Overview
ソース: ケリー ・ m ・ ドゥーリーとマイケル g. ベントン、工業化学科、ルイジアナ州立大学、バトン ルージュ, ルイジアナ
液-液抽出 (LLE) は蒸留の代わりに用いる分離技術とどちらか: (a) 分離する化合物の相対的なボラティリティが非常に似ています。(b) 1 つ以上の混合物成分の環境状態にも近い敏感な温度は、します。(c) 蒸留には、非常に低圧または非常に高い留出油/飼料の比率を必要があります。1物質移動の原動力は、2 つ他不混和性または部分的に水溶性のストリーム (フィードと溶媒) の 1 つのマテリアル (溶質) の溶解度の違いです。フィードおよび溶媒のストリームの混合し、分離し、フィードから溶媒に転送する溶質を許可します。通常、対向流を用いた連続した段階でこのプロセスが繰り返されます。溶質の豊富な溶媒は放っておいて、溶質枯渇フィードはエマルションと抽出と呼ばれます。フィードと溶媒のストリームとの間の合理的な密度差が抽出できます縦の列を使用して一連の混合と図り、沈降槽その他の場合使用できます。
この実験ではイソプロパノール (IPA, 10 〜 15 重量 %、溶質) を抽出することです C8の混合物から運用の目標-に-C10炭化水素溶媒として純水を使用します。ニューヨーク Scheibel 型 (垂直ミキサーと coalescers、物理的な段階ごとに 1 つ) 抽出列が使用。ほとんどの抽出のようなこの列の全体的な効率 (数理論的な段階の物理的な段階) が非常に低く、特に多くの蒸留塔と比較しています。低効率にもフェーズの偏在から両方遅い大量転送 (蒸留のような 1 つではなく 2 つの液体抵抗) から、多くの場合が発生します。抽出と全体的なカラム効率両方溶質回収撹拌速度の影響が評価されます。
Principles
A) ・ マッケーブ シール法か b) プロセスのシミュレータ (アスペン、HYSYS、ChemSep など) を使用して平衡 (理論的な) 段階の数を推定します。・ マッケーブ シール法は、抽出溶媒と、残液の希釈剤化合物の両方の溶解度は無視されている意味、無溶剤型基礎で採用されています。向流の液体液体抽出の段階表現は図 1 に示すように、F' はフィード (定)、S のモル流量 'f X (定)、抽出物のモル流量ですのモル分率フィードの溶質、Ysは溶媒の溶質のモル分率は、Yeは溶剤抽出のストリーム、およびr X での溶質のモル分率は飛まつストリームの希釈液の溶質のモル分率。
図 1: 抽出プロセスの段階表現。
定常状態、列のフィード エンドと任意の段階の間の溶質の物質収支で n (上記点線) は、営業線に します。
(1)
特に、数式が列の両端にので満たされるポイント (XfYe)、(r, Ys) X 線上にあります。付録の平衡データは、(グラフまたは数値) 列をステップに、この方程式と組み合わせて使用できます。
プロセスのシミュレータは、平衡の段階がのより厳密なステージに計算を行うことができます。NRTL または UNIQUAC のいずれかの方法 (付録のパラメーターの両方のセット) は、平衡関係をモデル化する使用ことができます。ただし、シミュレータの大きな利点は、彼らあなたに教えてどのくらい溶剤風を抽出物とどのくらい希釈剤は、エマルションの風を。また断熱の列、または列に等温保持する熱義務の出口温度を与えることができます。
A ニューヨーク Scheibel装置を図 2 に示します。下部 (11 段階) または列 (6 段階) の中で、フィードを導入できます。
図 2: ニューヨーク Scheibel 液-液抽出装置。
抽出ユニットは、それぞれ 1 インチ ミキシング セクションのパッキング (合体) セクション 4 インチ ワイヤー メッシュで構成される 11 の抽出段階の 2"内径パイレックス コラムで構成されます。列は外輪型 (ラシュトン タービン) 攪拌機によって機械的に興奮しています。コントロール ・ ノブとコントロール パネルのデジタル読み出しの可変速モーター攪拌機の速度を制御します。Rotameters フィードと溶媒の入り江のそれらの流量を測定するために使用されます。エキスとエマルションの流量は、メスシリンダーとストップウォッチで測定できます。
次の方程式は関係 (流れもチェックできる、メスシリンダーと) 体積流量に浮子式流量計の測定値です。
(2)
(3)
Ffがフィード フロー レート (〜 10 重量 %ipa) mL/分、Rfはフィード浮子式流量計の読書、Fsは ml/分で溶剤の流量、抜きsは溶媒浮子式流量計読書。
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Procedure
この実験では、n ノナンのプロパティは、平衡データ用炭化水素混合物のそれらによい近似をします。三元系水/イソプロパノール/n-ノナン展示は私に部屋の温度で平衡動作 (どのフェーズに分割が行われないいくつかの組成範囲がある) を入力します。このシステムの平衡データは付録で見つけることができます。
1. ニューヨーク-Scheibel 列の営業
- (必要に応じて) 炭化水素混合物/IPA フィードとエクス トラクターを記入し、給電線から空気を逃します。供給量をオフにします。
- ミキサーを起動し、アジテータ速度を一定に保ちます。
- 溶剤、フィード、抽出、飛まつボール バルブを開く列に溶媒 (水) の流れを開始します。
- インターフェイスを溶媒の入り口とエマルションの出口の間に存在しない場合は、分散相上昇させるし、上位インタ フェースを形成します。
- 供給量の場合上位インタ フェース フォーム (再-) 開始します。
- 塔の下部から抽出ラインで逆 U の高さを調整することによって、インターフェイス レベルを制御します。上位インタ フェース レベル調整 (逆 U) は敏感です。インチの分数の動きが十分多い。
- ガス ・ クロマトグラフィーを使用して安定した状態をエマルション ストリームを定期的にチェックします。ガスの chromotagraph が分離してサンプルのコンポーネントを定量化します。
- 比重計を使用して抽出ストリームの比重を測定し、組成を決定します。(これも助けることができるその定常状態に達していることを確認します。)ペリーのハンドブックと比重のテーブル抽出ストリーム構成を見つけることができます。3重量 % の IPA で補間するこのデータを使用できます。
- 比重計を使用して、フィードと後続の計算で使用するエマルションの比重を測定します。
2. シャット ダウン手順
- 実験が完了したら、アジテータおよび主電源スイッチをオフに。
- フィードとエマルションとエキスのボール弁を開いたまま溶剤のボール弁を閉じます。
液-液抽出、または、LLE は、温度に敏感な部品または類似した溶媒沸点ポイントのための蒸留と切り離すことができない液体を分離するために使用手法です。LLE の物質移動は、不混和性または部分的に混和性フィードおよび溶媒ストリーム内溶質の溶解度の違いによって駆動されます。溶質を含むフィード ストリームは、しばしばフィードから溶媒に転送する溶質を許可する、アジテーターを使用して溶媒のストリームを混ぜています。劣化、フィード、エマルションとして知られている、溶質の豊富な溶媒のエキスから分離されています。このビデオを説明 n ノナン、純水を使用してからのイソプロパノールの抽出・どのオペレーティング変数に影響を与える全体のカラム効率を研究します。
LLE は通常並み流または向流流れを使用して連続的な段階で実行されます。カウンターの現在のシステムが一般に好ましいは、彼らがより効率的になる傾向があります。通常、段階が 1 つの単位内で収容されています。向流抽出列は、2 つの方法を設定できます。溶媒は、フィード液や希釈液よりも重いが、列の上部に溶剤を導入し、溶質が下部に終了します.溶剤希釈剤よりも軽いが、列の下部に溶媒を導入し、溶質が上部に列を終了します.定常状態におけるプロセスのフィード エンドと N で示される任意の段階の間の溶質の物質収支はとおりです。ここで X は、希釈剤の溶質のモル分率は、Y は、溶媒に溶質のモル分率です。F フィード希釈液のモル流量と S は溶媒のモル流量。理論的な版の解析は、分離プロセスの効率を評価する使用されます。これらのプレートは、2 つのフェーズがそれぞれ平衡仮説の段階です。二つの液体が均衡に段階で、いずれかの濃度変化がないことを意味場合は、ステージは、理論段数と見なされますし、長くミキシング時間を付与します。理論的な版の数が多いほどより効率的なプロセス。温度などの変数を操作、圧力、流量、撹拌効率とそのため理論段数分析に影響します。次の実験は n ノナンから溶質のイソプロパノールを抽出する LLE プロセスを検討する溶媒として水を使用しています。このシステムは、3 つの液体を含む三元系と呼びます。多くの場合、すべての 3 つの液体成分はある程度混和性であります。これらおよび他の溶媒のための平衡動作は文献で見つけることが。LLE とその操作の基本を説明している、今、分離処理を見てをみましょう。
ニューヨーク-Scheibel 列は、この実験のために使用されます。1 つの垂直ドライブに接続されている内部パドル ホイール羽根車をもつ興奮列です。各レベルは、金網相分離を有効にする梱包を含み、個々 の段階を提供するためにパーティションで区切られています。アジテータ速度を制御するのにコントロール パネルのコントロール ・ ノブとデジタル読み出しを使用最初。フィードと溶媒の入り江の rotameters を使用して、フィードおよび溶媒の流量を測定します。エキスとエマルションの流量を測定するのにメスシリンダーと時計を使用します。ミキサーを起動し、300 rpm で攪拌速度を一定に保ちます。溶剤、フィード、抽出、エマルション用ボールバルブを開きます。目的 1 分あたり 200 ミリリットルの割合で溶剤のフィード モル比を取得する列に水の流れを開始します。エマルション溶媒出入り間のインタ フェースが存在するかどうかを観察、もし、上位インタ フェースを形成する分散相上昇できます。フィードのフローを開始とき上位インタ フェース フォーム。慎重に 2 つのフェーズの間上位インタ フェースのレベルを制御する塔の下から抽出ラインで逆 U の高さを調整します。こうして、エマルション相を抽出タンク調整、低すぎる場合にフローしないようにまたはインターフェイスの設定が高すぎる場合、抽出液がエマルション タンクに流れていないです。
収集は、飛まつサンプル時点 4 ミリリットル瓶で 10 分ごとをサンプリングします。ガス ・ クロマトグラフィーまたは GC を使用して、コンポーネントを定量化し、定常状態に達していることを確認します。次に、クリーン メスシリンダーを使用すると、サンプル時点で、抽出物の 250 ミリリットルを収集し、比重や水、比重計を使用してサンプルの相対的な密度を測定します。% 重量を補間表示する抽出ストリーム合成比重と、指定されたテーブルを使用してサンプルのイソプロパノールの。2 その他フィード-低金利の手順を繰り返します。溶媒のフィード比と撹拌速度を一定に保つことを確認します。完了したら、アジテータおよび主電源スイッチをオフにしてフィードとエマルションとエキスのボール弁を開いたまま溶剤のボール弁を閉じます。今、結果を評価してみましょう。
まず、様々 なフィード流量と様々 な撹拌イソプロパノールの % の回復を見てみましょう。フィード フロー数の増加と % 回復増加し、レベルをオフ。これは典型的な洪水の近くではないシステムです。動揺が激しくなりレートが回復を % も増加。ステージ効率、コンピューター シミュレーションによる理論段数を用いた計算は、これらのパラメーターの影響を受けます。予想通り、ステージ効率と % 回復は高い流量と攪拌増加します。これは改良された混合、小さな水滴と改良された分散の結果によって生じた向上物質移動、しかしより高い送り速度で頭打ちにリレーションシップの両方。効率と % 回復の頭打ちや乳化や洪水により最終的に減少します。エマルジョンの形成に悪影響を与える回復し効率フェーズが上または下の次の段階に移動するためにきれいに区切ることができますされなくなりますので。魅力的な代替シリーズのミキサーと入植者の船を作るニューヨーク Scheibel ユニットのようなシステムの問題があります。
液-液抽出分離の広い範囲で使用される分離手法で、さまざまな設定で使用できます。フェーズの乳化が挑戦する場合、ミキサー解決者タンク シリーズを使用できます。この簡単なセットアップは、2 つのフェーズが、攪拌機で混合されているタンクを採用しています。2 つのフェーズは、入植者のタンク、重い相が最終的に底に落ち着くし、タンクの底にあるコンセントから抜いて合体します。光の位相は上部に落ち着くし、別のコンセントを介して削除されます。溶質の溶解度特性を活かしたもう一つの分離技術は、固液抽出です。固液抽出、固体マトリックス中における溶質の現在は積極的な混合によって液体に抽出されます。この手法は、除草剤アトラジンの土壌からのような毒素の除去など、多くのアプリケーションの大規模な使用されます。
液-液抽出のゼウスの概要を見てきただけ。今、ニューヨーク Scheibel 列および攪拌機、流量などのプロセス変数が溶質の回復と列の効率に与える影響を使用して LLE 抽出の基本を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。
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Results
図 3 と 4 は、アジテーション、供給流量の広い範囲にわたって変化したときに結果を表示します。全体的な効率と回復洪水の近くではなく、液液抽出のかなり典型的である、漸近的になる前に増加します。浸水状態の近くでに、全体的な効率性とリカバリが大幅に減らすことと予想されます。蒸留とは異なり、いずれかの高い溶媒液-液抽出の場所を取ることができる洪水または高送りレート (または比) に注意してください。1この実験で軽い有機相はまた分散 (液滴) 相高送りで、洪水前に液滴合体質量の率を下げるためリード転送し、回収率が低いため、予想は、効率。回復と効率ままフラッディング点の非常に近くまで高いと予想されますので率溶媒で水滴が、小さいままする必要があります。
図 3: IPA の水、ニューヨーク Scheibel 列、11 段階、Isopar E (フィード) S/F (モル) で 16-18 mol %ipa に炭化水素の混合物からの回復率 1.5 を = します。
図 4:ニューヨーク Scheibel 列、11 段階、炭化水素混合物 (フィード), S/F (モル) で 16-18 mol %ipa を使用して IPA 抽出のためのパーセントの全体的なステージ効率 = 1.5 。
図 3 と 4 から見ると、攪拌率を増加させるにつれて回復と全体的な効率の両方。大きい電源入力分散相の液滴が小さく - 観測の依存性は撹拌速度に関してほぼ逆です。4物質移動相関と基礎の質量流束均一球形粒の方程式が次のように書き込み可能に表示される"a"のパラメーター (界面領域/総容積)。
= 6 ε/d (4)
ここで ε は分散相の体積率です。Ε は、いずれかの相の表面的な速度の増加を増やすことができます、その変更は通常以下の速度への点が付いている直径の変化よりもマーク。ので (通常は) より多くの速度より界面領域物質移動高速化に 。
上記の議論の例外は、2 つのフェーズがそうよく混合されてそれらの間の界面張力が低い場合乳化は場所を取る、図 3 と 4 に達していないが、非常に高い速度でです。エマルジョンの形成に悪影響を与える回復し効率フェーズは次の物理的な段階上下移動するもはやきれいに区切ることができますので。乳化液-液抽出、多くの問題であるし、限定できないシリーズのミキサーと入植者の船のシリーズはふるいトレイなどニューヨーク Scheibel 単位列型デザインに最寄り頻繁。
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Applications and Summary
液-液抽出 (LLE) は蒸留溶剤フィード不混和現象 (またはわずかな混和性) に依存する代替と低としてで溶媒に溶質回収率高を達成するために良好な溶質の分配係数相溶媒/フィード比現実的です。LLE が有効になります (「ターンダウン」) の流れの範囲が限られしばしばは、相平衡が得られないように、ステージ効率が低い中、ある特定の混合物だけ分けることができない継続的な他の方法を使用して向プロセス。このような抽出の平衡操作の数理解析 (ただし、逆流はしばしば欠けている、ので 1 つだけ営業線) おなじみ・ マッケーブ シール型プロシージャに続きます。世界の非平衡 (「単価」) 解析は複雑であり 2 つの段階間の相対速度によって強く決まる (「スリップ速度」) バブル サイズ、および分散相割合、すべての観察することができますが、予測が困難な。
完全に典型的な LLE の水理・物質伝達を記述するには、今でも最も洗練されたプロセスのシミュレータの機能を超えてです。したがって、産業用ユニットの設計はまだパイロット プラント型ユニット、この実験でテストされたことなどからスケール アップに依存します。通常、エンジニアは「、」パラメーターなど、溶剤/フィード比合計攪拌機電源入力/音量キー記述子を複製する、物理的な段階をスケール アップ中にステージの効率性と回復を一定に保つための場所と数をフィードしようと試みます。そうであっても、スケール アップは、間違えると、不純物の界面張力を変更し、大きく実際のシステムのパフォーマンスに影響を与えます。多くの要因は一定に保持されている可能性が高く、スケール アップは、成功するでしょう。
多くの異なる LLE 接触器がある: シリーズ ミキサー - 入植者の血管構造パッキン吸振器、蒸留塔、回転ディスク接触器、ふるいトレイ列で使用されるそれらに類似した (同様ニューヨーク-Scheibel の代わりにバッフル付けメッシュ)、Kuhni の接触器 (回転ディスクとふるいのトレイの組み合わせ)、および Podbielniak 接触器 (「ポッド」) の流れは放射状、遠心力で液相分離を高めるため。5
産業 LLE の古典的な例は水または酢酸エチル; エチル エーテルを使用してからの酢酸の分離6酢酸濃度蒸留以上が好ましい。おそらく最大ボリューム LLE プロセスはプロパンが脱歴のある超臨界条件下における製油所の潤滑油を絞り込むに使用されます。1ただし、ほとんどのアプリケーションがある特殊化学品の製造、製薬、発酵液から抗生物質の精製し、タンパク質精製クエン酸抽出に至る。1これらの場合、さまざまな酸素の有機溶剤または水溶液の二相系 (主にされている 1 つのフェーズで水と他の水溶存塩とポリマー) が利用されています。後者の代表的な高分子システムは poly(ethylene glycol)/デキストラン NaCl と Na の2として4塩します。アプリケーションには、赤血球細胞分離・ phophofructokinase 酵素の酵母からの抽出が含まれます。7
付録-平衡データ8
25 ° C でモル % で実験線
ケルビンで特定のモデルのパラメーター
| UNIQUAC | NRTL (、 = 0.2) | ||||
| 私 | J | AIJ | 庵治 | AIJ | 庵治 |
| 1 | 2 | -186.05 | 104.6 | 814.26 | -468.11 |
| 1 | 3 | 361.91 | 621.82 | 3151 | 1367.4 |
| 2 | 3 | -126.43 | 311.7 | 581.79 | -25.91 |
R1 = 0.92 R2 = 2.7792 R3 = 6.523
Q1 = 1.4 Q2 2.508 Q3 を = = 5.476
| 間平均偏差を計算と実験的濃度 mol %。 | |
| UNIQUAC (特定のパラメーター) | 1.4 |
| NRTL (特定のパラメーター) | 0.54 |
| UNIQUAC (既定のパラメーター) | 1.68 |
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References
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- W.L. McCabe, J.C. Smith, and P. Harriott, “Unit Operations of Chemical Engineering”, 7th Ed., McGraw-Hill, New York, 2005, Ch. 23; C.J. Geankoplis, “Transport Processes and Unit Operations”, 3rd Ed., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1993, Ch. 12; R.K. Sinnott, “Coulson and Richardson’s Chemical Engineering Vol. 6 – Chemical Engineering Design (4th ed.): http://app.knovel.com/hotlink/toc/id:kpCRCEVCE2/coulson-richardsons-chemical/coulson-richardsons-chemical
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