Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ ΥΓΡΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ

Transcript

1 Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ ΥΓΡΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ

2 Η υγρή εκχύλιση βρίσκει εφαρμογή όταν. Η σχετική πτητικότητα των συστατικών του αρχικού διαλύματος είναι κοντά στη μονάδα και επομένως η εφαρμογή της απόσταξης είναι είτε αδύνατη ή ιδιαίτερα δαπανηρή. ύο συστατικά που έχουν παρόμοια πτητικότητα, μπορεί να έχουν πολύ διαφορετική διαλυτότητα σε ένα διαλύτη. Η διεργασία της απόσταξης απαιτεί τη χρήση πολύ μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας. Αυτό συμβαίνει κυρίως στα υδατικά διαλύματα, λόγω της μεγάλης θερμότητας εξάτμισης του νερού. Τα συστατικά του αρχικού διαλύματος είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία ή αποσυντίθενται στη θερμοκρασία της απόσταξης. Σ αυτές τις περιπτώσεις η υγρή εκχύλιση είναι μια καλή λύση μιας και η θερμοκρασία επηρεάζει μόνο τη διαλυτότητα των συστατικών. Με επιλογή του κατάλληλου διαλύτη, η υγρή εκχύλιση μπορεί να λάβει χώρα σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες ακόμη και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Έτσι η εκχύλιση βρίσκει ευρεία εφαρμογή κυρίως στην βιομηχανία τροφίμων και την φαρμακοβιομηχανία για το διαχωρισμό θερμοευαίσθητων οργανικών ουσιών.

3 y ακετόνης y νερού x ακετόνης (a) x νερού (b) Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων y-x για το μίγμα ακετόνη/νερό σε ατμοσφαιρική πίεση Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων y-x για το μίγμα οξικό οξύ/νερό σε ατμοσφαιρική πίεση

4 Σύγκριση χαρακτηριστικών υγρής εκχύλισης και απόσταξης Υγρή εκχύλιση Απόσταξη Τα συστατικά ενός υγρού μίγματος διαχωρίζονται με τη προσθήκη ενός διαλύτη που είναι αδιάλυτος με το αρχικό μίγμα Μια νέα υγρή φάση δημιουργείται λόγω της προσθήκης του διαλύτη Εκμεταλλευόμαστε τη διαφορά των διαλυτοτήτων των συστατικών του αρχικού μίγματος στο διαλύτη Η εκλεκτικότητα χρησιμοποιείται ως μέτρο του βαθμού διαχωρισμού Οι φάσεις είναι δύσκολο να αναμειχθούν και να διαχωριστούν εν δίνει καθαρά προϊόντα και επομένως χρειάζεται επιπλέον κατεργασία τους Παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή των λειτουργικών παραμέτρων Απαιτεί μηχανική ενέργεια για την ανάμειξη και το διαχωρισμό εν απαιτεί διατάξεις θέρμανσης και ψύξης Τα συστατικά του υγρού διαλύματος διαχωρίζονται με την προσθήκη θερμότητας Μια νέα ατμώδης φάση δημιουργείται λόγω της προσθήκης θερμότητας Εκμεταλλευόμαστε τη διαφορά της πτητικότητας των συστατικών Η σχετική πτητικότητα χρησιμοποιείται ως μέτρο του βαθμού διαχωρισμού Οι φάσεις αναμιγνύονται και διαχωρίζονται εύκολα και γρήγορα ίνει σχεδόν καθαρά προϊόντα Παρέχει μικρή ευελιξία στην επιλογή των λειτουργικών παραμέτρων Απαιτεί θερμική ενέργεια Απαιτεί διατάξεις θέρμανσης και ψύξης

5 Επιλογή διαλύτη Ο συντελεστής κατανομής (dstrbuton coeffcent) και η εκλεκτικότητα (selectvty) είναι οι πιο σημαντικές ιδιότητες που καθοδηγούν την επιλογή του κατάλληλου διαλύτη. Ο συντελεστής κατανομής, κατ αναλογία με την ισορροπία ατμών-υγρού, ορίζεται ως ο λόγος των συγκεντρώσεων της ουσίας στις δύο υγρές φάσεις, του εκχυλίσματος και του υπολείμματος: ' K C C E R K x x E R R E Εκλεκτικότητα είναι η ικανότητα του διαλύτη να διαλύει επιλεκτικά το επιθυμητό συστατικό από το μίγμα τροφοδοσίας σε σχέση με τα άλλα συστατικά. Είναι το ανάλογο της σχετικής πτητικότητας στην περίπτωση της ισορροπίας ατμώνυγρού. Η εκλεκτικότητα, β, του διαλύτη ως προς δύο συστατικά, A και C, ορίζεται από τη σχέση: β A / C K K E A R C x x x x E A R A E C R C Αντίστοιχα εργαζόμαστε και με κλάσματα βάρους

6 Επιλογή διαλύτη Συντελεστής κατανομής της διαλυμένης ουσίας Μεγάλος συντελεστής κατανομής σημαίνει ότι ο διαλύτης έχει μεγάλη έλξη προς τη διαλυμένη ουσία. Αυτό οδηγεί σε μικρούς λόγους ροών διαλύτη ως προς διαλυμένη ουσία στην τροφοδοσία. Εκλεκτικότητα Τιμές εκλεκτικότητας μακριά από τη μονάδα οδηγούν σε εύκολο διαχωρισμό, χρήση μικρού αριθμού βαθμίδων εκχύλισης. Κατ αναλογία με την απόσταξη, τιμές β=1 υποδηλώνουν αδύνατη εκχύλιση. Πυκνότητα και ιξώδες Μεγάλες διαφορές στην πυκνότητα της φάσης του εκχυλίσματος σε σχέση με αυτή του υπολείμματος οδηγεί σε εύκολο διαχωρισμό των φάσεων μέσω βαρύτητας. Μεγάλα ιξώδη οδηγούν σε δυσκολίες κατά την άντληση των υγρών και την διασπορά των φάσεων. Ευκολία στην ανάκτηση του διαλύτη ιαλύτες με μικρή διαλυτότητα και μεγάλη διαφορά πτητικότητας σε σχέση με τα συστατικά του μίγματος της τροφοδοσίας οδηγεί σε εύκολο διαχωρισμό του με απόσταξη. ιαλύτες με μικρή ενθαλπία εξάτμισης.

7 Επιλογή διαλύτη Τοξικότητα και ευφλεκτότητα Οι διαλύτες πρέπει να είναι όσο το δυνατό μη τοξικοί και άφλεκτοι. Συμβατότητα Πρέπει να είναι βέβαιο ότι το τελικό προϊόν δεν είναι επιμολυσμένο από διαλύτη. Αυτό είναι πολύ σημαντικό κυρίως σε εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων και φαρμάκων. Αντιδράσεις Οι διαλύτες δεν πρέπει να αντιδρούν με τα συστατικά του μίγματος της τροφοδοσίας. Διάβρωση Οι διαλύτες πρέπει να είναι συμβατοί με τα υλικά κατασκευής των συσκευών μη προκαλώντας διαβρώσεις. Διαθεσιμότητα και κόστος

8 Λειτουργικές παράμετροι υγρής εκχύλισης Ανάλογα με τη φύση της διεργασίας της εκχύλισης, η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής και το ph επιδρούν στην απόδοση και την επιλεκτικότητα της διεργασίας. Θερμοκρασία Επιδρά και στη διαλυτότητα (συντελεστές κατανομής) και στην εκλεκτικότητα. Χρόνος παραμονής Αύξηση του χρόνου παραμονής αυξάνει την απόδοση (πως επιτυγχάνεται η ρύθμιση του?) ph Το ph είναι σημαντικό κυρίως σε εκχυλίσεις μετάλλων και βιομορίων. Μερικές φορές, ο διαλύτης μπορεί να συμμετέχει σε ανεπιθύμητες αντιδράσεις υπό ορισμένες συνθήκες ph (π.χ. ο οξικός αιθυλεστέρας μπορεί να υφίστανται υδρόλυση παρουσία ανόργανων οξέα σε οξικό οξύ και αιθανόλη). Πίεση Η πίεση λειτουργίας έχει αμελητέα επίδραση στην απόδοση εκχύλισης και ως εκ τούτου οι περισσότερες εκχυλίσεις πραγματοποιούνται σε ατμοσφαιρική πίεση (προσοχή στην τάση ατμών των ουσιών που συμμετέχουν στη διεργασία).

9 Συσκευές υγρής εκχύλισης F F E ή E 1 S 1 E 1 R 1 R 1 E 2 S 2 E 2 R 2 R 2 E 3 S 3 E 3 R 3 R ή R 3 S Εκχύλιση διασταυρούμενης ροής (cross-flow) Εκχύλιση κατ αντιροή (Counter current flow)

10 Συσκευές υγρής εκχύλισης R n+1 E n Stage n R n E n-1

11 Αρχή λειτουργίας υγρής εκχύλισης κατ αντιροή

12 Συσκευές υγρής εκχύλισης Πύργος εκχύλισης με ανάδευση τύπου RDC (Rotary Dsk Conductor). Εντός του πύργου περιστρέφεται κεντρικός άξονας με μεγάλο αριθμό οριζόντιων δίσκων ενώ για καλύτερη ανάμειξη στα τοιχώματα χρησιμοποιούνται κυκλικοί ανακλαστήρες, Πύργος εκχύλισης τύπου Oldshue Rushton. Εντός του πύργου περιστρέφεται κεντρικός άξονας εφοδιασμένος με αναδευτήρες τύπου τουρμπίνας ενώ στα τοιχώματα υπάρχουν κατακόρυφοι ανακλαστήρες.

13 Τυπικό σύστημα υγρής εκχύλισης