 050 lSO 2002202舶 ▽N）  1．5ワO， ？75 cm／sec ▲ 2．6  0．25

＼、

0 10 2030舶 506070 809D tOO ltO        θ t5eq Fig．81−（CAO−CA）／（CA・一（7A，e）vsθ   1 1：1

3。4

，き立3 ミ胞2 きo．1 丁仏08 −0．06 O，04 0．03 200 100 80 60

A

ξ30

一20

・茎i・ ‘，”ilsiE．

   w

◆蝿● γ』砺宕軌20 砿司』・

0300cc

＋伽

刈卯0 ●｝鋤

＼・

u

帖5c畝ec

O  IO 20 30 40 50 60

＼

_“ミ＼       Fig． g Effect of ＜1の場合には1γ1＝VR／VAとし、 VB／VA＞1の場 合には1γ1＝γλ／VBとする。この1γ1がαに関係す るものと考える。縦軸にKAa，横軸にulγ1 o・66をと る一と、Fig．12のようになる。 u lγlo66＞0．15cm／sec について次の実験式が得られた。    1（Aa＝：400 ul’5171  臨界点は、矢木氏ら（2）の平面円板麗拝器を用いて液

／

  x

x／

13∼i3．5℃ 80mesh∼cre2n

   2

     ｛），l   O，2 0、304  0，60，8 1    2       u  〔cm／secl        Fig．10 KAVa VS u 液抽出実験を行つた結果にも認められ、また、Hix− On（5）らがタービソ型撹拝器を用いて固一液系溶解実 験を行つた結果にも認められている。液一一va系では、 臨界点附近で翼端から液滴の分散が起り回転数と共に 著しく増大し、結果として接触面積の増大による容量          係数の急上昇が見られると報じて          いる。筆者らの場合は撹拝器にお          ける回転数の増加に相当するのが          室気流速であり、臨界点を境とし          て分散状態の変化が認められた。       本実験による容量係数は、撹拝          器、充墳塔およびスプVイ塔の値          に比べて割合大きな値であつた。

708b旬IOO llOt20；30勘1馳160170

 θ   （sec〕 Total Liquid Volume

5．結

言

 （1）内径90mmのガラス管を

用いて実験した。KAaの値は、 Vo＝・900cc，γ＝O．80の場合、〃÷ 0．5cm／secで100 U／hr〕になる。

 （2）KAaは両層の容積比1γ1に比例して増加す

る。  （3）室気流速により二つの直線群が得られ、臨界 点以下ではKAaはuO・7に比例し、臨界点以上ではuL5に 比例する関係が得られた。臨界点は大体川γ1066＝ 0．工〔cm／Sec〕で、γ＝0・20以上では臨界点以上の範

気液流動層による液一液回分抽出

k t 200      d＝goの疏   IOO    80    60   ♪    40．

宝3q

＼

〕20

es く

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   100    80    60    40 〔：30 ．．．v 20 tS IO

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    6    4     3

v

1、56 2、60

／／

／●

／

tX O，1 0203・04．O．6 03         μ  〔CMIsec〕 Fig．11 KAa vs μ

2

・・

／

b． O、80 0、3肪 O、 20 0、084 1、S6 10．641 2’6°1α3    e−／一／

〆

d・90mm

80mesh scyeen 13 ’一 t3．5°C

t802．04．06．090．1 ，．23．4．6

       ’μγα66〔cm／sec〕       Fig．12 KAa vs uγn・66 囲について次の実験式が得られた。      KAa：＝400％1’51γ1 本研究に対し御指導を賜つた東京大学教授矢木栄先 生に深く感謝申上げます。

Notation

  ∠4＝ surface area of contact between pha−       ses 〔m2〕   a＝  surface’area of contact between pha−       ses per unit volume 〔m，／m3〕   C＝ solute concentration 〔kg／m3〕   1ゴ＝・distribution coefficient at equilibrium   ゐ・＝ mass−transfer coefficient〔m／hr〕   κ＝ over−all mass−transfer coefficient       〔m／hr〕   u＝  apParent air verOCity  〔cm／SeC〕   VA＝volume of A phase 〔m3〕   VB＝＝volume of B phase 〔m3〕   W＝ weight of solute transfered   θ＝time 〔sec〕，〔hr〕   γ＝v．1；IA   VR／VA〈1；1γ1＝VB／VA

VB／VA＞1；1γ1＝γA／VB

SubScript

 A：Aphase＝aqlleoユs phase

 B：Bphase＝benzene phase

  ゼ：interface between phases  O： initial condition ：θ＝O   o◎：θ＝Oo

Literature Cited

  1）Hixon and Smith：Ind・Eng・Chem・，      41，973．（1949）   2）Yagi S．， Miyauchi T・． Kogure K・：Che−      m．Eng．（Japan），15，65（ユ951）   3）Yagi S．， Miyauchi T・， Kogure K・：      Chem． Eng．（Japan），15，68（1951） 4）K・t・Y・R・p・・t・・fth・F・・ulty・f      Eng．， Univ． of Yamanashi，7，111       （1956）   5）Xixon and B aurn：Ind・Eng・Chem・33，      478 （1941）