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액체-액체 추출의 효율성

Overview

출처: 케리 M. 둘리와 마이클 G. 벤턴, 화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA

액체 액체 추출(LLE)은 증류 대신 사용되는 분리 기술중 하나: (a) 분리되는 화합물의 상대적 변동성은 매우 유사하다; (b) 하나 이상의 혼합물 성분은 주변 조건 근처에서도 온도에 민감하다; (c) 증류에는 매우 낮은 압력 또는 매우 높은 증류소/사료 비율이 필요합니다. 1 질량 전달을 위한 원동력은 다른 두 개의 다른 불굴의 또는 부분적으로 오해의 소지가 있는 스트림(사료용매)에서하나의 물질(solute)의 용해도 차이이다. 피드 및 용매 스트림이 혼합된 다음 분리되어 솔루트가 피드에서 용매로 전송할 수 있습니다. 일반적으로 이 프로세스는 역전류 흐름을 사용하여 연속적인 단계에서 반복됩니다. 솔테가 풍부한 용매는 잎으로 추출물이라고하며, 솔트 고갈 된 사료는 추첨입니다. 공급 및 용매 스트림 사이에 합당한 밀도 차이가 있는 경우, 다른 경우에는 일련의 혼합 및 침전 탱크가 사용될 수 있지만 수직 컬럼을 사용하여 추출을 수행할 수 있습니다.

본 실험에서, 운용 목표는 순수한 물을 용매로 사용하는 C8-C10 탄화수소의 혼합물로부터 이소프로판올(IPA,~10-15 wt. % + solute)을 추출하는 것이다. 요크-셰이벨 유형(수직 믹서 및 유착기, 물리적 단계당 하나씩) 추출 컬럼을 사용할 수 있습니다. 대부분의 추출기와 마찬가지로 이 열의 전체 효율성(이론적 단계/물리적 단계 수)은 특히 많은 증류열과 비교할 때 매우 낮습니다. 낮은 효율성은 느린 질량 전달 (증류에서와 같이 하나 대신 두 개의 액체 저항) 및 종종 위상의 분포에서 발생합니다. 교반기 속도는 추출의 솔루트 회수와 전체 컬럼 효율 모두에 미치는 영향을 평가합니다.

Principles

Figure 1

a) 맥케이브-틸레 방법, 또는 b) 공정 시뮬레이터(예를 들어, ASPEN Plus, HYSYS, ChemSep)는 평형(이론적) 단계의 수를 추정하는 데 사용될 수 있다. McCabe-Thiele 방법은 용매가 없는 기초로 사용되며, 이는 라피네이트내의 용매와 희석화합물의 용매의 용해성을 모두 소홀히 한다. F'가 사료의 어금류(약 상수)인 도 1에 단계적으로 표현된 것으로 나타났으며, 여기서 F'는 추출물의 어금류 유량(약 상수),Xf는 사료에서 용의 몰 분수이며,Ye는 용매에서 솔직함의 두더지 분획이며, Y e는 추출물의 용매에서 용매의 두더지 분획, Y e는 소르테의 분획이며, Y e는 술류의 술의 분획이며, Y 전자는 술류의 술류의 분수이며, Ye는 술류의 술류의 분획이다.

그림 1: 추출 프로세스의 단계별 표현입니다.

정상 상태에서 컬럼의 피드 끝과 모든 스테이지 사이의 솔직한 재료 균형은 n(위의 점선)이 작동 라인으로 이어집니다.

Equation 1 (1)

특히, 방정식은 열의 양쪽 끝에서 만족하므로 점(Xf,Ye)및 (Xr,Ys)가줄에 놓여 있다. 부록의 평형 데이터는 이 방정식(그래픽 또는 수치)과 함께 열을 단계별로 사용할 수 있습니다.

프로세스 시뮬레이터는 보다 엄격한 단계별 계산을 수행할 수 있지만 여전히 평형 단계를가정합니다. NRTL 또는 UNIQUAC 메서드(부록의 두 매개 변수 집합)를 사용하여 평형 관계를 모델링할 수 있습니다. 시뮬레이터의 가장 큰 장점은 추출물에서 얼마나 많은 용매가 부는지, 그리고 추첨에서 얼마나 희석제바람이 부는지 알려주는 것입니다. 또한 외식 열에 대한 출구 온도를 제공하거나 열을 유지하는 데 필요한 열 의무를 줄 수 있습니다.

요크-셰이벨 장치는 도 2에 도시되어 있다. 피드는 아래쪽(11단계) 또는 열 중앙(6단계)에 도입될 수 있다.

Figure 2
그림 2: 요크-셰이벨 액체 액체 추출 장치.

추출 장치는 각각 1인치 믹싱 섹션과 4인치 와이어 메쉬 패킹(coalessing) 섹션으로 구성된 11개의 추출 스테이지가 있는 2인치 I.D. Pyrex 기둥으로 구성됩니다. 기둥은 패들휠 형(Rushton 터빈) 교반기에 의해 기계적으로 교반됩니다. 제어판에 컨트롤 노브와 디지털 판독이 있는 가변 속도 모터는 교반기의 속도를 제어합니다. 공급 및 용매 입구의 회전계는 이러한 유량을 측정하는 데 사용됩니다. 추출 및 라피네이트의 유량은 졸업한 실린더및 스톱워치로 측정할 수 있습니다.

다음 방정식은 회전계 판독값을 체적 유량과 관련이 있습니다(유동은 졸업된 실린더로도 확인할 수 있습니다).

Equation 2 (2)

Equation 2(3)

여기서Ff는 mL/min에서 공급 유량(~10wt. % IPA)이며, Rf는 공급 로타미터 판독, Fs는 ml/min의 용매 유량이며, Rs는 용매 로타미터 판독이다.

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Procedure

본 실험에서, n-nonane의 특성은 평형 데이터 목적을 위해 탄화수소 혼합물의 특성에 대한 양호한 근사치이다. 체대 시스템 물/이소프로판올/n-nonane는 실온에서 제1형 평형 거동(위상 분할이 일어나지 않는 조성 범위가 있음)을 나타낸다. 이 시스템의 평형 데이터는 부록에서 찾을 수 있습니다.

1. 요크-셰이벨 칼럼 운영

  1. 추출물을 탄화수소 혼합물/IPA 피드(필요한 경우)와 페드 공기로 채우세요. 피드 흐름을 끕니다.
  2. 믹서를 시작하고 교반기 속도를 일정하게 유지합니다.
  3. 용매, 사료, 추출 및 라피네이트 볼 밸브를 엽니다. 열로 용매 (물)의 흐름을 시작합니다.
  4. 용매 입구와 라피네이트 출구 사이에 인터페이스가 없는 경우 분산된 위상이 상승하고 상부 인터페이스를 형성하게 하십시오.
  5. 상부 인터페이스가 형성되면(다시)는 피드 흐름을 시작합니다.
  6. 타워 의 바닥에서 추출 라인에 반전 된 U의 높이를 조정하여 인터페이스 레벨을 제어할 수 있습니다. 상위 인터페이스 수준 조정(반전된 U)은 민감합니다. 인치의 분수의 움직임은 종종 충분하다.
  7. 가스 크로마토그래피를 사용하여 라피네이트 스트림을 주기적으로 확인합니다. 가스 크로모타그래프는 샘플의 성분을 분리하고 정량화합니다.
  8. 수압계를 사용하여 추출 스트림의 특정 중력을 측정하고 조성물을 결정합니다. (이렇게 하면 정상 상태에 도달했는지 확인하는 데도 도움이 됩니다.) 추출 스트림 구성 대 특정 중력 테이블은 페리의 핸드북에서 찾을 수 있습니다. 3 이 데이터는 IPA의 중량%를 보간하는 데 사용할 수 있습니다.
  9. 수압계를 사용하여 피드의 특정 중력을 측정하고 후속 계산에 사용할 수 있습니다.

2. 종료 절차

  1. 실험이 완료되면 교반기와 주 전원 스위치를 끕니다.
  2. 피드와 용매 볼 밸브를 닫고 라피네이트를 열고 볼 밸브를 추출합니다.

액체 액체 추출 또는 LLE는 온도에 민감한 성분 또는 이와 유사한 용매 비열점으로 인해 증류로 분리할 수 없는 액체를 분리하는 데 사용되는 기술입니다. LLE에서의 질량 전달은 불굴의 또는 부분적으로 오해의 소지가 있는 사료 및 용매 스트림에서 솔ute의 용해도 차이에 의해 구동된다. 솔루트를 함유하는 피드 스트림은 용매 스트림과 혼합되어 종종 교반기를 사용하여 솔루트가 피드에서 용매로 이송될 수 있도록 합니다. 라피네이트로 알려진 고갈된 사료는 솔테가 풍부한 용매 상인 추출물과 분리됩니다. 이 비디오는 순수한 물을 사용하여 n-nonane에서 이소프로파놀을 추출하는 것을 설명하고 작동 변수가 전체 열 효율성에 미치는 영향을 연구합니다.

LLE는 일반적으로 동시 전류 또는 카운터 전류 흐름을 사용하여 연속 단계에서 수행됩니다. 카운터 전류 시스템은 일반적으로 더 효율적인 경향이 있기 때문에 선호됩니다. 일반적으로 단계는 단일 단위 내에 보관됩니다. 역전류 추출 열은 두 가지 방법을 설정할 수 있습니다. 용매가 공급 액체 또는 희석제보다 무거울 때, 용매는 컬럼의 상단에 도입되고 솔루트는 바닥에 빠져나옵니다. 용매가 희석제보다 가볍으면 용매가 열 의 하단에 도입되고 솔루트가 맨 위에 있는 열을 종료합니다. 정상 상태에서, 공정의 공급 단부와 N에 의해 표시된 모든 단계 사이의 솔질의 재료 균형은 도시된 바와 같이. X가 희석제에서 솔루트의 두더지 분수인 경우, Y는 용매에 대한 솔트의 두더지 분획입니다. F는 공급 희석제의 어금량이며 S는 용매의 어금량이다. 이론적 플레이트의 분석은 분리 공정의 효율성을 평가하는 데 사용됩니다. 이 플레이트는 두 단계가 서로 평형에 있는 가상단계입니다. 두 액체가 단계에서 평형에 있는 경우, 더 긴 혼합 시간을 주어진 중 하나의 농도에 변화가 없을 것을 의미, 다음 단계는 이론적 플레이트로 간주됩니다. 이론적 플레이트의 수가 높을수록 공정이 효율적입니다. 온도, 압력, 유량 및 교반기 속도와 같은 작동 변수는 효율성에 영향을 미치므로 이론적 플레이트 분석에 영향을 미칩니다. 다음 실험은 용매로서 물을 사용하여 n-nonane로부터 용질 이소프로판올을 추출하는 LLE 프로세스를 검사할 것이다. 이 시스템은 3개의 액체를 포함하는, 대영 계통이라고 합니다. 종종 세 가지 액체 성분은 어느 정도 오해할 수 있습니다. 이들 및 기타 용매에 대한 평형 행동은 문헌에서 찾을 수 있다. LLE의 기본 사항과 작업이 설명되었으므로 분리 프로세스를 살펴보겠습니다.

요크-셰이벨 열은 이 실험에 사용됩니다. 그것은 하나의 수직 드라이브에 연결된 내부 패들 휠 임펠러와 교반 기둥입니다. 각 레벨에는 위상 분리를 가능하게 하는 와이어 메시 패킹이 포함되어 있으며 파티션별로 분리되어 개별 단계를 제공합니다. 먼저 제어판에서 제어 노브와 디지털 판독을 사용하여 교반기의 속도를 제어합니다. 공급 및 용매 입구의 로타미터를 사용하여 공급 및 용매의 유량을 측정합니다. 졸업된 실린더와 시계를 사용하여 추출 및 라피네이트의 유량을 측정합니다. 이제 믹서를 시작하고 교반기 속도를 300 rpm에서 일정하게 유지합니다. 용매, 사료, 추출 및 추첨을 위한 볼 밸브를 엽니다. 분당 200 밀리리터의 속도로 원하는 용매-사료 어금반 비율을 얻기 위해 열로 물의 흐름을 시작합니다. 용매 입구와 라피네이트 출구 사이의 인터페이스가 있는지 여부를 관찰하고, 그렇지 않은 경우 분산 된 위상이 상승하여 상부 인터페이스를 형성하게하십시오. 상위 인터페이스가 형성될 때 피드 흐름을 시작합니다. 타워 의 바닥에서 추출 라인에 반전 된 U의 높이를 신중하게 조정하여 두 단계 사이의 상부 인터페이스의 수준을 제어합니다. 이렇게 하면 라피네이트 위상이 너무 낮게 조정되면 추출 탱크로 흐르지 않거나 인터페이스가 너무 높게 설정되면 추출이 라피네이트 탱크로 흐르지 않도록 합니다.

4 밀리리터 병에 있는 라피네이트 샘플 포인트에서 10분마다 샘플을 수집합니다. 가스 크로마토그래피 또는 GC를 사용하여 구성 요소를 정량화하고 정상 상태에 도달했는지 확인합니다. 다음으로, 깨끗한 졸업 실린더를 사용하여 샘플 지점에서 추출물의 250 밀리리터를 수집한 다음, 수로계를 사용하여 시료의 특정 중력 또는 상대 밀도를 측정합니다. 제공된 테이블을 사용하여 샘플에서 이소프로판올의 중량 퍼센트를 보간하여 추출물 스트림 조성과 특정 중력을 표시합니다. 두 개의 다른 낮은 공급 비율에 대 한 절차를 반복 합니다. 용매 대 이송 비율과 교반기 속도를 일정하게 유지해야 합니다. 완료되면 교반기와 주 전원 스위치를 끄고 피드 및 용매 볼 밸브를 닫고 라피네이트와 추출 볼 밸브를 열어 둡니다. 이제 결과를 평가해 보겠습니다.

먼저, 다양한 공급 유량과 다양한 동요율을 가진 이소프로파놀의 퍼센트 회복을 살펴보겠습니다. 공급 흐름 속도가 증가함에 따라 회복률이 증가하고 레벨이 떨어지게 됩니다. 이것은 홍수 에 가깝지 않은 시스템의 전형입니다. 동요율 증가율도 회복률을 높였습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론판 분석을 사용하여 계산된 스테이지 효율성도 이러한 매개 변수의 영향을 받습니다. 예상대로, 스테이지 효율성과 퍼센트 회복 모두 높은 유량과 동요로 증가합니다. 이것은 개선 된 혼합에 기인, 작은 물방울 및 향상 된 분산 결과, 따라서 질량 전송을 개선, 그러나, 두 관계 고원 높은 공급 속도. 효율성과 퍼센트 회수 수준이 낮아지고 결국 유화및 홍수로 인해 감소합니다. 에멀젼의 형성은 위상이 더 이상 다음 단계로 이동하기 위해 깨끗하게 분리할 수 없기 때문에 복구 및 효율성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이것은 요크 - Scheibel 단위와 같은 시스템에서 문제가 될 수 있습니다, 일련의 믹서와 정착민 선박을 매력적인 대안으로 만들기.

액체 액체 추출은 광범위한 분리에 사용되는 분리 기술이며 다양한 설정에서 사용할 수 있습니다. 위상의 유화가 어려운 경우, 시리즈의 믹서 정착민 탱크를 사용할 수 있습니다. 이 간단한 설정은 교반기에 의해 두 단계가 혼합되는 탱크를 활용합니다. 그런 다음 두 단계는 정착민 탱크에서 합쳐지며, 무거운 단계는 결국 바닥으로 정착하고 탱크 바닥의 콘센트를 통해 제거됩니다. 라이트 위상은 상단에 정산되고 다른 콘센트를 통해 제거됩니다. 솔ute의 용해도 특성을 활용하는 또 다른 분리 기술은 고체 액체 추출입니다. 고체 액체 추출에서, 고체 매트릭스에 존재하는 솔루트는 격렬한 혼합을 통해 액체로 추출된다. 이 기술은 토양에서 제초제 아트라진과 같은 독소 제거와 같은 많은 응용 분야에 대규모로 사용됩니다.

당신은 액체 액체 추출에 대한 Jove의 소개를 보았습니다. 이제 요크-셰이벨 컬럼을 사용하여 LLE 추출의 기본 사항과 교반기 및 유량과 같은 프로세스 변수가 열의 완만한 복구 및 효율성에 어떤 영향을 줄 수 있는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

그림 3과 4는 교반및 공급 유량이 넓은 범위에서 모두 변화했을 때 의 결과를 보여줍니다. 홍수 에 또는 근처에없는 액체 액체 추출기의 매우 전형적인, asymptotic되기 전에 전반적인 효율성과 회복 증가. 홍수 에 가까운 조건에서 전반적인 효율성과 회복은 급격히 감소 할 것으로 예상된다. 증류와 달리 높은 용매 또는 높은 공급 속도(또는 비율)에서 액체 액체 추출에서 홍수가 일어날 수 있습니다. 1 이 실험에서, 더 가벼운 유기상은 또한 분산된(물방울) 단계이기 때문에, 높은 사료 비율로는 물방울이 홍수 이전에 합쳐질 것으로 예상되어 대량 전송 속도가 낮아지고, 따라서 회수 및 효율이 낮아질 것으로 예상된다. 높은 용매 속도에서 물방울은 작게 유지되어야하므로 침수 지점 근처까지 회복 및 효율성이 높게 유지 될 것으로 예상됩니다.

Figure 3
그림 3: 탄화수소 혼합물에서 물로 IPA의 백분율 복구, 요크 - 셰이벨 열, 11 단계, 16 - 18 몰 % IPA 이소파르 E (피드), S / F (어금니) = 1.5.

Figure 4
그림 4: 요크-셰이벨 컬럼을 이용한 IPA 추출의 전체 단계 효율, 11단계, 16-18 mol% IPA탄화수소 혼합물(feed), S/F(어어) = 1.5.

그림 3과 4에서 볼 수 있듯이 교반 속도를 증가하면 회복및 전반적인 효율성이 모두 증가합니다. 이는 전력 입력이 클수록 분산된 상의 액적방울이 작기 때문입니다 - 관찰된 의존성은 교반기 속도에 대하여 대략 반역입니다. 4 질량 전달 상관 관계 및 기본 질량 플럭스 방정식에 나타나는 "a" 매개 변수(얼굴 영역/총 부피)는 균일한 크기의 구형 물방울에 대해 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

a = 6 ε/d (4)

ε 분산 된 단계의 볼륨 분수입니다. ε 두 단계의 피상적 속도의 증가로 증가 할 수 있지만, 그 변화는 일반적으로 속도에 대한 직경의 변화보다 덜 표시됩니다. 그래서 (일반적으로) 더 많은 속도, 더 많은 얼굴 영역, 빠른 질량 전송으로 이어지는.

상기 논의에 대한 예외는 매우 빠른 속도로, 이는 무화과 3과 4에서 도달하지 않은, 두 단계가 너무 잘 혼합되어 그들 사이의 얼굴 간 긴장이 낮으면 유화가 일어날 것이다. 에멀젼의 형성은 위상이 더 이상 깨끗하게 분리되어 다음 물리적 단계로 이동하기 때문에 복구 및 효율성에 부정적인 영향을 미칩니다. 유화는 많은 액체 액체 추출에서 문제가 되며 일련의 믹서 및 정착민 혈관을 연속으로 제한할 수 없는 경우 종종 체 트레이 또는 요크-셰이벨 유닛과 같은 컬럼 형 설계에 바람직하다.

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Applications and Summary

액체 액체 추출(LLE)은 용매-피드 불굴의(또는 약간의 오해)와 유리한 솔루트 분할 계수에 의존하는 증류에 대한 대안으로 용매/사료 비만큼 낮은 용매 상에서 높은 솔루트 회수를 달성한다. LLE가 효과적인 흐름 범위("턴다운")는 종종 제한적이지만, 단계 효율이 낮지만 위상 평형이 달성되지 않도록, 특정 혼합물은 지속적인 역류 과정에서 다른 방법을 사용하여 분리될 수 없다. 이러한 추출기의 평형 동작에 대한 수학적 분석은 친숙한 McCabe-Thiele 형 절차를 따릅니다(역류가 종종 부족하기 때문에 하나의 작동 라인만 있음). LLE의 비평형("속도 기반") 분석은 복잡하고 두 단계("슬립 속도"), 버블 크기 및 분산 된 위상 분획 사이의 상대적 속도에 크게 의존하며, 모두 관찰 될 수 있지만 예측하기 어렵다.

일반적인 LLE의 유압 및 대량 전송을 완벽하게 설명하는 것은 현재 가장 정교한 공정 시뮬레이터의 기능을 뛰어 넘습니다. 따라서 산업용 유닛의 설계는 여전히 이 실험에서 테스트된 파일럿 플랜트 형 유닛의 확장에 의존합니다. 일반적으로 엔지니어는 "a" 매개 변수, 용매/이송 비율, 총 교반기 전원 입력/볼륨, 피드 위치 및 물리적 단계 수와 같은 키 설명기를 복제하여 스케일업 중에 스테이지 효율및 복구를 일정하게 유지하려고 시도합니다. 그럼에도 불구하고 스케일업은 부정확한 과학이며, 얼굴 간 긴장을 바꾸는 불순물이 실제 시스템의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 일정하게 유지되는 요인이 많을수록 확장이 성공할 가능성이 높습니다.

많은 다른 LLE 접촉자가 있습니다 : 믹서의 시리즈 - 정착선박, 흡수기 및 증류 열, 체 트레이 컬럼, 회전 디스크 컨택터(요크-셰이벨과 유사하지만 메쉬 대신 배플)와 유사한 구조식 패킹, 쿠니 컨택터(회전 디스크와 체 트레이의 조합), 그리고 포비엘니아크 컨택터("Pods")는 흐름이 방심및 중상 분리에 사용되는 액체 분리를 강화합니다. 5

산업용 LLE의 고전적인 예는 에틸 에테르 또는 에틸 아세테이트를 사용하여 물에서 아세트산을 분리하는 것입니다. 6 낮은 아세트산 농도에서 증류이상을 선호한다. 아마도 가장 큰 볼륨 LLE 프로세스는 거의 초임계 조건에서 정유 공장에서 윤활 유를 정제하는 데 사용되는 프로판 deasphalting의 것입니다. 1 그러나, 대부분의 응용 분야는 발효 국물에서 구연산 추출에서 항생제 및 단백질 정제에 이르기까지 전문 화학 물질의 생산및 제약 산업에서 발견된다. 1 이러한 경우, 다양한 산소 유기 용매 또는 2상 수성 시스템(한 단계는 대부분 물과 다른 수성 용해염 및 폴리머)이 활용된다. 후자의 경우, 전형적인 폴리머 시스템은 염으로 NaCl 및 Na2SO4를 가진 폴리(에틸렌 글리콜)/dextran입니다. 응용 프로그램은 S. cerevisiae에서 phophofructokinase 효소의 적혈구 분리 및 추출을 포함한다. 7

부록 - 평형 데이터8

25°C에서 두더지 퍼센트의 실험적 타이 라인

Table 1

켈빈의 특정 모델 매개 변수

유니쿼크 NRTL (a = 0.2)
나는 J AIJ AJI AIJ 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 = 2.7792 R3 = 6.523

Q1 = 1.4 Q2 = 2.508 Q3 = 5.476

Mol의 계산 및 실험 농도 간의 평균 편차. %
UNIQUAC(특정 매개 변수) 1.4
NRTL(특정 매개 변수) 0.54
UNIQUAC(기본 매개 변수) 1.68

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References

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  2. 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 Richardsons 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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