Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens. ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΥΓΡΟΥ- ΥΓΡΟΥ Liquid- Liquid Extraction

Transcript

1 Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΥΓΡΟΥ- ΥΓΡΟΥ Liquid- Liquid Extraction

2 Ορισμός Εκχύλισης Υγρού- Υγρού Αποτελεί μια διεργασία μεταφοράς μάζας στην οποία ένα υγρό διάλυμα (τροφοδοσία) έρχεται σε επαφή με ένα μη ή σχεδόν μη αναμίξιμο υγρό (διαλύτης) το οποίο εμφανίζει εκλεκτικότητα ως προς ένα ή περισσότερα από τα συστατικά της τροφοδοσίας. Υδατική φάση Οργανικός Διαλύτης (Τροφοδοσία) Προσθήκη καθαρής μη αναμίξιμης υδατικής φάσης Ανακίνηση ή ανάδευση Οι δυο φάσεις αποκαθίστανται και διαχωρίζονται Ως εργαστηριακή διεργασία Ως βιομηχανική διεργασία

3 Βασικές Αρχές Εκχύλισης Υγρού- Υγρού (1) Σε μια μονάδα εκχύλισης υγρού-υγρού, ένα υγρό ρεύμα (φορέας) που περιέχει τα συστατικά που πρόκειται να ανακτηθούν (διαλελυμένα) ρέει σε έναν εκχυλιστήρα, όπου έρχεται σε επαφή με έναν διαλύτη. Τα δύο υγρά πρέπει να είναι μη αναμίξιμα ή ελάχιστα αναμίξιμα. Αυτό τους επιτρέπει να σχηματίσουν μια διασπορά, με το ένα υγρό να είναι διασκορπισμένο ως σταγονίδια στο άλλο. Η μεταφορά μάζας λαμβάνει χώρα μεταξύ των σταγονιδίων (διασκορπισμένη φάση) και του περιβάλλοντος υγρού (συνεχής φάση). Προκειμένου τα δύο υγρά να διαχωριστούν στη συνέχεια, πρέπει να έχουν διαφορετικές πυκνότητες. Τα σταγονίδια στη συνέχεια συσσωρεύονται πάνω ή κάτω από τη συνεχή φάση, ανάλογα με τη σχετική πυκνότητα των υγρών.

4 Βασικές Αρχές Εκχύλισης Υγρού- Υγρού (2) Υπάρχουν δύο προϋποθέσεις για την πραγματοποίηση της εκχύλισης υγρού- υγρού: Τα συστατικά που πρέπει να ανακτηθούν από την τροφοδοσία να διανέμονται κατά προτίμηση στον διαλύτη Οι φάσεις τροφοδοσίας και διαλύτη πρέπει ναείναι ουσιαστικά μη αναμίξιμες

5 Πότε και Γιατί Χρησιμοποιείται η Εκχύλισης Υγρού- Υγρού; i. Διαχωρισμός συστατικών μίγματος με παραπλήσια σημεία ζέσεως ( οξικό οξύ/ acetic acid (118 C) και νερό (100 C)) αλλά με διαφορετική διαλυτότητα ii. Ανάκτηση θερμοκρασιακά- ευαίσθητων ουσιών (όπως αντιβιοτικά) iii. Αζεοτροπικά μίγματα iv. Απομάκρυνση συστατικών που είναι παρόντα σε εξαιρετικά μικρές συγκεντρώσεις v. Σε διαχωρισμούς που βασίζονται στο χημικό τύπο των ουσιών παρά στη σχετική πτητικότητα τους

6 Βιομηχανικές Εφαρμογές Εκχύλισης Υγρού- Υγρού Χημικές Διεργασίες Απομάκρυνση οξέων/ βάσεων, πολικών ενώσεων από οργανικές Ανάκτηση πολύτιμων χημικών ενώσεων από υδατικά διαλύματα Βιοχημικές Διεργασίες Ανάκτηση καρβοξυλικών οξέων από ζωμούς ζύμωσης Ανάκτηση πολύτιμων ελαίων από ζωμούς φυκών Επεξεργασία Λυμάτων Ανάκτηση φαινολών, DMF, DMAC Ανάκτηση οξικού οξέος από αραιά υδατικά διαλύματα Φαρμακοβιομηχανία Ανάκτηση ενεργών συστατικών από ζωμούς ζύμωσης Απομόνωση προϊόντων βιταμινών Διεργασίες Πολυμερών Ανάκτηση caprolactam για την παραγωγή nylon Διαχωρισμός καταλύτη από προϊόντα αντίδρασης Βιομηχανία Πετρελαίου Βελτίωση ποιότητας λιπαντικού ελαίου Διαχωρισμός αρωματικών και αλειφατικών ενώσεων Βιομηχανία Τροφίμων Απομάκρυνση καφεΐνης από προϊόντα καφέ, τσάι Διαχωρισμός αιθέριων ελαίων Μεταλλουργία Παραγωγή χαλκού Ανάκτηση σπάνιων γαιών Ανόργανη Βιομηχανία Απομόνωση φωσφορικού οξέος Πυρηνική βιομηχανία Απομόνωση ουρανίου

7 Διάταξη Εκχύλισης Υγρού- Υγρού flavors και αρωμάτων Καθαρισμός ολικού εκχυλίσματος αιθέριου ελαίου Μίγμα νερού: αλκοόλης Ανάκτηση ελαίου Υδρογονάνθρακες (εξάνιο, επτάνιο, κλπ.) Απομάκρυνση προσμίξεων όπως χλωροφύλλες, κλπ.

8 Διάταξη Εκχύλισης Υγρού- Υγρού οξικού οξέος (acetic acid) Αν η τροφοδοσία υδατικής φάσης περιέχει <30% acetic acid, η εκχύλιση υγρού- υγρού αποτελεί μια πιο οικονομική λύση από ότι η απόσταξη για την απομάκρυνση και ανάκτηση του οξικού οξέος καθώς τα λειτουργικά κόστη που σχετίζονται με την απομάκρυνση του νερού ξεπερνούν τα κόστη κεφαλαίου του εξοπλισμού της διεργασίας εκχύλισης υγρού- υγρού.

9 Τρόποι Λειτουργίας Εκχύλισης Υγρού- Υγρού i. Εκχύλιση μη συνεχούς ροής (Batch extraction) Ενός ή πολλαπλών σταδίων ii. Εκχύλιση πολλαπλών βαθμίδων συνεχούς ροής Κατ ομορροή Κατ αντιρροή Διασταυρωτή ροή

10 Batch Extraction α) β)

11 Εκχύλιση συνεχούς ροής - πολλαπλών βαθμίδων Τροφοδοσία Διαλύτης Υπόλειμμα 1 Υπόλειμμα 2 Υπόλειμμα 3 Stage 1 Stage 2 Stage 3 Εκχύλισμα 1 Εκχύλισμα 2 Εκχύλισμα 3 Κατ ομορροή Τροφοδοσία Εκχύλισμα 1 Υπόλειμμα 1 Υπόλειμμα 2 Υπόλειμμα 3 Stage 1 Stage 2 Stage 3 Εκχύλισμα 2 Εκχύλισμα 3 Διαλύτης Κατ αντιρροή Διαλύτης Διαλύτης Διαλύτης Τροφοδοσία Υπόλειμμα 1 Υπόλειμμα 2 Υπόλειμμα 3 Stage 1 Stage 2 Stage 3 Διασταυρωτή ροή Εκχύλισμα 1 Εκχύλισμα 2 Εκχύλισμα 3

12 Κύριοι Τύποι Εξοπλισμού Εκχύλισης Αναμικτήρες/ Διαχωριστήρες (Mixer Settlers) Στήλες (Column contactors) Φυγοκεντρικοί εκχυλιστήρες Χρησιμοποιούνται κυρίως στη μεταλλουργική: Μεγάλες ροές Έντονη Ανάδευση Μεγάλος χρόνος παραμονής Διαβρωτικά υγρά Στατικές Αναδευόμενες Χρησιμοποιούνται κυρίως στη φαρμακοβιομηχανία: Μικροί όγκοι Μικρός χρόνος παραμονής Διαχείριση συστημάτων με μικρή διαφορά πυκνότητας Καταιονισμού Σπάνια Χρήση Στήλες με πληρωτικό υλικό Χρήση σε: Διύλιση Πετροχημική βιομηχανία Στήλες με δίσκους Χρήση σε: Διύλιση Πετροχημική βιομηχανία π.χ Sieve Παλλόμενες Χρήση σε: Πυρηνική Ανόργανη Χημική βιομηχανία π.χ Packed Tray Περιστροφικές Παλλινδρομικές Χρήση σε: Χημική Πετροχημική βιομηχανία Φαρμακοβιομηχανία Διύλιση π.χ Karr π.χ RDC Sceibel

13 Αναμικτήρες/ Διαχωριστήρες (Mixer Settlers) Αρχή Μεθόδου: Οι δυο φάσεις αρχικά αναδεύονται και στη συνέχεια διαχωρίζονται μέσω καθίζησης. Κατά τη διάρκεια της ανάμιξης, η μια από τις δυο φάσεις διασπείρεται με την μορφή μικρών σταγονιδίων στην άλλη υγρή φάση. Ο ρυθμός καθίζησης μπορεί να αυξηθεί αντικαθιστώντας τις βαρυτικές δυνάμεις με φυγόκεντρες. Αυτό είναι απαραίτητο εάν η διαφορά πυκνότητας των δυο φάσεων είναι μικρή. Χαρακτηριστικά: Χειρίζεται πολύ μεγάλες ροές Κατάλληλος για διεργασίες με σχετικά χαμηλή ταχύτητα αντίδρασης Παρέχει έντονη ανάδευση για προώθηση φαινομένων μεταφοράς μάζας Απαιτεί μεγάλο χώρο εγκατάστασης Μεγάλος όγκος Διαλύτη Video 1

14 Περιορισμός Χρήσης Mixer/ Settler Υψηλή επιφανειακή τάση Μικρή διαφορά πυκνότητας μεταξύ των δυο υγρών φάσεων Υψηλά ιξώδη των υγρών διαλυμάτων Ανεπαρκείς οι δυνάμεις βαρύτητας Απαραίτητο κάποιο είδος μηχανικής ανάδευσης ώστε να αυξηθεί η διεπιφανειακή περιοχή ανά μονάδα όγκου ή να μειωθεί η αντίσταση μεταφοράς μάζας Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι εκχυλιστήρες είναι οι μηχανικά αναδευόμενες στήλες που χρησιμοποιούν περιστρεφόμενους αναδευτήρες που κινούνται μέσω ενός άξονα που εκτείνεται αξονικά μέσα στη στήλη.

15 Στήλες με Περιστροφική Ανάδευση - Scheibel column Αρχή Μεθόδου: Σε έναν κεντρικό άξονα τοποθετούνται ακτινικά τουρμπίνες οι οποίες προωθούν την κυκλοφορία σε κάθε διαμέρισμα Χαρακτηριστικά: Μεσαία χωρητικότητα: m 3 /m 2 -hr Υψηλή αποτελεσματικότητα

16 Στήλες με Περιστρεφόμενους Δίσκος- Rotating Disc Contactor Χαρακτηριστικά: Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός εκχύλισης Αποτελείται από οριζόντιους δίσκους τοποθετημένους σε έναν κεντρικό περιστρεφόμενο άξονα Μεσαία χωρητικότητα: m 3 /m 2 -hr Κατάλληλος για ιξώδη διαλύματα Ακατάλληλος για συστήματα γαλακτωμάτων λόγω της υψηλής ταχύτητας ανάμιξης Video 2 16

17 Kuhni Column Χαρακτηριστικά: Η στήλη χωρίζεται σε διαμερίσματα που αποτελούνται από σειρές διάτρητων δίσκων Σε έναν κεντρικό άξονα τοποθετούνται ακτινικά τουρμπίνες οι οποίες προωθούν την κυκλοφορία σε κάθε διαμέρισμα

18 Στήλες με Διάτρητους Δίσκους- Sieve tray column Αρχή Μεθόδου: Η βαριά φάση είναι η συνεχής φάση, που ρέει με φορά προς τα κάτω στη στήλη μέσω ενός καθοδικού αγωγού. Η διεσπαρμένη φάση ρέει κάθετα με φορά προς τα επάνω στη στήλη, με επαναδιασπορά σε κάθε δίσκο. Χαρακτηριστικά: Μεγάλη χωρητικότητα: m 3 /m 2 -hr Υψηλή αποτελεσματικότητα Εφαρμογές: Εκχύλιση αρωματικών από πετρέλαιο- βενζίνη Εκχύλιση μη σιδηρούχων μετάλλων σε χαμηλές συγκεντρώσεις (uranium, cobalt, silver) από υδατικά διαλύματα Εκχύλιση ελαίου από υδατικά διαλύματα Video 3 18

19 Στήλες με Πληρωτικά Υλικά- Packed column Αρχή Μεθόδου: Βελτιώνει τα φαινόμενα μεταφοράς μέσω της διάλυσης των μεγάλων σταγόνων ώστε να αυξηθεί η διεπιφανειακή περιοχή και να προωθηθεί η ανάμειξη των σταγόνων. Χαρακτηριστικά: Μεγάλη χωρητικότητα Χαμηλή αποτελεσματικότητα Απαιτεί χαμηλή διεπιφανειακή τάση Περιορισμός ως προς τη φάση που μπορεί να διασπαρθεί Video 4 19

20 Στήλες με Παλινδρομικώς Κινούμενους Δίσκους- KARR Reciprocating Column Χαρακτηριστικά: Οι δίσκοι κινούνται πάνω- κάτω περίπου 2 φορές ανά δευτερόλεπτο σε μήκος 0.75 inch Υψηλή χωρητικότητα: m 3 /m 2 -hr Μεσαία αποτελεσματικότητα Ομοιόμορφη ανάμιξη Κατάλληλη για συστήματα γαλακτωμάτων Video 5 20

21 Φυγοκεντρικοί εκχυλιστήρες Χαρακτηριστικά: Στους εκχυλιστήρες αυτούς επιτυγχάνεται κίνηση των δύο φάσεων κατ αντιρροή και υψηλές διατμητικές δυνάμεις που οδηγούν σε υψηλούς ρυθμούς εκχύλισης. Μικρός χρόνος παραμονής, κατάλληλος για φαρμακευτικές εφαρμογές Video 6 21

22 Τυπική Διάταξη Εκχύλισης Υγρού- Υγρού Στάδια εκχύλισης Ανάμιξη του αρχικού διαλύματος και του διαλύτη Διαχωρισμός των δύο φάσεων Ανάκτηση του διαλύτη από κάθε μία φάση

23 Διεργασία Εκχύλισης Υγρού- Υγρού Συμβολισμοί: Το υπόλειμμα συμβολίζεται με x Το εκχύλισμα συμβολίζεται με y Διαλυμένη ουσία: ουσία που θέλουμε να ανακτήσουμε από την τροφοδοσία (A) Τροφοδοσία: μια από τις υγρές φάσεις του συστήματος Διαλύτης: προστιθέμενη υγρή φάση Εκχύλισμα: Ο διαλύτης βρίσκεται ως επί των πλείστων σ αυτή τη στοιβάδα Επιδιώκεται η διαλυμένη ουσία να βρίσκεται κυρίως στο ρεύμα του εκχυλίσματος yy EE,AA = συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας (Α) στο εκχύλισμα Υπόλειμμα: εναπομένουσα διαλυμένη ουσία= xx RR,AA

24 Συντελεστές κατανομής- Εκλεκτικότητα Συντελεστής κατανομής ενός διαλυμένου συστατικού Α μεταξύ του διαλύτη S και της φέρουσας φάσης C KK AA = yy AA,EE xx AA,RR = γγ AA,RR γγ AA,EE όππππππ γγ σσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσ εεεεεεεεεεεεεεεεεεεεε Συντελεστής κατανομής της φέρουσας φάσης C και του διαλύτη S KK C = yy CC,EE xx CC,RR = γγ CC,RR γγ CC,EE KK SS = yy S,EE xx SS,RR = γγ SS,RR γγ SS,EE Εκλεκτικότητα του διαλυμένου συστατικού Α με βάση τη φέρουσα φάση C Εκχύλισμα, Ε (kmol/h) (ουσίες S, A και πιθανά C) Τροφοδοσία, F (kmol/h) (φέρουσα φάση C και διαλυμένη ουσία A) SS AAAA = KK AA KK CC = yy AA,EE xx AA,RR yy CC,EE xx CC,RR = γγ AA,RR γγ AA,EE γγ CC,RR γγ CC,EE Διαλύτης, S (kmol/h) (ουσία S) Υπόλειμμα, R (kmol/h) (ουσίες C, A και πιθανά S)

25 Επιλογή Διαλύτη Εκλεκτικότητα του διαλυμένου συστατικού Α: SS AAAA > 1, SS AAAA >>>> 1 (Διάλυση της ουσίας προς διαχωρισμό και σε μικρότερα ποσά τις υπόλοιπες ουσίες του αρχικού διαλύματος) Συντελεστής κατανομής: K >>>> 1 Αναμιξιμότητα διαλύτη: Μη αναμίξιμος στη φάση του υπολείμματος Ανάκτηση διαλύτη: Εύκολος διαχωρισμός από φάση υπολείμματος και εκχυλίσματος Πυκνότητα: Μεγάλη διαφορά πυκνότητας με τη φέρουσα φάση Μη αναφλέξιμος, μη διαβρωτικός, μη τοξικός Σχετικά χαμηλό ιξώδες, ώστε να αντλείται και να αναδεύεται εύκολα Σχετικά χαμηλή πτητικότητα ώστε να αποφεύγεται η απώλεια λόγω εξάτμισης κατά το στάδιο της εκχύλισης αλλά και της αναγέννησής του