액체-액체 추출의 효율성

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, Y_e는 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.

(1)

특히, 방정식은 열의 양쪽 끝에서 만족하므로 점(X_f,Y_e)및 (X_r,Y_s)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.

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).

(2)

(3)

여기서_Ff는 mL/min에서 공급 유량(~10wt. % IPA)이며, R_f는 공급 로타미터 판독, F_s는 ml/min의 용매 유량이며, R_s는 용매 로타미터 판독이다.

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.

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.

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.

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 Na₂SO_4를 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

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