三角線図読み方・書き方

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化学系であれば一度は授業で習うであろう抽出で使う三角線図。今回はその図の書き方を記述していこうともいます。

一般的に三角線図は直角三角形を使います。B点は抽剤の割合が1。つまりすべて抽剤ということで、A点はすべて溶媒ということである。

溶解度曲線は三成分の平衡を表している。直線HLはタイラインといいHとLの組成の液が互いに平衡であることを表している。

タイラインは共役線を用いて書く。点Lと平衡な液を探すには共役線へ水平線を引き、水平線と共役線の交点から垂直に線を下ろす。垂線と溶解度曲線との交点が点Hの平衡な液である。

この点Lと点Hが一致する点、すなわち共役線と溶解度曲線の交点は2液の組成が等しくなる点で「プレートポイント」いう。

次に例題を通して具体的な問題の解き方を考えていこうと思う。

例題:水-酢酸-Isopropyl Ether3成分系について以下の設問に答えよ。溶解度曲線と共役線は先ほどの説明で使った図を用いる。(普通、図は与えられる)
フィード が35wt%酢酸+65wt%水、その量100 kg。抽剤(S)のIPE は200 kgあるとき、次の2種の操作をした場合の抽残相中の酢酸組成を求めたい。

1)F, Sを1段の単抽出をした場合の酢酸組成(x_1)を求めよ。
2)Sを100kgずつに分けて、2回の抽出をした。
この場合、1回目の抽出における抽残相の酢酸組成(x_21[wt%])とその量R_21[kg]を求めよ。
1回目の抽出後に、抽出相、抽残相が完全に分離でき、その1回目の抽残相を2回目のFeedとして、残りのS=100kgにて抽出した際の抽残相の酢酸組成(x_22[wt%])を求めよ。
3)上の結果からどのような考察ができるか?

(1)-1. Feed(原料)点の決定

まずFeed点を決定します。F点は水と酢酸の溶液(抽料)の組成で底辺を内分します。ここで注意したいのが底辺は右側に行けば水の組成が100%で左に行けば水の組成が減って酢酸の組成が100%になります。よって(0.65:0.35)で内聞する点をFeed点とします。そしてF点と抽剤点(S点)を結びます。

注意(今回、原理などは省きます。なのでどうやって問題を解くかを考えます)

(1)-2 M点の決定

M点は混合後の状態を表す点です。M点を通るタイラインを引けば抽出後の存在について観察できます。

さて、そのM点なのですが抽剤と抽料の質量の比で決定します。例えば、抽剤点をBとして、抽剤と抽料の質量比をx:yとするとM点は直線BFをy:xで内分する点で決定されます。今回の問題の場合、抽剤200kgと抽料100kgであるので直角三角形のIsopropyl Ether点とFeed点を結ぶ直線を1:2で内分する点をM点となります。

タイラインと溶解度曲線との交点のうち水の割合の多いほうを水相、Isopropyl Etherの割合が多いほうをエーテル相とする。

今回の問題で問われているのは抽残相なのでつまり、水相を指している。水相の組成を(Isopropyl Ether,水,酢酸)で表すとすると(0.07,0.73.0.20)と見れる。(人それぞれ書いたグラフにより誤差あり)

よって答えは0.20wt%

(2) 連続抽出

(2)の途中までは(1)と同じようにするだけで、M点の内分が1:1になるくらいです。

ここからが(1)と違うところで二回目の抽出はFeed点をどうするかが問題となるところである。

そこで、二回目は抽残相をFeed点とみなして作図をすればいいのです。詳しい原理は授業で習うと思うのでそこでしっかり学習してみてください。

抽残相を新たなFeed点と決めてしまえばもう同じことをするだけで、新たなM点を通るタイラインを決めて二回目の抽残相を求めます。

よって図から抽残相の酢酸の組成は17wt%となります。

(3) 考察

結果から見て分かるように同じ抽剤の質量でも二回に分けた方が残留相に残っている酢酸の組成が低くなっているため、回数をおおくして抽出をした方が高rつのいい抽出ができることが分かります。

まとめ

三角線図の原理は物質収支を考えていろいろごちゃごちゃと変形して求めていたのであんまり重要ではないと思います。とりあえず、やり方さえ覚えれば単位は浮くでしょう。

参考ページ

Extraction 抽出 – FC2

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