extactia+lichid-lichid.ppt

7/30/2019 Extactia+Lichid-Lichid.ppt

1/86

EXTRACTIALICHID - LICHID


2/86

CONCEPTE DE BAZA

Extractia L L, operatie unitara frecventutilizata in industria farmaceutica pentru: recuperarea si purificarea unui anumit

component din solutia in care a fost preparat;

indepartarea unor impuritati din solutia carecontine componentul valoros;

EX: recuperarea penicilinei din lichidul de

cultura prin extractie cu solventi ca:acetat de butil, acetat de amil,metil-izobutil-cetona (MIBC).


3/86

CONCEPTE DE BAZA

Alte separari: Izolarea eritromicinei cu acetat de amil;

Recuperarea steroizilor;

Purificarea vitaminei B12 din surse microbiene; Izolarea unor alcaloizi (morfina, codeina) dinmateriile prime naturale.

Cel mai simplu echipament utilizat inlaborator: palnia de separare


4/86

S

A + B

B + S

A

B + SA

B + S


5/86

CONCEPTE DE BAZA

Se considera o solutie initiala formata dinA si B;

Comp. B (solut) se separa de comp. A cu

ajutorul solventului (dizolvantului) S. Pt. ca extractia sa fie realizabila:

S este nemiscibil sau partial miscibil cu A;

B este solubil in S; este recomandat ca, la echilibru: XB[ ]S > XB[ ]A ;


6/86

CONCEPTE DE BAZA Dupa amestecare/sedimentare 2

straturi: RAFINAT majoritar A + urme de B si S

EXTRACT majoritar S + B dizolvat +

+ urme de A

B + A

SOLVENT

(S) B + S

A + B

EXTRACT

RAFINAT

Amestecator Separator


7/86

CONCEPTE DE BAZA Solutul B, solubil atat in A cat si in S se

repartizeaza intre cei 2 solventi dupa uncoeficient de distributie (de partitie, derepartitie):

RAFINATfazainAluiconc.

EXTRACTfazainAlui.conc

X

Yk

A

AN


8/86

CONCEPTE DE BAZA

Relatia deechilibru intr-unsistem cusolventinemiscibili a sisteme idealey = kx;

b, c sistemerealey = kxn;

y

x

c

ab


9/86

CONCEPTE DE BAZA

Repartizarea solutului B in extract sirafinat corespunde coef. de distributienumai daca amestecarea a atins echilibrulfazelor;

)(teoreticaechilibrudeeaRepartizar

(reala)efectivaeaRepartizarextractieiEficienta


10/86

CONCEPTE DE BAZA

Unitatea de extractie (amestecator +separator) care are eficienta 1 (100 %) =unitate ideala (teoretica) de extractie

O instalatie de extractie = una sau maimulte unitati de extractie

O coloana de extractie (in care unitatile de

extractie nu sunt distincte) esteechivalenta ca eficienta cu un nr. de unitatiteoretice de extractie


11/86

CONCEPTE DE BAZA

Fata de RECTIFICARE, EXTRACTIAprezinta avantaje dpdv economic daca: Comp. volatil este in conc. mare;

La rectificare trebuie sa se lucreze cu refluxmare;

Comp. volatil este apa (Hvap mare);

Volatilitatea relativa a comp. este apropiata de

unitate; Temp. la care s-ar face rectificarea este mare;

Substantele de separat sunt termolabile.


12/86

SOLVENTI DE EXTRACTIE Alegerea solventilor pentru extractie:

Selectivitate Densitate Tensiune interfaciala Viscozitate Solubilitate reciproca cu materia prima Presiune de vapori Toxicitate

Inflamabilitate Corozivitate Costul

Posibilitatea de a putea fi recuperat


13/86

SOLVENTI DE EXTRACTIE

Selectivitatea Capacitatea solventului de a extrage preferential unanumit component;

Se exprima functie de raportul conc. sau al coef. de

repartitie Nernst:

> 1 solvent selectiv pt. A

< 1 solvent selectiv pt. B = 1 solvent neselectiv,

extractie imposibila

NB

NA

B

A

B

A

k

k

X

X

Y

Y


14/86


Selectivitatea este influentata de: Temperatura; Conc. solutului;

Structura chimica a componentelor. Densitatea ()

O dif. cat mare de densitate intre faze: Imbunatateste dispersia;

Mareste viteza de deplasare a picaturilor

conduce la marirea capacitatii utilajelor


15/86


Tensiunea interfaciala () Cat mai mare, pt. usurarea separarii fazelor O tens. prea mare ingreuneaza dispersia unei

faze in cealalta.

Viscozitatea () Cat mai mica:

consum minim de energie la transport

transfer intens de caldura si de masa


16/86


Solubilitatea reciproca cu materia prima Cat mai redusa Este preferabil ca in sistemul ternar A-B-S, A

si S sa fie total nemiscibili

Cu cat solubilitatea reciproca este mai scazuta,cu atat extractul obtinut (dupa indepartareasolventului S) va fi mai bogat in B


17/86

SOLVENTI DE EXTRACTIE Presiunea de vapori

Nu prea mare depozitare si utilizare lapresiunea atmosferica;

O pres. de vapori scazuta separarea usoaraprin distilare a solventului din extract si dinrafinat;

Toxicitatea, Inflamabilitatea,

Corozivitatea, Costul:

Cat mai mici


18/86


Posibilitatea de recuperare In maj. cazurilor, solventul se recupereaza prindistilare fractionata

Trebuie evitate sist. care formeaza azeotropi

Proprietatile termice ale solventului valoricat mai mici, a.i. consumul de energie termica sicostul recuperarii sa fie cat mai reduse.


19/86

PROCESUL DE EXTRACTIE

Principial, in extractie apar trei etape:1 Amestecarea solutiei in care se aflacomponentul de extras (B) cu solventul (S);

2 Separarea fazelor rezultate;

3 Indepartarea si recuperarea solventului dincele doua faze.

Etapele (1) si (2) pot fi comasate intr-un

singur utilaj (coloana de extractie) operatcontinuu [contactare diferentiala afazelor]


20/86

Transferul de masa in extractia L - L

Cant. de solut transferata este prop. cu: Suprafata de transfer Potentialul procesului: dif. de conc. intre conc.

actuala (reala) si cea de echilibru.

La baza procesului de transfer stau 2procese elementare: Difuzia solutului in sol. initiala pana la

interfata; Difuzia solutului de la interfata in masa

dizolvantului


21/86


Cant. de solut Btransferata:

kR, kE coef. individual detransfer de masa inrafinat (extract);

KR, KE coef. globali detransfer raportati larafinat (extract)

xB,i, yb,i conc. la interfata

xB*, yB* - conc. la echil. asolutului intr-o faza,coresp. conc. din cealaltafaza, cf. legii Nernst

BBE

BBR

BiBE

iBBRB

yyAK

xxAKyyAk

xxAkN

*

*

,

,


22/86


Intre coef. globali si cei individuali detransfer de masa exista dependenta:

R

NB

E

E

ENBR

R

k

k

k

K

kkk

K

1 1;11 1


23/86


Rezistentele la transfer depind desolubilitatea solutului B in cele 2 faze (decoef. de repartitie):

Cand kNB este f. mare, solutul este foartesolubil in extract rezistenta procesuluieste localizata in faza rafinat KR = kR.

Cand kNB este foarte mic

rezistentaprocesului este localizata in faza extract KE = kE.


24/86


Coeficientii individuali de transfer de masa kR, kE,

se calculeaza din ecuatii criteriale (FDT vol. II,cap. 5)

Dimensionarea utilajelor implica determinarea:

fie a: inaltimii unitatii de transfer (IUT)

numarului unitatilor de transfer (NUT)

fie a: numarului treptelor teoretice de contact (NT)

inaltimii echivalente a unei trepte teoretice (IETT)


25/86


Aceste marimi (NUT, IUT, NT) pot ficalculate:

analitic

cand in sist. ternar A, B, S componentii A si Ssunt total nemiscibili, iar legea Nernst (adistributiei ideale) este valabila

grafic cand cel putin una din cond. anterioare nu este

indeplinita.


26/86

Date de echilibru

Daca intr-o solutie binara de solut B in solventA se adauga un alt solvent S se pot formaurmatoarele amestecuri:

a) O solutie omogena; Solventul S nu este potrivit pt.

extractie;b) Solventul S este complet nemiscibil cu solventul A;

c) Solventul S este partial miscibil cu solventul A opereche de lichide partial miscibile;

d) Noul solvent poate duce la formarea a 2 sau 3 fazelichide partial miscibile.

Posibilitatile b, c, d, in special b si c sunt celemai indicate pt. extractie


27/86

b) Solventul S complet nemiscibil cu A

YB [g A / g B]

xB [g A / g B]


28/86

c) Solventul B partial miscibil cu A

Solutul A (acetona) este complet miscibilcu cei 2 solventi: B (apa) si C (metil-izobutil-cetona - MIC);

Cei 2 solventi sunt partial miscibili intre ei Datele de echilibru se reprezinta intr-odiagrama triunghiulara:

triunghi echilateral triunghi dreptunghic

Si t t


29/86

Sisteme ternare

Sistem 3/1: 3 comp., 1 zona bifazica

Sistem 3/2: 3 comp.: 2 zone bifazice distincte (a)

1 banda de eterogeneitate (b)

Sisteme 3/3: 3 comp., 3 zone bifazice (c)

Si l A (A) A (B) MIC (C)


30/86

Sistemul Acetona (A) Apa (B) MIC (C)

A

CB

H

ZY

X

L

JK

QP

MN

F

Si t l A t (A) A (B) MIC (C)


31/86


H un amestec de A, B si C in raport egalcu cel al perpendicularelor HJ, HK, HL.

BN solubilitatea lui C in B

MC solubilitatea lui C in B Aria de sub curba NPFQM(curba de

solubilitate binodala) = regiune a domeniului

bifazic, care se desparte in 2 fazedistincte, aflate in echilibru


32/86


Compozitia acestor faze este data depunctele Psi Q;

Dreapta PQ= linie de legatura = conoda

Conodele leaga compozitia fazelor inechilibru, panta lor determinandu-seexperimental.

Pct. Fde pe curba = pct. critic (comp.fazelor sist. eterogen sunt identice)

Pozitia pct. Fse det. exp.


33/86


Legea fazelor (Gibbs):F + L= C + 2

La P si T = ct.:

L = 3 - F

A

CB

F

zona bifazicaL = 1

zona

monofazicaL = 2


34/86


Daca o sol. de compozitie X seamesteca cu o sol. de comp. Y,rezulta un amestec Z, a.i.:

XdecantitateaYdecantitatea

ZYXZ

CB

H

Z

YX

L

JK

QP

MN

F

A


35/86


In mod similar, daca dintr-unamestec Z se indeparteaza unextract Y, lichidul ramas vaavea concentratia X.

CB

H

ZY

X

L

JK

QP

MN

F

A

Si t l A t (A) A (B) MIC (C)


36/86


KH+ JH+ LH= AS

(inaltimea triunghiului) KH+ JH+LH= AB

(latura triunghiului)

orice pct. de pedreapta TU=amestec ternarin care

continutulde A esteconstant CB

H

J

L

JK

L

K

F

A

S

UT


37/86

Sistemul Anilina (A) Apa (B) Fenol (C)

Se formeaza 2regiuni bifaziceseparate, care latemp. ridicate seunesc intr-o singura

zona bifazica. A si C sunt total

miscibile B si A partial

miscibile B si C partial

miscibile

Si t l A ili (A) A (B) F l (C)


38/86

Sistemul Anilina (A) Apa (B) Fenol (C)

conode

R t i t l t


39/86

Reprezentarea sistemelor ternare

in triunghiul dreptunghic isoscel

conode


40/86

Date de echilibru

Pentru determinarea selectivi-tatii solventilor si pt. calcululnr. teoretic de trepte deextractie, mai utile sunt

diagramele de forma: Se folosesc coordonate

rectangulare si se reprezintadependenta conc. solutiilor in

cele 2 faze, raportate la amestecul lipsit desolvent.

Punctul

critic


41/86

Date de echilibru

Curbele 1 si 2:

caracteristice sist. 3/1; Curbele 3, 4, 5: caract.

pt. sist. 3/2 tip banda; Curbele 1 si 3: conc.

mai mare a solutului in

extract; Curbele 2 si 4: conc.

mai mare a solutului inrafinat;

Curba 5: amestec

solutrop: (la conc. micirafinat mai bogat insolut; la conc. mariextract mai bogat insolut)


42/86

Procedee generale de extractie

Dupa modul de contactare a lichidelorexista: extractie simpla, cu un singur contact;

extractie simpla, cu contact multiplu;

extractie cu contact multiplu, in contracuent;

extractie in contracurent, cu reflux;

extractie continua (diferentiala), in

contracurent.


43/86

Extractie simpla, cu un singur contact

Am amestecator

De decantor

R0 lichid initial (A + B)

S1 solvent

E1 extract

R1 rafinat

Am DeR0

S1 E1

R1

1110 RESR


44/86


In inst. anexe, solventul din E si R serecupereaza prin distilare;

Procedeul = uzual discontinuu, dar se poate

aplica si continuu, in regim stationar; Cu o buna agitare, eficacitatea se apropiede cea a unitatii teoretice;

Consum mare de solvent; Corespunde distilarii simple.


45/86


r0 comp. coresp. am. initial R

0;

s1 comp. coresp. solventului S;

Pct. m1r0s1 = compozitia am.global M;

Locul pct. m1:

Lungimea r0s1 ~ (R0 + S1):

S

B

A

r0

r1e1

s1

m1

0

1

11

10

RS

msmr


46/86


Se traseaza conoda r1e1 care trece prin m1.

Punctele r1 si e1= compozitia rafinatului,respectiv a extractului;

10

01011

10

11010

SR

Rsrms

;SR

Ssrmr


47/86


Debitele de rafinat (R1

) si extract (E1) rezulta

din bilantul global:

si din relatia:

1110 RESR

1

1

11

11

R

E

me

mr


48/86


sau:


49/86

Extractia simpla cu contact multiplu

Extractie simpla, cu un singur contact, repetata:

Solventul este adaugat in mai multe portiuni; Cu aceeasi cantitate totala de solvent, se poate

realiza o separare mai avansata

A1 D1 A2 D2 A3 D3R0

R1 R2 R3

S1 S3S2

E1 E3E2



50/86


Cu cat nr. unitatilor de extractie este mai mare:

separarea amestecului este mai inaintata; scade randamentul separarii.

Procesul poate fi realizat in sarje sau continuu.

A1 D1 A2 D2 A3 D3R0

R1 R2 R3

S1 S3S2

E1

unitate de extractie

E2 E3



51/86


Reprezentare si calcul

Date cunoscute: cantitatea si compozitia amestecului initial; compozitia si cantitatea solventului folosita in

fiecare unitate;

continutul maxim de component B ramas inrafinatul final.

Se cere sa se determine:

numarul unitatilor de extractie; cantitatea si compozitia amestecului final; cantitatea si compozitia extractului final.



52/86


Se construieste graficul ternar, pe care se

fixeaza compozitiile: amestecului initial (r0); solventului (s1).

Pe dreapta r0

s1se fixeaza punctul

m1 care reprezintacompozitia

amesteculuiglobal:M1 = (R0 + S1)

S

B

A

r0

s1

m1



53/86


Locul pct. m1 este datde relatia:

se duce prin m1 (prininterpolare) conodar1e1.

Raportul dintre

rafinat si extract inprima unitate segaseste grafic cuecuatia:

0

1

11

10

R

S

ms

mr

11

11

1

1

mr

me

E

R

S

B

A

r0

s1

m1r1

e1


54/86


Se uneste r1cu s

2.

Uzual s2 coincide cu s1.

Pe dreapta r1 s2 sefixeaza punctul

m2 care reprezintacompozitiaamesteculuiglobal M2:

M2 = (R1 + S2) Locul punctului M2

rezulta din relatia:1

2

22

21

R

S

ms

mr

S

B

A

r0

s1

m1r1

e1m2

r2e2


55/86


Se repeta aceste operatii pana cand ultimulrafinat, Rn, atinge sau depasestecompozitia ceruta a rafinatului final.

Numarul unitatilor de extractie = indiceleultimului rafinat (n).

Cantitatea totala de solvent folosita:

n21 SSSS

Extractia cu contact multiplu in contracurent


56/86

Extractia cu contact multiplu, in contracurent

Solventul este folosit mai rational:

fie se micsoreaza consumul de solvent fie se imbunatateste randamentul separarii.

Amestecul de separat, R0 este introdus in

prima unitate de extractie, iar solventulproaspat se introduce in ultima unitate.

RAFINATE

EXTRACTE

Extractia cu contact multiplu in contracurent


57/86

Extractia cu contact multiplu, in contracurent

Calculul procesului: Bratu, III, p. 216 +

A1 D1 A2 D2 A3 D3R0

R1 R2 R3

Extract

final

S0

E2

E1 E3

Rafinat

final

Extractia in contracurent cu reflux


58/86

Extractia in contracurent, cu reflux

Cand selectivitatea solventului este slaba:

nr. unitatilor de extractie in contracurentcreste; puritatea extractului E tinde catre o limita

care nu poate fi depasita;

Aceste dezavantaje sunt inlaturate prinfolosirea refluxului: se poate lucra cu solventi mai putin selectivi pt.

solutul B, sau chiar cu solventi selectivi pt.comp. A se reduce nr. unitatilor deextractie

se poate ajunge la un extract si un rafinatoricat de pure

Extractia in contracurent cu reflux


59/86


Extractie incontracurent,fara reflux:



60/86


Cu reflux deextract:



61/86


Cu reflux derafinat:



62/86


Cu reflux deextract si derafinat:

E t ti dif ti l i t t


63/86

Extractia diferentiala, in contracurent

Unitatile distinctede extractie suntinlocuite cu ocoloana (cu sau fara

umplutura), in carecele 2 faze lichidecircula incontracurent, pe

baza diferentei dedensitate.

FAZ

AUSOARA

FAZAG

REA

S0

R0

Rafinat

final

Extract

final



64/86


In procedeele cu unitati distincte, se pp.

realizarea echil. TD in fiecare unitate deextractie; In coloanele de extractie, (regim continuu,

stationar) echil. TD nu se atinge la nici un

nivel al coloanei; Transferul comp. B din R in E se bazeaza

tocmai pe inexistenta echil.;

Dif. de conc. fata de conc. de echil. =FORTA MOTOARE care det. transferulcomponentului B dintr-o faza in alta.



65/86


Dpdv teoretic,Extr. Dif. CCesteasemanatoare

cu absorbtiagazelor;

Cf. teorieicelor 2 filme:

CONCENTRATIA

Film de

rafinatFilm de

extract

CB,R

CB,R,i

CB,E,i

CB,E



66/86


Ipoteza simplificatoare: S nemiscibil cu A

RAFINATUL: A + B EXTRACTUL: B + S

Ecuatiile difuziunii se scriu:

nB cant. de B, care trece prin interfata de arie

F in unitatea de timp; kR(E) coeficientul partial de transfer in filmul de

rafinat (extract)

extractdefilmulpentru-CCFknrafinatdefilmulpentru-CCFkn

E,Bi,E,BEB

i,R,BR,BRB



67/86


Daca linia de echilibru se aprox. cu o dreapta:

m panta dreptei

Este preferabil sa se lucreze cu coeficientii

totali de transfer:

i,R,Bi,E,B CmC

extractdefilmulpentru-CCFKn

rafinatdefilmulpentru-CCFKn

E,B

*

E,BEB

*

R,BR,BRB



68/86


Coeficientii totali de transfer au expresiile:

ER

R

km

1

k

1

1K

ER

R

k1

km

1K



69/86

,

Daca procesul decurgein coloane cu

umplutura, bilantul demateriale in stratul degrosime dI se scrie:

LA debitul (ct. inlungul coloanei) de A

din rafinat LS - debitul (ct. inlungul coloanei) de Sdin extract

LSLA

LSLA

CB,R,2

CB,R,1

CB,E,1

CB,E,2

dI

EBSRBAB dCLdCLdN ,, (*)



70/86


Ecuatiile de transfer de masa in stratul dI:

Combinand (*) cu (**) se obtine:

dFCCKdN

dFCCKdN

dFCCkdN

dFCCkdN

EBEBEB

RBRBRB

EBEiBEB

RiBRBRB

,

*

,

*

,,

,,

,,

(**)

E tractia diferentiala in contrac rent


71/86


Separand variabilele si integrand:

sau:

VLkF

LkdF

Lk

CCdC

A

R

A

R

F

A

R

C

C iRBRB

RB

RB

RB

0,,,,

2,

1,

dFCCkdCLdN RiBRBRRBAB ,,,

VL

kNUT

A

Rrafinat

supraf. specifica a umpluturii [m2/m3]

volumul umpluturii

din coloana [m3]



72/86

,

Inaltimea echivalenta a unei unitati de transfer afilmului de rafinat [I = inaltimea coloanei]:

In mod similar:

Vk

LI

NUT

IIUT

R

A

rafinat

rafinat

;NUT

IIUT;V

L

KNUT

;NUT

IIUT;VLKNUT

;NUT

IIUT;V

L

kNUT

extract

extract

S

Eextract

rafinat

rafinat

A

Rrafinat

extract

extract

S

Eextract

Extractia diferentiala in contracurent


73/86


Intre unitatile anterior definite exista relatiile:

In cazul solutiilor diluate, grupul esteconstant.

rA

SeE

e

S

ArR

IUTLLmIUTIUT

IUTLm

LIUTIUT

A

S

L

Lm



74/86


Daca ipotezele simplificatoare nu pot fi aplicate,ecuatia:

da rezultate multumitoare.

'

E

'

R

1

*

1

'

E

'

R

22

21'

E

'

R

'

E

'

R

ELLm

x

x1

L

Lm1

ymxymx

LLm1ln

L

Lm1

1NUT



75/86


m panta curbei de echilibru la capatul culichide diluate;

LR/LE raportul dintre debitele molare derafinat si extract;

x fractia molara a lui B in rafinat; y fractia molara a lui B in extract; x* - fractia molara a lui B in rafinat, in

echilibru cu y; indicii 1 si 2 se refera la cele doua capete

ale extractorului.

Extractia fractionata


76/86


se utilizeaza 2 solventi total (partial)nemiscibili;

fiecare solvent favorizeaza solubilizareapreferentiala a unui component din

amestecul de separat; solventii se contacteaza uzual in

contracurent;

selectivitatea separarii este cu atat maimare, cu cat cei 2 solventi sunt mainemiscibili (au polaritati foarte diferite);



77/86


Solventul mai polar, S1 = solvent extractiv(principal);

Solutia solventului S1 = extract;

Solventul mai putin polar (nepolar), S2 = solvent

de spalare (secundar); Solutia solventului S2 = rafinat;



78/86


Schemadeprincipiu:



79/86

Variante ale extractiei fractionate:a fara reflux;

b cu reflux de extract de aceeasicompozitie;c cu reflux de rafinat de aceeasi

compozitie;d cu reflux de extract de comp.

diferita.



80/86


Se utilizeaza si ca metoda de purificare inlaborator, sub forma de distributie incontracurent (distributia Craig): amestecul de separat se introduce o singura

data, in prima unitate, cand se contacteaza cucei 2 solventi A si B; dupa separarea fazelor:

extractul se contacteaza cu B proaspat

rafinatul se contacteaza cu A proaspat se separa fazele si se repeta operatia cu

fiecare din cele 2 rafinate si 2 extracterezultate



81/86

Principiul distributiei Craig



82/86

Initial exista 256 g M care se repartizeaza in modegal (kN = 1) in A si B:



83/86

Reprezentandgraficcontinutul deM in fiecarerecipient dupa

9 transvazari:



84/86

a. substantacontine impuritati

b. - amestecbicomponent

c. - coeficient kN 1

a c

b

a



85/86

Distributia Craig permite:

identificarea unor subst. pure, prin compartiecu curbe standard; constatarea imurificarii unor substante; recunoasterea existentei mai multor

componenti; separarea componentilor unui amestec.

Se utilizeaza:

cand alte metode de separare nu pot fifolosite; cand sensibilitatea altor metode este

nesatisfacatoare.



86/86


Aplicatii inbiotehnologii lasepararea: aminoacizilor;

hormonilor; antibioticelor;

enzimelor;

medicamentelor;

proteinelor; vitaminelor;

Alte aplicatii lasepararea: alcaloizilor;

gudroanelor;

parfumurilor; acizilor grasi;

extractelor animale;

pamanturilor rare;

extactia+lichid-lichid.ppt

Documents