Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ

ΥΓΡΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ

Η σχετική πτητικότητα των συστατικών του αρχικού διαλύματοςείναι κοντά στη μονάδα και επομένως η εφαρμογή της απόσταξηςείναι είτε αδύνατη ή ιδιαίτερα δαπανηρή.∆ύο συστατικά που έχουν παρόμοια πτητικότητα, μπορεί να έχουνπολύ διαφορετική διαλυτότητα σε ένα διαλύτη.

Η διεργασία της απόσταξης απαιτεί τη χρήση πολύ μεγάλωνποσοτήτων θερμότητας.Αυτό συμβαίνει κυρίως στα υδατικά διαλύματα, λόγω της μεγάληςθερμότητας εξάτμισης του νερού.

Τα συστατικά του αρχικού διαλύματος είναι ευαίσθητα στηθερμοκρασία ή αποσυντίθενται στη θερμοκρασία της απόσταξης.Σ΄ αυτές τις περιπτώσεις η υγρή εκχύλιση είναι μια καλή λύση μιαςκαι η θερμοκρασία επηρεάζει μόνο τη διαλυτότητα των συστατικών.Με επιλογή του κατάλληλου διαλύτη, η υγρή εκχύλιση μπορεί ναλάβει χώρα σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες ακόμη και σεθερμοκρασία περιβάλλοντος. Έτσι η εκχύλιση βρίσκει ευρείαεφαρμογή κυρίως στην βιομηχανία τροφίμων και τηνφαρμακοβιομηχανία για το διαχωρισμό θερμοευαίσθητων οργανικώνουσιών.

Η υγρή εκχύλιση βρίσκει εφαρμογή όταν….

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

x ακετόνης

y ακετόνης

(a)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

x νερούy νερο

ύ

(b)

Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων y-x για το μίγμα

ακετόνη/νερό σε ατμοσφαιρική πίεση

Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων y-x για το μίγμα οξικό οξύ/νερό σε

ατμοσφαιρική πίεση

Σύγκριση χαρακτηριστικών υγρής εκχύλισης και απόσταξηςΥγρή εκχύλιση Απόσταξη

Τα συστατικά ενός υγρού μίγματος διαχωρίζονται με τη προσθήκη ενός διαλύτη που είναι αδιάλυτος με το αρχικό μίγμα

Τα συστατικά του υγρού διαλύματος διαχωρίζονται με την προσθήκη θερμότητας

Μια νέα υγρή φάση δημιουργείται λόγω της προσθήκης του διαλύτη

Μια νέα ατμώδης φάση δημιουργείται λόγω της προσθήκης θερμότητας

Εκμεταλλευόμαστε τη διαφορά των διαλυτοτήτων των συστατικών του αρχικού μίγματος στο διαλύτη

Εκμεταλλευόμαστε τη διαφορά της πτητικότητας των συστατικών

Η εκλεκτικότητα χρησιμοποιείται ως μέτρο του βαθμού διαχωρισμού

Η σχετική πτητικότητα χρησιμοποιείται ως μέτρο του βαθμού διαχωρισμού

Οι φάσεις είναι δύσκολο να αναμειχθούν και να διαχωριστούν

Οι φάσεις αναμιγνύονται και διαχωρίζονται εύκολα και γρήγορα

∆εν δίνει καθαρά προϊόντα και επομένως χρειάζεται επιπλέον κατεργασία τους

∆ίνει σχεδόν καθαρά προϊόντα

Παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή των λειτουργικών παραμέτρων

Παρέχει μικρή ευελιξία στην επιλογή των λειτουργικών παραμέτρων

Απαιτεί μηχανική ενέργεια για την ανάμειξη και το διαχωρισμό

Απαιτεί θερμική ενέργεια

∆εν απαιτεί διατάξεις θέρμανσης και ψύξης

Απαιτεί διατάξεις θέρμανσης και ψύξης

Επιλογή διαλύτη

Ri

Ei

iCCK ' E

i

Ri

Ri

Ei

ixxK

RC

EC

RA

EA

RC

EA

C/A

xxxx

KKβ

Ο συντελεστής κατανομής (distribution coefficient) και η εκλεκτικότητα (selectivity) είναι οι πιο σημαντικές ιδιότητες που καθοδηγούν την επιλογή του κατάλληλου διαλύτη.

Ο συντελεστής κατανομής, κατ’ αναλογία με την ισορροπία ατμών-υγρού, ορίζεται ως ο λόγος των συγκεντρώσεων της ουσίας i στις δύο υγρές φάσεις, του εκχυλίσματος και του υπολείμματος:

Εκλεκτικότητα είναι η ικανότητα του διαλύτη να διαλύει επιλεκτικά το επιθυμητό συστατικό από το μίγμα τροφοδοσίας σε σχέση με τα άλλα συστατικά. Είναι το ανάλογο της σχετικής πτητικότητας στην περίπτωση της ισορροπίας ατμών-υγρού.

Η εκλεκτικότητα, β, του διαλύτη ως προς δύο συστατικά, A και C, ορίζεται από τη σχέση:

Αντίστοιχα εργαζόμαστε και με κλάσματα βάρους

Επιλογή διαλύτη• Συντελεστής κατανομής της διαλυμένης ουσίαςΜεγάλος συντελεστής κατανομής σημαίνει ότι ο διαλύτης έχει μεγάλη έλξη προς τη διαλυμένη ουσία. Αυτό οδηγεί σε μικρούς λόγους ροών διαλύτη ως προς διαλυμένη ουσία στην τροφοδοσία.

• ΕκλεκτικότηταΤιμές εκλεκτικότητας μακριά από τη μονάδα οδηγούν σε εύκολο διαχωρισμό, χρήση μικρού αριθμού βαθμίδων εκχύλισης. Κατ’ αναλογία με την απόσταξη, τιμές β=1 υποδηλώνουν αδύνατη εκχύλιση.

• Πυκνότητα και ιξώδεςΜεγάλες διαφορές στην πυκνότητα της φάσης του εκχυλίσματος σε σχέση με αυτή του υπολείμματος οδηγεί σε εύκολο διαχωρισμό των φάσεων μέσω βαρύτητας. Μεγάλα ιξώδη οδηγούν σε δυσκολίες κατά την άντληση των υγρών και την διασπορά των φάσεων.

• Ευκολία στην ανάκτηση του διαλύτη∆ιαλύτες με μικρή διαλυτότητα και μεγάλη διαφορά πτητικότητας σε σχέση με τα συστατικά του μίγματος της τροφοδοσίας οδηγεί σε εύκολο διαχωρισμό του με απόσταξη. ∆ιαλύτες με μικρή ενθαλπία εξάτμισης.

Επιλογή διαλύτη

• Τοξικότητα και ευφλεκτότητα

Οι διαλύτες πρέπει να είναι όσο το δυνατό μη τοξικοί και άφλεκτοι.

• Συμβατότητα

Πρέπει να είναι βέβαιο ότι το τελικό προϊόν δεν είναι επιμολυσμένο από

διαλύτη. Αυτό είναι πολύ σημαντικό κυρίως σε εφαρμογές στη

βιομηχανία τροφίμων και φαρμάκων.

• Αντιδράσεις

Οι διαλύτες δεν πρέπει να αντιδρούν με τα συστατικά του μίγματος της

τροφοδοσίας.

• Διάβρωση

Οι διαλύτες πρέπει να είναι συμβατοί με τα υλικά κατασκευής των

συσκευών μη προκαλώντας διαβρώσεις.

• Διαθεσιμότητα και κόστος

Λειτουργικές παράμετροι υγρής εκχύλισηςΑνάλογα με τη φύση της διεργασίας της εκχύλισης, η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής και το pH επιδρούν στην απόδοση και την επιλεκτικότητα της διεργασίας.

• ΘερμοκρασίαΕπιδρά και στη διαλυτότητα (συντελεστές κατανομής) και στην εκλεκτικότητα.

• Χρόνος παραμονήςΑύξηση του χρόνου παραμονής αυξάνει την απόδοση (πως επιτυγχάνεται η ρύθμιση του?)

• pHΤο pH είναι σημαντικό κυρίως σε εκχυλίσεις μετάλλων και βιομορίων.Μερικές φορές, ο διαλύτης μπορεί να συμμετέχει σε ανεπιθύμητες αντιδράσεις υπό ορισμένες συνθήκες pH (π.χ. ο οξικός αιθυλεστέρας μπορεί να υφίστανται υδρόλυση παρουσία ανόργανων οξέα σε οξικό οξύ και αιθανόλη).

• ΠίεσηΗ πίεση λειτουργίας έχει αμελητέα επίδραση στην απόδοση εκχύλισης και ως εκ τούτου οι περισσότερες εκχυλίσεις πραγματοποιούνται σε ατμοσφαιρική πίεση (προσοχή στην τάση ατμών των ουσιών που συμμετέχουν στη διεργασία).

R1

R2

R3

E2

F

E1

E3

S2

S1

S3

E2

R ή R3

E3R2

F

R1

S

E ή E1

Εκχύλιση διασταυρούμενης ροής(cross-flow)

Εκχύλιση κατ’ αντιροή(Counter current flow)

Συσκευές υγρής εκχύλισης

Συσκευές υγρής εκχύλισης

En

En-1Rn

Rn+1

Stage n

Αρχή λειτουργίας υγρής εκχύλισης κατ’ αντιροή

Συσκευές υγρής εκχύλισης

Πύργος εκχύλισης με ανάδευση τύπου RDC (Rotary Disk Conductor). Εντός του πύργου περιστρέφεται κεντρικός άξονας με μεγάλο αριθμό οριζόντιων δίσκων ενώ για καλύτερη ανάμειξη στα τοιχώματα χρησιμοποιούνται κυκλικοί ανακλαστήρες, 

Πύργος εκχύλισης τύπου Oldshue‐Rushton. Εντός του πύργου περιστρέφεται κεντρικός άξονας εφοδιασμένος με αναδευτήρες τύπου τουρμπίνας ενώ στα τοιχώματα υπάρχουν κατακόρυφοι ανακλαστήρες.

Τυπικό σύστημα υγρής εκχύλισης