KYM411 AYIRMA ĠġLEMLERĠ - · PDF fileA- Su, B-Kloroform, C-Aseton A- Benzen, B- Su, C-...

KYM411 AYIRMA ĠġLEMLERĠ

SIVI-SIVI EKSTRAKSİYONU

Prof.Dr.Hasip Yeniova

AYIRMA ĠġLEMLERĠ

Fiziksel Ayırma iĢlemleriDekantasyon,Filtrasyon vd

BuharlaĢtırmaTek Kademeli, Çok Kademeli

DistilasyonBasit, Azeotropik, Ekstarktif, Reaktif

EkstraksiyonBasit, Fraksiyonlu, Reaktif

Adsorpsiyon

KristalizasyonEritme, Çözücü

Membranlar

Dr.H. Yeniova

LABORATUVAR da SIVI SIVI EKSTRAKSĠYONU

Kimyager ile Kimya Mühendisi arasındaki fark

Ayırma iĢleminin çok farklıEkipmanlar kullanılarak

yapılmasıdır.

Ekipman: Ayırma hunisi

Dr.H. Yeniova

PĠLOT ÖLÇEKLĠ ve TĠCARĠ EKĠPMANLAR

Dr.H. Yeniova

Dr.H. Yeniova

Bölüm içeriği

1. Ekstraksiyon Proseslerine Giriş

2. Ekstraksiyonda Denge Bağıntıları

3. Tek Kademeli Denge Ekstraksiyonu

4. Sıvı-Sıvı Ekstraksiyon Sistemleri

5. Çok Kademeli Sürekli Ekstraksiyon

Dr.H. Yeniova

Kaynak

Christie J. GEANKOPLIS

Transport Process

And Unit Operations

2. Ed., Ch.12 p.698-712

Dr.H. Yeniova

1 Ekstraksiyon Prosesleri: Giriş

Distilasyon ile ayırmanın verimsiz veya çok zor olduğu durumlarda,

örneğin ayrılacak sıvıların kaynama noktaları birbirine çok yakın

olduğunda distlasyon yerine ekstraksiyon prosesi uygulanır..”

DistilasyondaSıvı faz kısmen bharlaĢarak diğerfazı oluĢturur. Ortamda sıvı ve buhar vardır. Fazlar kimyasal olarakbenzerdir. Ayırma bileĢenlerin bağıluçuculuğuna bağlıdır.

EkstraksiyondaSıvı- sıvı fazları vardır. Fazlarınkimyasal yapıları oldukçaFarklıdır. Ayırma bileĢenlerinFiziksel ve kimyasal özelliğineÖzellikle de bağıl çözünürlüğe bağlıdır.

Dr.H. Yeniova

Sıvı-Sıvı ekstraksiyonu (veya çözücü ekstraksiyonu)

Birbiri içinde çözünmeyen, karışmayan, aynı kap içerisine

konuldukların dışardan bir etki yapılmadığı taktirde ayrı fazlar halinde

kalan İKİ SIVI ARASINDAKİ KÜTLE AKTARIMIDIR.

Biri girdi diğeri çözücü olarak adlandırılan bu ikili sistemde çözücü,

girdi içerisindeki istenilen bileşene seçimli olarak etki eder.

Ayırma iĢlemi olarak distilasyon veya ekstraksiyon proseslerinden Hangisinin seçileceği maliyet analizine bağlıdır.Ekstraksiyonda kullanılan çözücünün geri kazanımı ekstra maliyetgetirdiği için genellikle daha pahalıdır.

Bu demkektir ki prosesde ekstraksiyon ünitesinden sonra bir adet dahaayırma ünitesinin yer alması gerekir. Çözücü ile istenilen bileĢeni birbirinden ayırmak amacıyla. Bu genellikle bir distilasyon kolonudur.

Dr.H. Yeniova

Sıvı sıvı ekstraksiyonu bir deney tüpü içerisinde veya ayırma hunisi

kullanılarak yyapılsa bile, birbiri ile karışmayan iki sıvı çalkalanarak

moleküllerin birbiri ile temas etmeleri sağlanır ve böylece istenilen

bileşenin çözücü fazına transfer olması sağlanır

Seyreltik

çözücü

Organik

çözücü

Dr.H. Yeniova

Ekstraksiyon

ünitesi

Girdi (Çözelti)

İçerisinde ayırmak

İstediğimiz bileşen veya

Bileşenler var.

Sıvı çözelti Çözücü

Ekstrakt

İçerisinde istenilen

bileşen var

RafinatBu akımın içerisinde

İstenilen bileşenden

Az miktarda kalmış

olabilir

Dr.H. Yeniova

A

Girdi (Çözelti)

A + B

xA xB Çözücü C

RafinatÇoğu B, xB

Ġçerisinde Ġstenmemesine rağmen B de olabilir

Ekstrakt

A + C

xA xC

Dr.H. Yeniova

Girdi (Çözelti)

A : Asetik asit

B : SuÇözücü

C: Etilasetat

RafinatB. Su

Ekstrakt

A : Asetik asit

C: Etil asetat

Az miktarda su

Örnek: Asetik asit- Su karışımından asetik asiti ayırmak

istersek ekstraksiyon prosesi uygundur

Asetk asit kn. 118Su kn. 100 Etil asetat kn. 77

A

Dr.H. Yeniova

Örnek

Bitkisel yağlar içerisinde bulunan doymuĢ yağ asitlerini ayırmak içinçözücü olarak propan kullanılır . Ancak iĢlem yüksek vakum altındaĠĢletilen distilasyon kolonlarında yapıldığı için distilasyon prosesi Pahalıdır.

Dr.H. Yeniova

EKSTRAKSĠYONDA DENGE BAĞINTILARI

1. FAZ KURALI

Sıvı-sıvı sistemlerde genellikle üç bileĢen ve birbiriyle dengede olaniki faz mevcuttur. Faz kuralına göre serbestlik derecesi 3 dür.

DeğiĢkenlerSıcaklıkBasınç4 adet deriĢim (konsantrasyon)

Dört adet deriĢim söz konusu ; ortamdaki 3 adet kütle kesrindeniki tanesi belirlenebilir. Üçüncü kütle kesri toplamdan bulunur.

xA + xB + xC = 1.0

Dr.H. Yeniova

C

A B

Üçgenin köĢeleri saf bileĢeni gösterir

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4 0.6

0.6

0.6

2. Üçgen Koordinatlar ve Faz diagramlarıüç bileşenli sistemlerde denge verilerini göstermek amacıyla genellikle

üçgen koordinatlar kullanılır. Aşağıda EŞKENAR ÜÇGEN koordinatlar v.

0.8

0.8

0.8 1.0

1.0

1.0

xA

xB

xC

Dr.H. Yeniova

Dr.H. Yeniova

C

A

B

M

Üçgenin köĢeleri saf bileĢeni gösterir

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4 0.6

0.6

0.6

Örnek: Bir karışım içerisinde bulunan A;B; C bileşenlerinin mol kesirleri

sırayla xA = 0.4 xB =0.2 ise ve üç bileşen birbiri ile tamamen

karışıyorsa bu karışımı diagramda göstermek için

0.8

0.8

0.8 1.0

1.0

1.0

xA

xB

xC

xB=0.20

xC=0.40

xA = 0.4 xB =0.2 için M noktasını

İşaretleyelim. M noktası A,B,C karışımını

gösterir

Dr.H. Yeniova

C

A

B

M

Üçgenin köĢeleri saf bileĢeni gösterir

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4 0.6

0.6

0.6

0.8

0.8

0.8 1.0

1.0

1.0

xA

xB

xC

xB=0.20

xC=0.40

Biribiriyle karışan ve iki fazlı bölgde bulunan bu üç bileşenli karışımının

bileşimi ,M noktasının karşı kenarlara olan dik uzaklıkarı ile ölçülür.

M noktasından AC ye indirilen dik doğrunun uzunluğu xB dir

M noktasından AB ye indirilen dik doğrunun uzunluğu xC dir

Dr.H. Yeniova

C

A

B

M

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.4 0.6

0.6

0.6

Biribiriyle tamamen karışmayan, kısmen karışan sıvı karışımları söz konusu ise

Örneğin: A- izobütil keton, B- Su, C- Aseton

A- Su, B-Kloroform, C-Aseton

A- Benzen, B- Su, C- Asetik asit karışımları için

0.8

0.8

0.8 1.0

1.0

1.0

xA

xB

Tek fazlı bölge

Çift fazlı bölge

Denge bağlantı doğrusu

p

a

b

xC

Dr.H. Yeniova

C bileĢeni A veya B içerisinde tamamen çözünmektedir.A bileĢeni B içerisinde çok az çözünmekte, B bileĢeni de A içerisinde çok az çözünmektedir.

Orjinal M karıĢımı iki faza ayrılmaktadır ve bu iki faz dengededir.a-b doğrusu M noktasından geçen denge bağlantı doğrusudur. P noktasında ise iki fazın bileĢimi aynıdır.

Dr.H. Yeniova

EĢkenar üçgen koordinatların kullanılması biraz zordur. O nedenleDenge Verilerinin Dik üçgen koordinatlarda gösterilmesi dahaUygun olabilir.

AĢağıda A- asetik asitB- suC- izopropileter karıĢımının denge verileri

dik üçgen koordinatlarda gösterilmiĢtir. Bu sistem için veriler Geankoplis ek A.3 den alınmıĢtır.

Bu sistemdeki bileĢenlerden B ve A kısmen karıĢmaktadır.C nin deriĢimi dik eksen, A nın deriĢimi de yatay eksen üzerinde gösterilmiĢtir

B nin deriĢim farktan bulunabilir. xB =1.0 – xA - xC

yB =1.0 – yA - yC

Dr.H. Yeniova

Dik üçgen koordinatlarda Denge Verilerinin gösterilmesi

A –asetik asit

C -eter

B -su0

0

0.5

0.5

p

Ekstrakt, yC vs yA

Ġki fazlı bölge

Tek fazlı bölge

Rafinat xC vs xA

A’nın mol kesri xA, yA

C ninmolKesrixC

yC

Dr.H. Yeniova

Bir karıĢımı temsil eden M ile simgelediğimiz

veya Geankoplis’in h ile simgelediği nokta

Denge eğrisinin dıĢında isetek faz söz konusu olup noktanın koordinatları karıĢımın bileĢimini veriri.

Denge eğrisinin içinde iseĠki faz mevcuttur. M (h) noktasından geçen denge bağlantı doğrusu çizilir.Bağlantı doğrusunun denge eğrisini kestiği noktalardan biri ekstraktın diğeri de rafinat fazın bileĢimini verir.

Dr.H. Yeniova

A –asetik asit

C -eter

B -su0

00.5

0.5p

Ekstrakt, yC vs yA

Ġki fazlı bölge

Tek fazlı bölge

Rafinat xC vs xA

Ekstrakt

yA

0.5

Rafinat bileĢimi, xA

Denge eğrisi

1.000

M1

M2

Dr.H. Yeniova

Denge eğrisinin içinde Ġki fazlı bölgeDenge eğrisinin dıĢında tek fazlı bölge vardır.

gi bağlantı doğrusu,

su bakımından zengin i noktası - rafinat fazıneter bakımından zengin g noktası- ekstrakt fazın

BileĢimlerini gösterir.

Rafinat fazın bileĢimi xEkstrakt fazın bileĢimi y ile gösterilmiĢtir

Örneğin, C ninRafinat fazdaki deriĢim xC

Ekstrakt da deriĢimi yC

gi bağlantı doğrusunu oluĢturmak için önce xA, yA denge eğrisi çizilir.g ve i noktalarından bu eğriye dik doğrular çizilir.

Dr.H. Yeniova

g noktasıEkstrakt fazın bileĢiminigösterir. Eter bakımındanzengin faz

i noktasıRafinat fazın bileĢiminigösterir. Su bakımındanzengin faz

Dr.H. Yeniova

Dr.H. Yeniova

Bağlantı doğruları(tie lines)

Dr.H. Yeniova

Çözüm:

Orjinal karıĢımın bileĢimi xc= 0.3, xA = 0.10, and xB = 0.60

30

Örnek . 1 100 kg ağırlığındaki bir karıĢım baĢlangıçta30 kg izopropileter (C)10 kg asetik asit (A)60 kg su (B) içermektedir. Dengeye geldikten sonra fazlar

Ayrılmaktadır. Dengedeki iki fazın bileĢimlerini hesaplayınız.

xC =0.3 ve xA =0.1 değerleri kullanılarak faz diagramı üzerinde karıĢımı temsil eden h noktası iĢaretlenir.h noktasından geçen gi bağlantı doğrusu deneme-yanılma yaparak çizilir.

A –asetik asit

C -eter

B -su0

00.5

0.5p

Ekstrakt, yC vs yA

Ġki fazlı bölge

Tek fazlı bölge

Rafinat xC vs xA

Ekstrakt

yA

0.5

Rafinat bileĢimi, xA

Denge eğrisi

1.000

h

Dr.H. Yeniova

1. xC = 0.30, xA = 0.10

den yararlanarak h

noktası bulunur

2. h noktasından apsise dikindirin

3. Denge eğrisi ve 45o lik dogru arasına apsise paralelkademeyi çizin (try&error)

5. Benzer Ģekilde bulunan i noktasının koordinatları iseRafinat fazın bileĢimidir.

xA = 0.12, xC = 0.02, vexB = 1.00 – 0.12 – 0.02 = 0.86

g noktasnın koordinatları

ekstrakt fazın bileĢimini verir

yA = 0.04, yC = 0.94,

yB = 1.00 - 0.04 - 0.94 = 0.02

4. Kademenin sol köĢesindenyukarı çıkılan dik doğrununekstrakt faz denge eğrisinikestiği nokta g dir.

Dr.H. Yeniova

Tek fazlı bölge

Tek fazlı bölge

İki fazlı bölge

Bağlantı doğrusu

BileĢenlerden B ve C kısmen karıĢıyorsa buna ilaveten A ve C bileĢenleri de kısmen karıĢıyorsa

Faz diagramı aĢağıda ki gibidir

Dr.H. Yeniova

V, yA , yC

L, xA xC

M, xAM , xCM

Tek Kademeli Denge Ekstraksiyonu

Kaldıraç kuralının uygulanması

Toplam kütle denkliği: V+L=M

A için kütle denkliği: VyA+LxA=MxAM

M karıĢımı içerisindeki A nın mol kesri xAM, C nin mol kesri xCM

C için kütle denkliği: VyC + LxC = MxCM

1

2

3

Dr.H. Yeniova

Kaldıraç Kuralının dik üçgen diagrama uygulanması

(4)

(5)

(6)

1 Ve 2 den

4 ve 5 den

(7) (8)Kaldıraç kuralı

Denklem 6 L, M, ve V noktalarının bir doğru üzerinde olduğunu gösterir.

1 Ve 3 den

Dr.H. Yeniova

Kaldıraç kuralının dik üçgen koordinatlarda grafiksel gösterimi

A

C

B0

xA, yA

xC

yC

yA

xCM

V

M

L

yC

xA

xC

yA, yC den V noktasıxA, xC den L noktası bulunurV – L noktaları birleĢtirilir

Kaldıraç kuralı uygulanarakM noktası bulunur. M nin koordinatları

karıĢımın bileĢimini verir.

xAM

Dr.H. Yeniova

37

Örnek 2 Örnek 1 de dengede olan iki fazın bileĢimleri verilmiĢti.

Ekstraktda (V) yA = 0.04, yB = 0.02, and yC = 0.94, Rafinatda (L) xA = 0.12, xB = 0.86, and xC = 0.02.

Orjinal karıĢım 100 kg ve xAM = 0.10. V and L nin miktarlarını hesaplayınız.

ÇözümDenklem 1 ve 2 den

M = 100 kg and xAM = 0.10,

Ġki denklem birlikte çözüldüğünde, L = 75.0 V = 25.0.

Veya kaldıraç kuralı kullanılarak, grafikten hg uzunluğu ölçülür, 4.2 birim vegi uzunluğu ölçülür 5.8 birim

EĢitlik 8 den L = 72.5 kg V = 27.5 kg,

Görüldüğü gibi kütle denkliklerini çözerek bulunan L,V değerleri ile grafik yöntemdenbulunan L,V değerleri biribirine oldukça yakındır.

100 MLV

)10.0(100)12.0()04.0( LV

8.5

2.4

100

ig

ghL

M

L

Dr.H. Yeniova

Tek kademeli sıvı-sıvı ekstraksiyon PROSESLERĠ

Tek kademeli denge ekstraksiyonu

MVLVL 1120

AMAAAA MxyVxLyVxL 11112200

MCCCCC MxyVxLyVxL 11112200

A ve B bileĢenlerini içeren karıĢım içerisinden C çözücüsünü kullanarak A’ yı ayırmak istiyoruz.

0.1 CBA xxx

Toplam kütle denkliği:

A için kütle denkliği

C için kütle denkliği

9

10

11

Girdi L0 , Çözücü V2

V1 ve L1 dengeye geldikten sonra Üniteyi terkediyor

Dr.H. Yeniova

Bu üç kütle denkliğini (9-10-11) birlikte çözmek için denge faz diagramını kullanalım.

1. L0 ve V2 bliniyor.

2. 9 ve 11 denklemleri kullanılarak M, xAM, ve xCM hesaplanır

3. Diagramda L0, V2, M iĢaretlenir.

4. Öylesine bir deneme yanılma yapılarak M noktasından geçen bağlantı doğrusu çizilir ki; L1 ve V1 noktalarının temsil ettiği bileĢimler denge bileĢimleri olsun.

5. 9 ve 11 denklemleri kullanılarak veya kaldıraç kuralından yararlanarak L1 ve V1

miktarları hesaplanır.

39

A

C

B0

0

xCM

Ekstrakt, yC vs yA

L0

V2

M

xAM

V1

L0

kgVvekgL 5001000 20

AMx)1500()0)(500()235.0)(1000(

kgMVL 1500500100020

0.0765.0,235.0 200 ABA yvexx

157.0AMx

MCCC MxyVxL 2200

0765.0235.00.11 000 BAc xxx

AMAA MxyVxL 2200

MCx)1500()1)(500()0)(1000(

33.0CMx

Örnek:

Ağırlıkça %23.5 Asetik asit (A) ve %76.5 Su(B) içeren 1000 kg lık karıĢım içerisine 500 kg izopropil eter kullanılarak tek kademeli bir ekstraksiyon ünitesinde ayırma prosesine tabi tutulacaktır. Ekstrakt ve rafinat fazların bileĢimlerini ve miktarlarını hesaplayınız.

Çözüm

Dr.H. Yeniova

M

V2 (0,1) = (yA2, yC2)

V1 (0.1,0.89) = (yA1, yC1)

L1(0.2,0.03) = (xA1, xC1)

L0(0.235,0) = (xA0, xC0)

M(0.157,0.33) = (xAM, xCM)

42

Grafiksel çözüm

Dr.H. Yeniova

M

V2 (0,1) = (yA2, yC2)

V1 (0.1,0.89) = (yA1, yC1)

L1(0.2,0.03) = (xA1, xC1)

L0(0.235,0) = (xA0, xC0)

M(0.157,0.33) = (xAM, xCM)

Dr.H. Yeniova

(1)

AMAA MxyVxL 1111

MCCC MxyVxL 1111

)157.0)(1500()1.0()2.0( 11 VL

)33.0)(1500()89.0()03.0( 11 VL

Grafikten: xC1 = 0.03 ve yC1 = 0.89;

Grafikten: xA1 = 0.2 ve yA1 = 0.1;

(2)

5.177,15.0 11 VL

500,1667.29 11 VL

(1) Ve (2) eĢitlikleri birlikte çözülerek L1 ve V1; bulunur

kgVvekgL 28.52586.914 11

89.003.0,1.0,2.0 1111 CCAA yvexyx

Dr.H. Yeniova