Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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