VEGYIPARI ÉS BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK. Dr. Mika László Tamás E X T R A K C I Ó EXTRAKCIÓ ÁLTALÁNOS LEÍRÁSA

Átírás

1 VEGYIPARI É IOMÉRNÖKI MŰVELETEK Dr Mika László Tamás E X T R A K C I Ó EXTRAKCIÓ ÁLTALÁNO LEÍRÁA Az extrakció elválasztó anyagátviteli művelet A kiindulási anyag (elegy, keverék) adott komponensét nyerjük ki oldószer segítségével Hol használjuk? Reggeli tea, kávé elkészítése: ízanyagok, illatanyagok, alkaloidok kinyerése - oldatkészítés Eredmény: ízletes tea vagy erős kávé 1 1

2 EXTRAKCIÓ MŰVELETEK COPORTOÍTÁA Folyadék-folyadék extrakció: mind a kiindulási anyag, mind az oldószer folyadékfázisú (szolvens extrakció) zilárd-folyadék extrakció: a kiinduló anyag összetett szilárd anyag, az extrahálószer folyadék (diffúziós extrakció) zuperkritikus extrakció: a kiinduló anyag szilárd /esetleg folyadékelegy/, az oldószer nagynyomású gáz Az extrakció ipari alkalmazása jelentős Legfontosabb területei: kőolajipar petrolkémiai ipar szerves vegyipar élelmiszer-, növényolaj-, gyógyszeripar környezetvédelem, stb 2 FOLYADÉK FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Az elválasztás lényege: a folyadékelegy adott komponensét nyerjük ki úgy, hogy a folyadékot olyan korlátozottan elegyedő oldószerrel érintkeztetjük, amely oldószer szelektíven oldja a folyadékelegy extrahálandó komponensét A F-F extrakció alkalmazása indokolt Az extrakció gazdaságosabb a desztillációnál, ha a folyadékelegy magas forráspontú, kis koncentrációjú komponense az értékes Ha a szétválasztandó folyadékelegy komponenseinek kicsi a forráspontkülönbsége Ha a desztilláció, rektifikáció során azeotróp képződik, ennek további szétválasztására Ha a kinyerendő komponens hőre érzékeny, magasabb hőmérsékleten bomlik Az extrahálószerrel szemben támasztott követelmények: legyen szelektív, jó oldóképességű legyen olcsó, visszaforgatható ne oldódjék jól az elválasztandó folyadékelegyben ne legyen korrozív, tűz- és robbanásveszélyes ne legyen mérgező 3 2

3 A F-F EXTRAKCIÓ EMATIKU ÁRÁZOLÁA értékes komponenes kinyerése szelektív oldószer segítségével értékes komp extrahálószer eredeti oldószer kinyert értékes komponens eredeti oldat szelektív oldószer hozzáadása intenzív kevertetés fáziselválás komponensszétválasztás pl: desztilláció 4 A F-F EXTRAKCIÓ EGYENÚLYI VIZONYAI Különböző folyadékokat adott hőmérsékleten és nyomáson összekeverve az tapasztalható, hogy azok vagy tökéletesen, vagy korlátozottan elegyednek egymással, vagy két fázist alkotva nem elegyednek Az elegyedési viszonyok, melyeket a hőmérséklet jelentősen befolyásol, jól szemléltethetők az elegyedési diagramokon: Ḳ 1 K 1 K 2 A 1 kritikus elegyedési pont 2 kritikus elegyedési pont A nincs kritikus elegyedési pont A, elválasztandó komponensek, extrahálószer Korlátozott elegyedési tartomány görbe alatti terület (heterogén fázis) Korlátlan elegyedési tartomány a görbe fölötti terület (homogén fázis) inódák az egymással egyensúlyban lévő fázisok összetételeit összekötő egyenesek K kritikus elegyedési pont(ok) A! 5 3

4 KEVERŐ ÜLEPÍTŐ EXTRAKTOR A keverő-ülepítő extraktor olyan szakaszos vagy folyamatos üzemű műveleti egység ill egységsor, ahol az oldószert () és a szétválasztandó fázist (F) intenzíven érintkeztetjük, majd az extraktum és a raffinátum fázisokat szétválasztjuk F oldószerelválasztó rendszer extraktor E E oldószer F szétválasztandó elegy + F(R) + F(E) fázisszeparátor E' R E Extraktum fázis (E) a kinyert komponens és az oldószer elegye Raffinátum fázis (R) a maradék folyadékelegy R R' 6 FONTO FOGALMAK Munkavonal: a kétfázisú műveleti egység adott pontján (adott helyén) az egymáshoz tartozó fáziskoncentrációknak a halmaza Egyensúlyi görbe: adott φ 1 fázisbeli koncentrációval termodinamikai egyensúlyban lévő φ 2 fázisbeli koncentrációk halmaza (pl: gőz-folyadék egyensúlyi görbe) Az egyensúlyt minden esetben a kémiai potenciálok egyenlősége jelenti Egyensúlyi egységnek nevezzük a műveleti egység azon elemi részét, melyből a távozó fázisok (φ 1, φ 2 ) egymással termodinamikai egyensúlyban vannak, vagyis a fázisokban a hőmérséklet, a nyomás és a komponensek kémiai potenciálja egyenlő (pl f 1 fázis lehet gáz, folyadék; f 2 fázis lehet folyadék, szilárd) 7 4

5 FONTO FOGALMAK Az extrakciós művelet típustól függetlenül egyensúlyra vezető művelet, melyre jellemző a megoszlási hányados (D) D független az oldott anyag koncentrációjától abban az esetben, ha az oldott anyag molekuláris állapota egyik oldószerben sem függ a koncentrációtól D= c * E az értékes anyag egyensúlyi koncentrációja az extrakt fázisban = * c R az értékes anyag egyensúlyi koncentrációja a raffinátum fázisban Extrakció akkor megy végbe, ha az egymással érintkező fázisokban az oldott anyag kezdeti koncentrációja eltér az egyensúlyi koncentrációtól A két fázis közötti komponenstranszport az egyensúlyi koncentrációk eléréséig tart Ezután a hajtóerő (koncentrációkülönbség) nulla 8 FONTO FOGALMAK Az extrakciós művelet fontos üzemtani jellemzője a folyadékarány, amely az extraktum és a raffinátum tömegének (folyamatos készülék esetén a tömegáramának) a hányadosa: f = E R Az extrakciós művelet esetében, mnt kétfázisú művelet a fázisok érintkezési felületének kulcsszerepe van az anyagtranszport sebességében Az anyagtranszport átadási árama j átad = β A Δc β: komponesátadási tényező; A: fajlagos felület; Δc: koncentrációkülönbség Ebből következik, hogy a keverésnek is kulcsszerepe lesz a művelet során Minél nagyobb felületen érintkeznek a fázisok annál hatékonyabb az anyagátadás 9 5

6 AZ EXTRAKCIÓ MŰVELETÉNEK EMUTATÁA HÁROMZÖGDIAGRAMMON F A R E R A K 1 F E ' M R E ' Ha az F összetételű A, elegyhez oldószert adunk, akkor a háromkomponensű rendszer összetétele az F szakasz mentén mozdul el Ha az oldószer mennyisége megfelelő, akkor az M munkaponti összetételnél két fázis, az E extraktum és az R raffinátum fog kialakulni Az extraktumot és a raffinátumot oldószermentesítve az E és R összetételű fázisok jelennek meg 10 AZ EGYFOKOZATÚ EXTRAKCIÓ ANYAGMÉRLEGE Anyagmérleg F A E F + = M = E + R A R E ' K 1 F E ' M R R Komponensmérleg F x F + y = M x M = E y + R x (y s értéke tiszta oldószer alkalmazása esetén nulla) Folyadékarány f = E R = RM ME F = M FM 11 6

7 TÖFOKOZATÚ F-F EXTRAKCIÓ FOKOZATONKÉNT FRI OLDÓZER HOZZÁADÁÁVAL Ha az egyfokozatú extrakció után a raffinátumban még jelentős mennyiségű extrahálandó komponens van, akkor a fázisszétválasztás után nyert raffinátum ismételten extrahálható Ez több fokozatban valósítható meg E 1,y 1 E 2,y 2 E 3,y 3 Σ E Σ E' -- E' F 1,x F R 1,x 1 R 2,x 2 R 3,x R' A R' F,x F M 1 R 3 M 2 M 3 R 1 R 2 E 1 -- E E 2 E3 12 TÖFOKOZATÚ FOLYAMATO ELLENÁRAMÚ EXTRAKCIÓ F,x F R 1,x 1 R 2,x 2 R n-1,x n-1 E 1,y 1 1 E 2,y 2 2 E 3,y 3 E n,y n n R n,x n,y A szétválasztandó folyadékelegy és az oldószer ellenáramban halad Az egyes fokozatokból kilépő raffinátum és extraktum fázisok egymással termodinamikai egyensúlyban vannak, ha a fokozat egy egyensúlyi egységgel egyenértékű Tömeg- és komponensmérlegek! 1 fokozatra F-E 1 = R 1 -E 2 F x F -E 1 y 1 = R 1 x 1 -E 2 y

8 TÖFOKOZATÚ FOLYAMATO ELLENÁRAMÚ EXTRAKCIÓ MÉRLEGEK F,x F R 1,x 1 R 2,x 2 R n-1,x n-1 E 1,y 1 1 E 2,y 2 2 E 3,y 3 E n,y n n R n,x n,y! 1 fokozatra F-E 1 = R 1 -E 2 F x F -E 1 y 1 = R 1 x 1 -E 2 y fokozatra F-E 1 = R 2 -E 3 F x F -E 1 y 1 = R 2 x 2 -E 3 y 3 1,2 n fokozatra F-E 1 = R n - F x F -E 1 y 1 = R n x n - y F-E 1 = R n - = R 1 -E 2 = R 2 -E 3 = R 3 -E 4 = = áll A fenti egyenletek szerint a műveleti egység adott helyén a tömeg- és komponensáramok különbsége állandó 14 TÖFOKOZATÚ FOLYAMATO ELLENÁRAMÚ EXTRAKCIÓ HÁROMZÖGDIAGRAMM F,x F R 1,x 1 R 2,x 2 R n-1,x n-1 E 1,y 1 1 E 2,y 2 2 E 3,y 3 E n,y n n R n,x n,y! o-pont F,x F R R 1,x 2,x 2 1 R n,x n A R n-1,x n-1 E 1,y 1 E 2,y 2 E 3,y 3 E n,y n,y 15 8

9 TÖFOKOZATÚ FOLYAMATO ELLENÁRAMÚ EXTRAKCIÓ HÁROMZÖGDIAGRAMM o-pont F,x F R R 1,x 2,x 2 1 R n,x n A R n-1,x n-1 E 1,y 1 E 2,y 2 E 3,y 3 E n,y n,y A vizsgált i komponens megoszlási hányadosa E és R fázisok között * N= c E c R * = y x (y/x az egyensúlyi egység feltételéből következik) Az extrakciós hányados (K): K = Ey Rx = N f 16 TÖFOKOZATÚ FOLYAMATO ELLENÁRAMÚ EXTRAKCIÓ HÁROMZÖGDIAGRAMM o-pont F,x F R R 1,x 2,x 2 1 R n,x n A R n-1,x n-1 E 1,y 1 E 2,y 2 E 3,y 3 E n,y n,y A fokozatokra felírt mérlegegyenletek alapján, felhasználva, hogy y = 0 F = R 0 és x F = x 0, az extrakciós veszteség (K=áll): K 1 R n x n = R 0 x 0 K n+1 1 az extrakció nyeredéke: Ey 1 = R 0 x 0 K K n 1 K n

10 TÖFOKOZATÚ FOLYAMATO ELLENÁRAMÚ EXTRAKCIÓ HÁROMZÖGDIAGRAMM o-pont F,x F R R 1,x 2,x 2 1 R n,x n A R n-1,x n-1 E 1,y 1 E 2,y 2 E 3,y 3 E n,y n,y a K extrakciós hányados mellett az n fokozatszám is kiszámítható (KREMER OUDER ROWN-összefüggés): K 1 log(r 0 x 0 +1) R n = n x n 1 logk 18 F-F EXTRAKCIÓ KÉZÜLÉKEI A folyadék-folyadék extraktorokat szerkezetük és működésük alapján négy fő csoportba lehet sorolni Oszlopszerű berendezések: Külső mechanikai energia nélkül működő egyszerű oszlopok Forgóelemes oszlopok Alternáló mozgású elemekkel ellátott berendezések Pulzáló vagy folyadéklüktetéses extraktorok Centrifugális extraktorok Keverő-ülepítő extraktorok 19 10

11 PERMETEZŐ EXTRAKTOR a a könnyű folyadék a diszpergált fázis b a nehéz folyadék a diszpergált fázis! 20 TERELŐLEMEZE OZLOPOK a terelőlemezes b cheibel-oszlop, c Mixco-oszlop d Kühni-oszlop e EC-oszlop, f RZE-oszlop! 21 11

12 ZITATÁNYÉRO EXTRAKTOROK 22 PULZÁLÓ É LENGETETT EXTRAKTOROK a PFK (pulzált töltött oszlop), b PE (pulzált szitatányéros oszlop), c Karr (lengetett lemezes oszlop) 23 12

13 GRAEER EXTRAKTOR 24 ZILÁRD FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Típusai: zilárd Folyadék extrakció à fizikai oldás zilárd Folyadék extrakció à kémiai reakció is lejátszódik zilárd-fluidum extrakció à az oldószer kritikus állapotban van zilárd Folyadék extrakció fizikai oldással A művelet lényege: szilárd anyag értékes komponenseinek kioldása oldószerrel A szilárd anyag többnyire növényi eredetű, melynek üregeiben, sejtjeiben, vázanyagában található a kinyerendő komponens 25 13

14 ZILÁRD FOLYADÉK EXTRAKCIÓ LÉPÉEI 1 A szárított szilárd anyag oldószerben történő duzzasztása melynek eredményeképpen az anyag belsejében a kinyerendő komponens tömény oldata alakul ki 2 A duzzasztott anyag friss oldószerrel történő érintkeztetése 3 Az értékes anyag az extrahálószerbe juttatása, amely diffúzió útján valósul meg zilárd Folyadék extrakció transzportfolyamatai: 1 Duzzasztás 2 Extrahálószerrel érintkeztetés 3 Elválasztás és zilárd fázis újraextrahálása 4 Egyesített folyadékfázisból komponens kinyerése különböző elválasztási módszerekkel (bepárlás, kristályosítás, stb) PÉLDA: szacharóz kinyerése cukorrépából 26 ZILÁRD FOLYADÉK EXTRAKCIÓ ZUPERKRITIKU KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT Lényege: a szilárd vagy folyékony halmazállapotú anyagból szuperkritikus állapotban lévő oldószerrel vonják ki az értékes komponenseket Az oldott anyagot nyomáscsökkentéssel (vagy abszorpcióval, adszorpcióval) választják el az oldószertől Alkalmazása: ma már igen elterjedt Kávé, tea koffeinmentesítése Dohány nikotintartalmának csökkentése Fűszerkivonatok, gyógynövény-hatóanyagok, kozmetikumok előállítása Kőolaj feldolgozása 27 14

15 ZILÁRD FOLYADÉK EXTRAKCIÓ ZUPERKRITIKU KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT Előnyei: Nem illékony, magas forrpontú, hőérzékeny anyagok is kinyerhetőek Nagy szelektivitás, nagy hatásfok Négy paraméter is változtatható: Oldószer minősége, Hőmérséklet, Nyomás, Entréner oldódást befolyásoló segédanyag alkalmazása A kioldott anyag oldószermentes Extraktum és extrakt könnyen elválasztható Nagy a komponenstranszport sebessége Hátrányai: Magas beruházási költség 28 ZUPERKRITIKU EXTRAKCIÓ OLDÓZEREI Freonok: kiváló oldószerek, de drágák, mérgezőek Ammónia: reaktív, szennyezi a környezetet Telített és telítetlen könnyű szénhidrogének: kis t krit, de alacsony oldóképesség Aromás CH-k: magas kritikus hőmérséklet zén-dioxid: leggyakrabban alkalmazott oldószer o Nem káros az egészségre o Nagy oldóképesség, nagy sűrűség o Alacsony t krit,(313 C) à a kezelt anyag nem károsodik, nem kell a extra berendezésre hőszigetelés o Nem reaktív, a kezelt anyaggal nem lép reakcióba o Nem környezetszennyező o Olcsó Oldószerelegyek: CO 2 +propán, CO 2 +alkoholok, éterek à oldóképességet, szelektivitást, kritikus paramétereket befolyásolják 29 15

16 ZUPERKRITIKU EXTRAKCIÓ MŰVELETE Expanziós szelep E s D Extrakt Az előkészített nyersanyagot az extrakciós tartályba töltik (E) A szivattyú a (D) oldószertartályból cseppfolyós oldószert szív P nyomáson majd az extraktorba (E)-be nyomja Az oldószer a nyersanyagból kioldja az extrahálandó komponenst Az oldat nyomáscsökkentő szelepen keresztül a () szeparátorba jut A szeparátor hőmérsékletén az anyag és az oldószer különválik A szeparátorból távozó oldószergőz kondenzátoron keresztül visszakerül (D)-be 30 KÉVÁ KOFFEINMENTEÍTÉE CO 2 Extraktor H 2 O H 2 O+Koffein Lepárló Gázmosó CO 2 KOFFEIN gázmentesitő p=16-22 MPa T=363K Idő = 10óra Koffein 3%-ról --> 002%-ra CO 2 +Koffein H 2 O CO 2 +Koffein 31 16