Overview
Fuente: Kerry M. Dooley y Michael g. Benton, Departamento de ingeniería química, Universidad Estatal de Louisiana, Baton Rouge, LA
Extracción líquido-líquido (LLE) es una técnica de separación utilizada en lugar de destilación cuando ya sea: (a) las volatilidades relativas de los compuestos a separar son muy similares; (b) uno o más de los componentes de la mezcla son temperatura sensible incluso cerca de las condiciones ambientales; (c) la destilación requeriría una presión muy baja o una proporción muy alta destilado y alimentos. 1 La fuerza impulsora para la transferencia de masa es la diferencia en la solubilidad de un material (el soluto) en dos otros inmiscibles o parcialmente miscibles corrientes (el de la alimentación y el solvente). Los flujos de alimentación y solvente son mezclados y luego separados, permitiendo que el soluto transferir de la alimentación al solvente. Normalmente, este proceso se repite en sucesivas etapas con flujo contracorriente. El rico en soluto solvente se llama el Extracto como parte, y la alimentación ha agotado el soluto es el refinado. Cuando hay una diferencia de densidad razonable entre la alimentación y flujos de solvente, extracción puede lograrse usando una columna vertical, aunque en otros casos puede utilizarse una serie de la mezcla y colocar tanques.
En este experimento el objetivo operacional es extracto isopropanol (IPA, ~ 10-15% en peso, el soluto) de una mezcla de C8-a-C10 hidrocarburos con puro agua como solvente. Un tipo de York-Scheibel (mezcladores verticales y aglutinadores, uno por etapa física) columna de extracción está disponible. Como la mayoría de los extractores, la eficiencia global (etapas número de etapas teóricas, físico) de esta columna es bastante baja, sobre todo en comparación con muchas columnas de destilación. La baja eficiencia se presenta ambos lenta transferencia de masa (dos resistencias líquidas en vez de uno como en destilación) y a menudo también de mala distribución de las fases. Se evaluó el efecto de la velocidad del agitador en tanto la recuperación de soluto en el extracto y la eficiencia de la columna total.
Principles
Ya sea el método de McCabe-Thiele de una), o b) un simulador de proceso (por ejemplo, ASPEN Plus, HYSYS, ChemSep) puede utilizarse para estimar el número de etapas del equilibrio (teórica). Método de McCabe-Thiele se utiliza sobre una base libre de disolvente, decir que se descuida tanto la solubilidad del solvente en el extracto y del diluyente compuesto en el refinado. Una representación stagewise de extracción líquido-líquido contra corriente se muestra en la figura 1, donde F' es la velocidad de flujo molar de la alimentación (aproximadamente constante), S' es la velocidad de flujo molar de extracto (aproximadamente constante), Xf es la fracción molar de soluto en la alimentación, Ys es la fracción molar de soluto en el solvente, Ye es la fracción molar de soluto en el solvente en la corriente de extracto y Xr es la fracción molar de soluto en diluyente en la corriente de refinado.
Figura 1: Representación Stagewise del proceso de extracción.
En estado estacionario, un balance de materiales en el soluto entre el alimentación final de la columna y cualquier etapa n (contorno de puntos anterior) conduce a la línea de trabajo:
(1)
En particular, la ecuación se cumple en ambos extremos de la columna, así que los puntos (Xf, Ye) y (XrYs) en la línea. Los datos de equilibrio en el apéndice pueden utilizarse conjuntamente con esta ecuación (ya sea gráficamente o numéricamente) para paso a través de la columna.
Los simuladores de proceso pueden hacer más rigurosos cálculos de etapa a etapa, pero aún asumiendo etapas de equilibrio. Pueden utilizarse métodos NRTL o UNIQUAC (ambos juegos de parámetros en el apéndice) a la relación de equilibrio del modelo. Tenga en cuenta que la gran ventaja de los simuladores es que te dicen cuánto disolventes vientos para arriba en el extracto y cuánto diluyente acaba en el refinado. También puede dar las temperaturas de salida de una columna adiabática, o el deber de calor necesario para mantener la columna isotérmica.
A York-Scheibel aparato se muestra en la figura 2. Alimentación puede introducirse en la parte inferior (11 etapas) o en el centro de la columna (6 etapas).
Figura 2: Aparato de extracción líquido-líquido de York-Scheibel.
La unidad de extracción consiste en una 2" columna de identificación Pyrex, con 11 etapas de extracción, cada uno con una sección de mezcla de una pulgada y una malla de alambre de cuatro pulgadas (coalescente) sección de embalaje. La columna se agita mecánicamente por agitadores de tipo rueda (turbina Rushton). Un motor de velocidad variable, con una perilla de control y el display del panel de control, controla la velocidad del agitador. Medidores de caudal de alimentación y entradas de solvente se utilizan para medir los caudales. Las tasas de flujo del extracto y el refinado se pueden medir con una probeta graduada y el cronómetro.
Las ecuaciones siguientes se relacionan con las lecturas del rotámetro a tasas de flujo volumétrico (los flujos también se comprueba con un cilindro graduado):
(2)
(3)
donde Ff es la tasa de flujo de alimentación (IPA ~ 10% en peso) en mL/min, Rf es la lectura del rotámetro alimentación, Fs es la tasa de flujo de solvente en ml/min, andRs es la lectura del rotámetro solvente.
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Procedure
En este experimento, las propiedades de n-nonano son una buena aproximación a los de la mezcla de hidrocarburos para efectos de los datos de equilibrio. Las muestras de agua/isopropanol/n-nonano sistema ternario tipo I comportamiento de equilibrio (hay alguna gama de composición en que fase de división no tendrá lugar) a temperatura ambiente. Los datos de equilibrio para este sistema se pueden encontrar en el apéndice.
1. funcionamiento de la columna de York-Scheibel
- Llenar el extractor con la alimentación de hidrocarburo mezcla /IPA (si es necesario) y purgue el aire de la línea de alimentación. Desactivar el flujo de alimentación.
- El mezclador de iniciar y mantener constante la velocidad del agitador.
- Abra el solvente, alimentación, extracto y refinado válvulas de bola; y el flujo de solvente (agua) en la columna.
- Si hay ninguna interfaz entre la entrada de solvente y la salida de refinado, que el aumento de la fase dispersa y forman la interfaz superior.
- Cuando las formas de la interfaz superior, (re-) iniciar el flujo de alimentación.
- Controlar el nivel de interfaz mediante el ajuste de la altura de la U invertida en la línea de extracto de la parte inferior de la torre. El ajuste del nivel superior de la interfaz (U invertida) es sensible. Movimientos de una fracción de una pulgada son a menudo suficientes.
- Revise periódicamente la corriente refinado para estado estacionario mediante cromatografía de gases. La chromotagraph de gas se separar y cuantificar los componentes de la muestra.
- Use un hidrómetro para medir la gravedad específica de la corriente de extracto y determinar la composición. (Esto también puede ayudar a confirmar que ese estado estacionario alcanzado.) La composición de la corriente de extracto vs tablas de gravedad específica puede encontrarse en el manual de Perry. 3 estos datos pueden utilizarse para interpolar por ciento del peso del IPA.
- Use un hidrómetro para medir la gravedad específica de la alimentación y refinado para el uso en cálculos posteriores.
2. procedimiento de apagado
- Una vez terminados los experimentos, apague el agitador y el interruptor de alimentación principal.
- Cierre la alimentación y solvente válvulas de bola, dejando abiertas las válvulas de bola de extracto y refinado.
Extracción líquido-líquido o LLE, es una técnica utilizada para separar líquidos que no pueden ser separados con la destilación debido a componentes termosensibles o similares puntos de ebullición solvente. Transferencia de masa en LLE es impulsada por la diferencia de solubilidad del soluto en la alimentación inmiscible o parcialmente miscible y arroyos solvente. La corriente de alimentación que contiene el soluto se mezcla con el flujo de solvente, a menudo utilizando un agitador, permitiendo que el soluto transferir de la alimentación al solvente. El empobrecido alimentación, conocido como el refinado, se separa el extracto, que es la fase solvente rico en soluto. Este video se ilustra una extracción de isopropanol de n-nonano, utilizando agua pura y estudiar cómo funcionamiento variables afectan la eficiencia global de la columna.
LLE se realiza generalmente en etapas continuadas con flujo contracorriente o co-corriente. Los sistemas contracorriente son generalmente preferidos, ya que tienden a ser más eficientes. Por lo general, las etapas se encuentran dentro de una sola unidad. Columnas de extracción contracorriente se pueden configurar de dos maneras. Cuando el solvente es más pesado que el líquido de alimentación, o diluyente, el disolvente se introduce en la parte superior de la columna y el soluto entonces sale en la parte inferior. Cuando el solvente es más ligero que el diluyente, el disolvente se introduce en la parte inferior de la columna, y el soluto sale de la columna en la parte superior. En estado estacionario, el balance de materiales del soluto entre la alimentación del proceso y cualquier etapa denotado por N es como se muestra. Donde X es la fracción molar de soluto en el diluyente, Y es la fracción molar de soluto al disolvente. F es el caudal molar de alimentación diluyente y S es el caudal molar del solvente. El análisis de platos teóricos se utiliza para evaluar la eficacia del proceso de separación. Estas placas son etapas hipotéticas donde dos fases están en equilibrio entre sí. Si los dos líquidos están en equilibrio en una etapa, lo que significa que no habría ningún cambio en la concentración de cualquier momento ya la mezcla, entonces la etapa se considera un plato teórico. Cuanto mayor sea el número de platos teóricos, el más eficiente el proceso. Operación variables tales como temperatura, presión, caudal y velocidad del agitador afectan eficiencia y análisis de la placa por lo tanto teórica. El siguiente experimento examinará un proceso LLE para extraer el isopropanol soluto de n-nonano utilizando agua como disolvente. Este sistema, que contiene tres líquidos, se denomina un sistema ternario. A menudo, los tres componentes líquidos son miscibles en cierto grado. Comportamiento de equilibrio de estos y otros solventes puede encontrarse en la literatura. Ahora que se han explicado los conceptos básicos del LLE y su funcionamiento, vamos a echar un vistazo a un proceso de separación.
Una columna de York-Scheibel se utilizará para este experimento. Es una columna agitada con impulsores de rueda de paleta interna, conectado a una unidad vertical. Cada nivel contiene malla de alambre de embalaje para permitir la separación de fases y está separada por tabiques para proporcionar etapas individuales. Primero utilice la perilla de control y display en el panel de control para controlar la velocidad del agitador. Utilice los medidores de caudal en la alimentación y solvente entradas para medir el caudal de alimentación y solvente. Utilice cilindros graduados y un reloj para medir los caudales del extracto y refinado. Ahora iniciar la mesa de mezclas y mantener constante la velocidad del agitador a 300 rpm. Abra las válvulas de bola para el solvente, alimentación, extracto y refinado. Iniciar el flujo de agua en la columna para obtener la deseada relación molar disolvente para usarse a una velocidad de 200 mililitros por minuto. Observar si existe una interfaz entre el solvente entrada y salida de refinado y si no, el aumento de la fase dispersa para formar la interfaz superior. Iniciar el flujo de alimentación cuando las formas superiores de la interfaz. Ajuste cuidadosamente la altura de la U invertida en la línea de extracto de la parte inferior de la torre, para controlar el nivel de la interfaz superior entre las dos fases. Esto asegura que la fase de refinado no fluye en el tanque del extracto si ajusta demasiado bajo, o que el extracto no fluye en el tanque de refinado si interfaz se establece demasiado alto.
Recoger muestras cada 10 minutos en el punto de muestra de refinado en botellas de cuatro mililitros. Uso de cromatografía de gases, o GC, para cuantificar los componentes y confirmar que se ha alcanzado un estado estacionario. A continuación, utilizando un cilindro graduado limpio, recoger 250 mililitros del extracto en el punto de muestra, luego medir la gravedad específica o densidad relativa de la muestra de agua, utilizando un densímetro. Interpolar el peso % de isopropanol en la muestra usando la tabla proporcionada, que muestra extracto composición corriente versus gravedad específica. Repita el procedimiento para dos otros feed-tasas más bajas. Asegúrese de mantener constante la relación de alimentación de solvente y la velocidad del agitador. Cuando haya terminado, apague el agitador y el interruptor principal y cerrar la alimentación y solvente válvulas de bola, dejando abiertas las válvulas de bola de extracto y refinado. Ahora vamos a evaluar los resultados.
En primer lugar, echemos un vistazo a la recuperación por ciento de isopropanol con caudal de variada alimentación y agitación variada tasa. Con mayor tasa de flujo de alimentación, por ciento la recuperación aumenta y los niveles. Esto es típico de un sistema que no es cerca de inundaciones. Agitación creciente tasa también aumentó % recuperación. Eficiencia de etapa, calculado usando el análisis teórico de la placa mediante simulación por ordenador también es afectada por estos parámetros. Como era de esperar, eficiencia de etapa y recuperación por ciento aumentan con mayor caudal y agitación. Esto es debido a la mezcla mejorada, que da lugar a gotitas más pequeñas y mejor dispersión, mejorando la transferencia de masa, sin embargo, tanto las relaciones de la meseta en las tasas de alimentación. Eficiencia y recuperación por ciento Nivele y eventualmente disminuyen debido a inundaciones y emulsificación. La formación de una emulsión afecta negativamente recuperación y eficiencia porque las fases ya no pueden separarse limpiamente para mover hacia arriba o hacia abajo para la siguiente etapa. Esto puede ser un problema en sistemas como la unidad York Scheibel, hacer vasos mezclador y colono en serie una alternativa atractiva.
Extracción líquido-líquido es una técnica de separación utilizada en una amplia gama de separaciones y puede ser utilizada en una variedad de configuraciones. En el caso donde la emulsificación de las fases es un desafío, se pueden utilizar tanques de colono de mezclador en serie. Esta simple configuración utiliza un tanque donde se mezclan las dos fases por un agitador. Entonces las dos fases se fusionan en el tanque de colono, donde la fase pesada finalmente se instala en la parte inferior y se extrae a través de una salida en la parte inferior del tanque. La fase ligera se instala en la parte superior y es retirada a través de otro enchufe. Otra técnica de separación que aprovecha las propiedades de solubilidad de un soluto es la extracción sólido-líquido. La extracción sólido-líquido, se extrae el soluto presente en una matriz sólida en un líquido a través de mezcla vigorosa. Esta técnica se utiliza a gran escala para muchas aplicaciones, tales como la eliminación de toxinas como el herbicida atrazina del suelo.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para extracción líquido-líquido. Ahora debe comprender los fundamentos de una extracción LLE utilizando una columna de York-Scheibel y como variables de proceso tales como agitador y caudal pueden afectar la recuperación del soluto y la eficiencia de la columna. Gracias por ver.
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Results
Figuras 3 y 4 muestran resultados cuando la agitación y el caudal de alimentación es variadas en una amplia gama. La eficiencia y la recuperación general aumentan antes de ser asintótica, que es bastante típico de extractores líquido-líquido no en o cerca de inundaciones. En cerca de inundar las condiciones, la eficiencia global y la recuperación deben disminuir bruscamente. Tenga en cuenta que, a diferencia de la destilación, las inundaciones pueden ocurrir en extracción líquido-líquido en cualquier solvente alta o alta alimentación tarifas (o cocientes). 1 en este experimento, la fase orgánica más ligera también es la fase dispersa (gotitas), por lo que a altas velocidades de avance se espera que la coalescencia de las gotas antes de las inundaciones, a reducir las tasas de masa transferencia y, por tanto, menor recuperaciones y eficiencia. A tasas elevadas de solventes las gotitas deben permanecer pequeñas, por lo que se espera que la recuperación y la eficiencia siguen siendo altos hasta muy cerca del punto de inundación.
Figura 3 : Recuperación porcentaje de IPA de la mezcla de hidrocarburos en el agua, para una columna de York-Scheibel, 11 etapas, 16-18 mol % IPA en Isopar E (alimentación), S/F (molar) = 1.5.
Figura 4 : Por ciento eficiencia de etapa global para la extracción de IPA utilizando una columna de York-Scheibel, 11 etapas, 16-18 mol % IPA en la mezcla de hidrocarburos (alimentación), S/F (molar) = 1.5.
Como se ve en las figuras 3 y 4, la velocidad de agitación incrementa la recuperación y la eficiencia global. Esto es porque con una mayor entrada de energía las gotitas de la fase dispersa son más pequeñas - la dependencia observada es áspero inversa con respecto a la velocidad del agitador. 4 el parámetro "a" (volumen de área interfacial total) que aparece en las correlaciones de transferencia de masa y el flujo de masa fundamental ecuaciones se pueden escribir como sigue gotitas esféricas de tamaño uniforme:
a = ε/d 6 (4)
donde ε es la fracción de volumen de la fase dispersa. Mientras que ε puede aumentar con un aumento en la velocidad superficial de cada fase, sus cambios son generalmente menos marcados que el cambio de diámetro con respecto a la velocidad. Así que (generalmente) más velocidad, la zona más superficial, hacia la transferencia de masa más rápida.
La excepción a la anterior discusión es a velocidades muy altas, que no fueron alcanzados en las Figs. 3 y 4, donde están tan bien mezcladas que si la tensión interfacial entre ellos es baja, emulsificación llevará a cabo las dos fases. La formación de una emulsión afecta negativamente recuperación y eficiencia porque las fases ya no pueden separarse limpiamente para mover hacia arriba o hacia abajo para la siguiente etapa física. Emulsificación es un problema en muchas extracciones líquido-líquido y donde no se puede limitar una serie de vasos mezclador y colono en la serie a menudo se prefiere a diseños de tipo de columna tales como bandejas de tamiz o York-Scheibel unidades.
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Applications and Summary
Extracción líquido-líquido (LLE) es una alternativa a la destilación que se basa en la inmiscibilidad de alimentación de solvente (o miscibilidad leve) y coeficientes de partición soluto favorable para alcanzar altas recuperaciones de soluto en un solvente de la fase en tan bajo una relación disolvente/alimentación como sea posible. Aunque la gama de corrientes (la "cobertura") que LLE será eficaz es a menudo limitada, y mientras que las eficiencias de etapa son bajas que no se alcanza el equilibrio de fase, ciertas mezclas solo no se puede separar usando otros métodos en un continuo proceso a contracorriente. Análisis matemático de la operación de equilibrio de estos extractores sigue un procedimiento de McCabe-Thiele-tipo familiar (aunque el reflujo a menudo se carece, tan sólo una línea de trabajo). El no-equilibrio ("tasa") análisis de LLEs es complejo y depende fuertemente de la velocidad relativa entre las dos fases (la "velocidad de deslizamiento"), tamaño de la burbuja y dispersa la fracción de fase, que puede ser observado pero son difíciles de predecir.
Para describir perfectamente la transferencia hidráulica y la masa de un típico LLE está más allá de la capacidad de incluso los más sofisticados simuladores de proceso, en la actualidad. Por lo tanto, diseño de unidades industriales todavía se basa en la escala de unidades de tipo de la planta piloto, como el que fue probado en este experimento. Normalmente el ingeniero intenta duplicar descriptores claves como el parámetro "a, relación solvente/alimentación, agitador total entrada de encendido/volumen", localización y el número de etapas físicas para mantener la eficiencia de etapa y recuperación constantes durante el escalado de la alimentación. Aún así, escala-para arriba es una ciencia inexacta e impurezas que alteran la tensión interfacial, pueden afectar grandemente el funcionamiento de sistemas reales. Los factores más que se mantienen constantes, más probable la escala será exitosa.
Hay muchos diferentes contactores LLE: una serie de mezcladores - vasos de colono, estructurado envases similares a los utilizados en amortiguadores y columnas de destilación, columnas de bandeja tamiz, rotación contactores de disco (similar a la York-Scheibel, pero con deflectores en vez de malla), Kuhni contactores (una combinación de rotación de las bandejas de disco y tamiz) y contactores Podbielniak ("vainas"), donde el flujo es radial y la fuerza centrífuga se utiliza para mejorar la separación de la fase líquida. 5
Un ejemplo clásico de LLE industrial es la separación del ácido acético del agua utilizando éter de etilo o acetato de etilo; 6 es preferido sobre destilación en concentraciones inferiores de ácido acético. Posiblemente el mayor volumen proceso LLE es que de deasphalting de gas propano, que se utiliza para refinar aceites lubricantes en refinerías en condiciones supercríticas cerca. 1 sin embargo, la mayoría de aplicaciones se encuentran en la producción de productos químicos de especialidad y en las industrias farmacéutica, que van desde la extracción de ácido cítrico del caldo de fermentación para la purificación de antibióticos y purificaciones de proteínas. 1 En estos casos, una amplia variedad de disolventes orgánicos oxigenados o sistemas acuosos de dos fases (con una fase es sobre todo agua y la acuosa disuelto sales y polímeros) se utilizan. Para este último, un sistema de polímero típico es poly(ethylene glycol)/dextran con NaCl y Na2para que4 como sales. Las aplicaciones incluyen separación de glóbulos rojos y la extracción de la enzima phophofructokinase de S. cerevisiae. 7
Apéndice – equilibrio de datos8
Líneas experimentales de lazo en % mol a 25 ° C
Parámetros del modelo específico en Kelvin
| UNIQUAC | NRTL (un = 0.2) | ||||
| Me | J | ACTIVIDADES CONJUNTAS | AJI | ACTIVIDADES CONJUNTAS | AJI |
| 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 = R3 2.7792 = 6.523
Q1 = Q2 1,4 = 2.508 Q3 = 5.476
| Desviación media entre calcular concentraciones experimentales en Mol y. % | |
| UNIQUAC (parámetros específicos) | 1.4 |
| NRTL (parámetros específicos) | 0.54 |
| UNIQUAC (parámetros predeterminados) | 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
- B.E. Poling, G.H. Thomson, D.G. Friend, R.L. Rowley and W.V. Wilding, Ch.2 of “Chemical Engineers Handbook, 8th Edition”, R.H. Perry and D.W. Green, Eds., McGraw-Hill, New York, 2008.
- J.C. Godfrey, R. Reeve and F.I.N. Obi, Chem. Eng. Prog. Dec. 1989. pp. 61-69; I. Alatiqi, G. Aly, F. Mjalli and C.J. Mumford, Canad. J. Chem. Eng., 73, 523-533 (1995).
- http://www.pharmaceuticalonline.com/doc/podbielniak-contactor-a-unique-liquid-liquid-0003 (accessed 12/19/16).
- C.J. King, Ch. 18.5 of “Handbook of Solvent Extraction”, T.C. Lo, M.H.I Baird and C. Hanson, Eds., Wiley, New York, 1983.
- “Methods in Enzymology, Vol. 228, Aqueous Two-Phase Systems,” H. Walter and G. Johannson, Eds., Academic, San Diego, 1994.
- A.I. Vorobeva and M.Kh. Karapetyants, Zh. Fiz. Khim., 41, 1984 (1967). Fits to data from: J. Gmehling, and U. Onken, "Vapor-liquid equilibrium data collection", Dechema, 1977.
