Bu bölüm, sıvı bir solvent vasıtasıyla, bir katı veya sıvıdan bir bileşenin ayrılmasını kapsamaktadır. Bu teknikler iki sınıf altında toplanır:
1. Leaching (veya katı ekstraksiyonu); bir
katı ile birarada bulunan ve çözünebilen bir maddeyi, karışımdan ayırmada
kullanılır.
2. Sıvı ekstraksiyonu: karışım halde bulunan
iki sıvıdan birini, çözünebildiği bir solventle ayırma işlemidir.
Her iki proses de bazı temel genellemelere
sahipse de, kullanılan cihazlardaki ve teorideki farklıklar nedeniyle ayrı ayrı
ele alınmalıdır.
Leaching prosesi, süzülen katı maddeleri
yıkamaktan biraz farklıdır; leaching ekipmanı, proseslerde çeşitli filtrelerin
yıkanması bölümüne benzer.Ancak Leaching prosesinde, uzaklaştırılan çözünür
maddenin miktarı, genellikle herhangi bir filtre yıkama işlemindekinden daha
fazladır ve karışımdaki katıların özellikleri işlem süreci boyunca önemli
derecede değişebilir. Çözünür maddesi uzaklaştırıldığında, kaba, sert veya
granüler katı maddeler, küspe haline dönüşebilir.
Leaching Cihazı
Leaching işlemi süresince, katı maddeler açık, geçirgen bir kütle halindeyse solvent, çalkalanmayan katı yatak boyunca süzülür, sızdırılır. Leachingde parçalanan veya dağılan, geçirgen olmayan katılar veya malzemelerle çalışıldığında, malzeme önce solvent içinde dağıtılır ve daha sonra solventten ayrılır. Her iki metot da yığın (batch) veya sürekli proselerlerle yapılabilir.
Sabit
Katı Yataklardan Süzdürülerek Leaching: Sabit katı-yatak leaching, katıları
tutabilen ve sıvının geçmesine izin veren delikli tabanlı bir tankta yapılır.
Katılar tank içine yüklenir, içerdiği solute en az seviyeye düşünceye kadar
solventle püskürtülür, ve sonra katı malzeme kazıyarak çıkarılır. Bazı hallerde
çözeltinin hızı çok yüksektir ve malzeme boyunca bir geçişi yeterlidir; fakat
tankların bir bataryası boyunca olan solventin karşıakım akışı daha baskındır.
Bu metotta ekstrakt edilen katının bulunduğu tanka taze solvent beslenir;
solvent, seride bulunan birkaç tanktan akar ve yeni basleme yapılacak tanktan
çekilir. Bu tank serilerine ‘ekstraksiyon bataryası’ denir. Herhangi bir
tanktaki katılar, tamamen ekstrakt oluncaya kadar sabittir. Her tanka, taze
solventin girebileceği ve kuvvetlenmiş solventin çekilebileceği boru
bağlanmıştır; böylece, bir tankın aynı anda şarj ve deşarjı sağlanmış olur. Bu
süreçte, bataryadaki diğer tanklar karşıakım operasyonundadır. Bu prosese bazen
’Shanks prosesi’ denir.
Bazı katı-yatak-leachingde kullanılan solvent uçucudur; bu durumda, basınç altında çalıştırılan kapalı kaplar gerekir. Geçirgenliği zayıf katı yataklardan solventi baskılayabilmek için ayrıca basınç da gerekir. Karşı akımlı solvent akışıyla çalışan bu tür basınç tankları serisine ‘difüzyon bataryası’ denir.
Hareketli-Yatak
Leaching: Şekil-1’de görülen cihazlarda katılar, çalkalanmadan veya çok az
çalkalanarak solventte taşınır. Bollman ekstraktörde (Şekil-1a), kapalı bir
kasada bir kova elevatör (taşıyıcı) bulunur. Her kovanın tabanında delikler
vardır. Makinenin üst sağ köşesinde kovalara, örneğin soya (bean) gibi, katılar
(flaklar) yüklenir ve bunlara aşağı doğru inerken uygun miktarda yarım-miseller
püskürtülür. Yarım-misel, bir miktar ekstrakt edilen yağ ve bir miktar da küçük
katı partiküller içeren ‘ara-solvent’ tir. Katılar ve solvent eşzamanlı olarak
makinenin sağ tarafından aşağı doğru akarken, solvent soyadan (tanelerden) daha
çok yağ ekstrakt eder ve katılar solventten süzülerek ayrılır. Temiz ‘tam
misel’, kasanın tabanında sağ-çukurdan pompalanır. Kısmen ekstrakt edilmiş
taneler makinenin sol tarafından yükselirken aralarından karşıakımlı olarak saf
solvent süzülür, sol-çukurda toplanır ve yarım-misel depo yankına pompalanır.
Tamamıyla ekstrakt edilmiş taneler elevatörün tepesinde kovalardan bir hopere
(huni) boşaltılır ve konveyörlere yüklenerek alınır. Tipik bir ünütenin
kapasitesi 50-500 ton bean/24 saattir.
Hildebrandt ekstraktörü (Şekil-1b), her bölümde ayrı bir heliks (helezon) olan U-şeklinde vidalı bir konveyördür. Heliksler farklı hızlarda döner, böylece yatay bölmede katıların teması önemli derecede artırılır. Katılar U’nun bir bacağına beslenir, taze solvent ise diğer taraftan verilerek karşıakım akış sağlanır.
Dağıtılmış
(Dipers)-Katı Leaching: Önceden veya leachingden sonra geçirgen olmayan
yataklar formundaki katılar, bir karıştırıcıda veya tankta mekanik olarak
çalkalanarak solvent içinde dağıtılır. Leaching işlemlemesinden sonra kalıntı,
kuvvetli çözeltiden çöktürülerek veya süzülerek ayrılır.
Az miktardaki malzemelere, genellikle kesikli
prosesler (yığın veya batchwise) uygulanabilir; bu yöntemde malzeme bir
çalkalayıcıda işlemlenir ve çökelti tabandan çekilir. Sürekli karşıakım
leaching proseste ise, seri olarak bağlanmış birkaç gravite artırıcı
(yoğunlaştırıcı) vardır (Şekil-2). Yoğunlaştırıcıdaki temas yetersiz olduğunda,
ekipman sisteminde her çift arasına çalkalayıcı bir tank konur. Katılar çok
ince ise gravite yoğunluğuyla çökelemeyebilir; böyle durumlarda ayırma işlemi,
katı-çanak helikal-konveyör santrifüjlerde yapılır. Özel amaçlarla
geliştirilmiş çok çeşitli leaching sistemi vardır; örneğin, yağlı tohumların
solventle ekstraksiyonu gibi. Bunlarda, çözünen malzeme veya solut,
kristalizasyon veya buharlaştırma gibi yöntemlerle elde edilir.
Sürekli Karşıakım Leaching Prensipleri
En önemli leaching metodu, çeşitli
kademelerin (aşamaların) kullanıldığı sürekli karşıakım (veya tersakım)
leaching yöntemidir. Hatta katının fiziksel olarak bir kademeden diğer kademeye
hareket edemediği bir ekstraksiyon bataryasında da, herhangi bir hücredeki yük
sıvıyla peşpeşe işlemlenerek konsantrasyonu düşürülebilir. (karşıakımlı bir
sistemdeki kademeden kademeye hareket metodunda olduğu gibi.)
Burada, çok önemli olduğundan sürekli karşıakım metodu incelenmiştir. Normal olarak kademe metodu kullanıldığından diferansiyel temas yöntemi üzerinde durulmamıştır. Diğer kademe kaskad operasyonlarıyla da leaching yapılabilir; önemli noktalardan birincisi ideal kademelerin olması, ikincisi de kademelerdeki verimlerdir.
Karşıakım
Leachingde İdeal Kademeler: Şekil-2, sürekli bir karşıakım kaskad için
madde-dengesi diyagramını göstermektedir. Kademeler katının akışı yönünde
numaralanmıştır. V sıvı fazı katı akışına ters yönden kademeden kademeye taşarak
akarken (overflow); N kademesinden 1 kademesine hareket eden solutu çözer. L
fazı 1 kademesinden N kademesine akan katıdır. Katılar N kademesini terkederken
konsantre çözelti 1. kademeden akar.
Solut içermeyen katının solventte çözünmediği
kabul ediliyor, dolayısıyla hızı kaskad boyunca sabittir. Katı malzeme porözdür
ve beraberinde bir miktar (aynı veya farklı olabilir) çözelti taşır. Kalan bu
sıvı akımı L ile, taşan çözeltinin akımı N ile gösterilsin. V ve L birim
zamanda kütle olarak ifade edilebilir, veya kuru solut-içermeyen katının
belirli bir akımına dayandırılabilir. Aynı zamanda, standart terminolojiye
uygun olarak, terminal konsantrasyonlar aşağıdaki gibi tanımlanır.
xb = çıkan katıdaki çözelti
yb = sisteme giren taze solvent
ya = sistemi terkeden konsantre çözelti
Absorpsiyon ve distilasyonda olduğu gibi, bir
karşıakım (veya tersakım) sisteminin kantitatif performansı, bir denge hattı ve
bir çalışma hattı kullanılarak analiz edilebilir; metot bu hatların düz veya
eğri olmasına dayanır.
Denge: Leachingde, giren katıdaki tüm solutu çözen yeterli solvent bulunur ve katı tarafından solut adsorpsiyonu yoktur; solut tamamen çözündüğünde ve çözeltinin konsantrasyonu tekdüze hale geldiğinde dengeye ulaşılır. Böyle bir koşula katının yapısına bağlı olarak basitçe veya zor yollardan ulaşılabilir. Bu faktörler için kademe veriminin incelenmesi gerekir. Burada öncelikle, denge gereksinimlerinin karşılandığı kabul ediliyor. Herhangi bir kademeyi terkeden katı tarafından bırakılan sıvının konsantrasyonu, aynı kademeden taşan sıvınınkiyle aynıdır. Denge ilişkisi basittir:
Toplam çözelti: Vn+1 + La = Va
+ Ln (1)
Solut: Vn+1yn+1 +
Laxa = Lnxn + Vaya (2)
yn+1’in çözümü çalışma-hattı
eşitliğini verir.
Çalışma hattı, (xaya) ve (xbyb) noktalarından geçer; akış hızları sabit olduğunda eğim (L/V) dir.
Sabit
ve Değişken Underflow (Boşalma): Bu konuda İki durum söz konusudur. Çözeltinin viskozitesi ve yoğunluğu solut
konsantrasyonuyla önemli derecede değişiyorsa katılar, düşük sayılı
kademelerden yüksek sayılı kademelere kıyasla daha fazla sıvı tutar; bu durumda,
Denklem (3)’de görüldüğü gibi, çalışma hattının eğimi birimden birime değişir.
Eğer katı tarafında tutulan çözeltinin kütlesi konsantrasyona bağlı değilse Ln
sabittir ve çalışma hattı düz doğrudur; bu koşula ‘sabit çözelti boşalması
(underflow) denir. Underflow sabitse, taşma (overflow) vardır.
Sabit
Boşalma İçin İdeal Kademe Sayısı: Çalışma hattı düz doğru olduğunda, ideal
kademelerin sayısını tayin etmek için bir McCabe-Thiele yorumu kullanılabilir,
fakat leachingde denge hattı daima düz olduğundan sabit underflow için doğrudan,
ln [(yb – yb*) /
(ya – ya*)]
N = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ (3.1)
ln [(yb – ya) / (yb*
– ya*)]
ÖRNEK-1:
Sürekli bir karşıakımlı ekstraksiyon sisteminde günde 2 ton wakslı (mumlu)
kağıdın waksı gazyağı ile ekstrakt edilerek giderilecektir; sistemde bir dizi
ideal kademe vardır. Wakslı kağıt ağırlıkça %25 parafin waks ve %75 kağıt
hamuru içeriyor. Ekstrakt edilen hamur, gazyağını buharlaştırmak için bir kurutucuya
konuyor. Buharlaştırmadan sonra hamurda kalan ekstrakt edilemeyen waks,
wakssız-hamurun her 100 lb’si için 0.2 lb’den fazla olmamalıdır. Ekstraksiyonda
kullanılan gazyağı, 100 lb wakssız-gazyağı için 0.2 lb’den fazla waks içermemelidir.
Deneyler, hücreden hücreye transfer edilirken hamurun, gazyağı- ve
waks-içermeyen hamurun her poundu için 2.0 lb gazyağı tuttuğunu göstermiştir.
Bataryadan ekstraktın, her 100 lb wax-içermeyen gazyağı için 5 lb waks içermesi
için kaç kademeye ihtiyaç vardır?
Çözüm:
Birimler tutarlı, overflow ve underflow sabit olmak üzere (3.1) eşitlikte
istenilen birimler kullanılabilir; bu nedenle konsantrasyon için mol
fraksiyonlar, kütle fraksiyonlar, veya ‘solut kütlesi/ solvent kütlesi’ seçime
bağlıdır. Sabit underflow için de şeçim yapılmalıdır; bu problemde gazyağının
hamura oranı olduğundan sabittir, akış hızları lb gazyağı olmalıdır.
Dolayısıyla tüm konsantrasyonlar ‘lb waks-içermeyen gazyağı / lb waks’tır.
Ekstrakt edilmeyen kağıtta gazyağı yoktur, bu nedenle ilk hücre ayrı olarak
işlemlenmelidir. Yukarıda verilen denklem, kalan diğer hücrelerin (kademelerin)
sayısını hesaplamada kullanılabilir. Bu kaskad için akış miktarları ve
konsantrasyonlar Şekil-3’de gösterilmiştir.
Taze solventli gazyağı tüm waks dengesi
vasıtasıyla bulunur. 100 lb waks- ve gazyağı-içermeyen hamur baz olarak
alınsın, ve taze solvent beslenen lb gazyağı s ile gösterilsin. lb olarak waks
dengesi:
Çıkan hamurdaki gazyağı 200 lb ve kuvvetli
çözeltide 871-200 = 671 lb’dir. Bu çözeltideki waks 671 x 0.05 = 33.55 lb.
İkinci üniteye underflowdaki konsantrasyon, birinci kademeden overflowunkine
eşittir, veya 0.05 lb waks / lb gazyağı’dır. İkinci birime underflowdaki waks
200 x 0.05 = 10 lb. İkinci hücreden birinciye overflowdaki waks, waks
dengesiyle,
10 + 33.55 – 33.33 =
10.22 lb
Bu akışın konsantrasyonu:
10.22/871 = 0.0117
(3.1) eşitliğinde kullanılacak değerler:
xa = ya*
= 0.05 ya
= 0.0117
xb = yb*
= 0.2 / 200 = 0.001 yb =
0.0005
Kademe 1 dikkate alındığında, (3.1) eşitliği:
ln [(0.0005 – 0.001) / (0.0117 –
0.05)]
N – 1 = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
ln [(0.0005 – 0.0117) / (0.001 –
0.050)]
ln [(0.05 – 0.0117) / (0.001 –
0.0005)]
N – 1 = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
ln [(0.050 – 0.001) / (0.0117 –
0.0005)]
İdeal kademelerin
toplam sayısı: N = 1 + 3 = 4
Değişken
Underflow İçin İdeal Kademe Sayısı: Underflow ve overflow kadmeden kademeye
değişiyorsa hesaplamalarda McCabe-Thiele metodunun bir modifikasyonu
kullanılabilir. Örnek-1’de olduğu gibi, madde dengesi kullanılarak çalışma
hattı üzerinde terminal noktalar tayin edilir. Underflow L’nin miktarının
bilindiği (kompozisyonunun fonksiyonu olarak) kabul edilerek, xn’nin
ara değeri sabit (Ln) olduğunda, Denklem (1)’den Vn+1
hesaplanır. Sonra Denklem(2)’den overflowun bileşimi yn+1 değeri
hesaplanır, ve eğri şeklindeki çalışma hattına terminal bileşim boyunca xn,
yn+1 noktası işaretlenir. Çalışma hattı denge hattına çok yakın veya
L ve N’de büyük bir değişiklik olmadıkça, sadece bir ara noktanın hesaplanması
yeterlidir.
ÖRNEK-2:
Karşıakımlı sürekli bir ekstraktörde benzenle ekstrakt edilerek kepekli
unun yağı çekilecektir. Ünitede İşlenecek un miktarı (tam olarak çıkan katı
bazında), saatte 1000 kg’dır. İşemlenmemiş unda 400 kg yağ ve 25 kg benzen
vardır. taze solvent karışımı 10 kg yağ ve 655 kg benzen, çekilen katılar 60 kg
ekstrakt edilmemiş yağ içermektedir. Deneyler, tablo-1’de gösterildiği gibi,
planlanmış bataryadaki (kalan çözelti çözeltinin konsantrasyonuna bağlıdır)
koşullar altında yapılıyor.
(a)
kuvvetli çözeltinin veya ekstraktın konsantrasyonunu, ya
(b)
ekstrakt edilen katılara bağlanmış veya yapışmış olarak kalan çözeltinin
konsantrasyonunu, xb
(c)
ekstrakt edilen unla ayrılan çözeltinin kütlesini, Lb
(d)
ekstraktın kütlesini, Va
(e)
gerekli kademe sayısını, N
Tablo-1: Örnek-2 için Veriler
Konsantrasyon, kg yağ/kg çözelti |
Tutulan çözelti, kg/kg katı |
Konsantrasyon, kg yağ/kg çözelti |
Tutulan çözelti, kg/kg katı |
0.0 |
0.500 |
0.4 |
0.550 |
0.1 |
0.505 |
0.5 |
0.571 |
0.2 |
0.515 |
0.6 |
0.595 |
0.3 |
0.530 |
0.7 |
0.620 |
Çözüm: Underflow ve overflow çözeltilerdeki yağın kütle fraksiyonları x ve y ile gösterilsin.
Solvent girişinde:
Etkisiz katılardaki çözeltinin miktar ve
konsantrasyonu, denemelerle saptanır.
Tutulan çözelti 0.507 kg/kg ise,
Lb’de underflowdaki benzen 507 –
60 = 447 kg/saat
Katı girişinde:
Ekstraktta yağ = giren yağ – 60 = 10 + 400 –
60 = 350 kg/saat
Ekstraktta benzen = 655 + 25 – 447 = 233
lb/saat
Elde edilen verilere göre, cevaplar:
(a) ya = 0.60, (b) xb = 0.118, (c) Lb = 507 kg/saat, (d) Va = 583 kg/saattir. (e) Çalışma hattı üzerinde bir aranokta tayin etmek için,
Toplam dengeyle (Denklem-1)
Vn+1 = 583 +
571 – 425 = 729 kg/saat
Yağ dengesi:
(xn, yn+1) artı (xa,
ya) ve (xb, yb) noktaları, Şekil-4’de
görüldüğü gibi, hafifçe eğri çalışma hattını tanımlar. Bu durumda dört kademe
gereklidir.
N = 4
Doygun Konsantre Çözelti: Solutun çözünürlüğünün sınırlı olması ve konsantre çözeltinin doygunluğa ulaşması hainde leachingde özel bir durumla karşılaşılır. Bu durum yukarıdaki metotlarla çözülebilir. Solventin N kademesine girişi maksimum olmalıdır; bu, 1. kademeden doygun bir overflowa ve 1. kademeden doymamış olan underflowa yapışmış olanlar hariç tüm sıvılara uyar. Eğer çok az solvent kullanılmışsa ve doygunluğa birinciden başka kademelerde ulaşılıyorsa, doymuş kademelerden biri hariç hepsi gereksizdir; N kademesinden underflowdaki solut konsantrasyonu, ihtiyaç olandan daha yüksektir.
Kademe
Verimleri: Bazı leaching operasyonlarında katı tamamen geçirimsizdir ve
solventin hareketine karşı duyarsızdır, yüzeyinde kuvvetli bir çözelti filmi
taşır. Böyle bir durumda proseste, ekstrakttaki kütlede (bulk) ve yapışkan
filmdeki konsantrasyonların eşitlenmesi sağlanır. Böyle bir proses hızlıdır,
uygun herhangi bir temas zamanıyla dengeye ulaşılır.
Distilasyonla ayırma etkisiz veya çok zor
olduğunda, düşünülecek başlıca alternatiflerden biri sıvı ekstraksiyon
metodudur. Distilasyonla, hatta vakum altında bile ayrılamayan kaynama
noktaları yakın karışımlar safsızlıklardan, çoğu zaman ekstraksiyonla ayrılır.
Ekstraksiyon yönteminde buhar basıncı yerine kimyasal farklılıklar kullanılır.
Örneğin, fermentasyon suyundan penisilin, karışımın bütil asetat gibi bir
solventle ekstrakt edilip pH’ın düşürülmesiyle elde edilebilir. Sonra solvent
tamponlanmış bir fosfat çözeltisiyle işlemlenir, solventten sulu penisilin
ekstraksiyonla çekilir, kurutularak saf halde penisilin elde edilir.
Ekstraksiyonun önemli uygulama alanlarından
biri, kimyasal yapıları farklı, fakat hemen hemen aynı kaynama aralıklarına
sahip olan petrol ürünülerinin ayrılmasıdır. yağlama yağı fraksiyonları
(kaynama noktaları >300 0C), düşük sıcaklıklarda kaynayan polar
solventlerle (fenol, furfural, metil pirolidon gibi) işlemlenerek içerdikleri
aromatikler ekstrakt edilir, geriye çoğunluğu parafinler ve naftenlerden oluşan
yağ kalır. Aromatiklerin viskozite-sıcaklık özellikleri zayıftır, ancak
kaynama-noktası aralıklarının üstüste binmesi nedeniyle distilasyonla
ayrılamazlar. Benzer bir prosesle aromatikler, yüksek sıcaklıkta kaynayan polar
bir solventle katalitik reformattan ekstraksiyonla çekilir ve sora
distillenerek saf benzen, toluen ve ksilenler elde edilir (bunlar kimyasal
aramaddeler olarak kullanılır). Bu amaçla kullanılan en iyi polar solvent,
uçuculuğu çok düşük (k.n.= 290 0C) ve aromatikler için seçici
özelliğe sahip halkalı bir bileşik olan sülfolandır (C4H8SO2).
Distilasyon veya ekstraksiyonun
uygulanabileceği durumlarda, hem ısıtma ve hem de soğutma gerektirmesine rağmen
distilasyon tercih edilir. Ekstraksiyonda solvent tekrar kullanılmak için temiz
olarak çekilmelidir (genellikle distilasyonla); bu işlem normal distilasyondan
daha komplike ve çoğu zaman daha pahalıdır. Yine de ekstraksiyon, çalışma
sıcaklığının seçimi, solventin tipi ve miktarının seçimi gibi çalışma
koşullarının değiştirilebilmesi yönünden daha esneklik sağlar. Pek çok
problemde ekstraksiyon ve distilasyonun tercihi, kıyaslamalı çalışmaya dayanır.
Ekstraksiyon Cihazı
Sıvı-sıvı
ekstraksiyonda, gaz absorpsiyonu ve distilasyonda olduğu gibi, iki faz arasında
iyi bir temas sağlanmalıdır; bu durum, malzemenin transferi ve sonra
ayrılabilmesi için çok önemlidir. Absorpsiyon ve distilasyonda karışma ve
ayrılma kolay ve hızlıdır. Ekstraksiyonda ise iki fazın yoğunlukları
kıyaslanabilir seviyelerdedir, dolayısıyla karıştırma ve ayırmada
(gravitasyonal akış kullanıldığında) gereken enerji küçüktür. İki fazın
karıştıriması ve ayrılması zor proseslerdir. Her iki fazın viskozitesi de
relatif olarak yüksektir ve çoğu ekstraksiyon cihazında doğrusal hız düşüktür.
Bazı tip ekstraktörlerde karıştırma ve ayırma için gerekli enerji mekanik
yöntemlerle sağlanır.
Ekstraksiyon
cihazı yığın (batchwise) veya sürekli çalışabilecek şekilde dizayn edilebilir.
Çalkalanan bir kapta besleme sıvı, solventle karıştırılır, sonra tabakalar
çöktürülür ve ayrılır. Ekstrakt: solvent artı ekstrakt edilen solute tabakası,
rafinat: solutun üzaklaştırıldığı tabakadır. Ekstrakt rafinattan daha hafif
veya daha ağır olabilir; dolayısıyla bazı hallerde cihazın üstünden veya
bazen de altından geldiği görülebilir. Birden fazla temas istendiğinde işlem
tekrarlanabilir, fakat miktarlar büyükse ve birkaç temas gerekiyorsa, böyle
durumlarda daha ekonomik olan sürekli akış (kontinü) operasyonu uygulanmalıdır.
Ekstraksiyon cihazlarının çoğu kontinüdür;
peşpeşe kademe temaslı veya diferensiyal temaslı olabilir. Örnek olarak
karıştırıcı-çöktürücüler, gravitasyonal akışla çalışan çeşitli dikey kuleler,
çalkalamalı kule ekstraktörler, santrifüjlü ekstraktörler sayılabilir.
Çeşitli tiplerde ekstraksiyon cihazlarının karakteristik özellikleri Tablo-2’de verilmiştir. Sıvı-sıvı ekstraksiyon poröz membranlarla da yapılabilmektedir.
Karıştırıcı-Çöktürücüler:
Yığın (kesikli-batch) ekstraksiyon için karıştırıcı ve çöktürücü aynı ünite
olabilir. Bir türbin veya pervane propeller çalkalayıcının bulunduğu bir tank
en yaygın olanıdır. Karıştırma çevriminin sonunda karıştırıcı durur, graviteyle
tabakalar ayrılmaya bırakılır, ve ekstrakt ve rafinat, alttaki boşaltma
hattından (görme camı vardır) ayrı kaplara çekilir. Bir ekstraksiyon için
gerekli karıştırma ve çökelme zamanları sadece denemelerle tayin edilebilir Bu
süreler, tipik olarak karıştırma için 5 dakika, çöktürme için 10 dakikadır; daha
kısa ve daha uzun zamanlar da olabilir.
Tablo-2:
Ticari Ekstraksiyon Cihazları Performansı
Tip |
Birleştirilen akımların sıvı kapasitesi, ft3/ft2-saat |
HTU, ft |
Tepsi veya kademe verimi, % |
Tepsiler veya kademeler arasındaki mesafe, inç |
Tipik
|
Karıştırıcı-çöktürücü |
|
|
75-100 |
|
Duo-sol lube-oil proses |
Sprey kolon |
50-250 |
10-20 |
|
|
Kostik sodadan tuzun amonyak ekstraksiyonu |
Dolgulu kolon |
20-50 |
5-20 |
|
|
Fenol geri kazanma |
Delikli–levhalı kolon |
10-200 |
1-20 |
6-24 |
30-70 |
Furfural lube-oil proses |
Bafıl kolon |
60-105 |
4-6 |
5-10 |
4-6 |
Asetik asit geri kazanma |
Çalkalamalı kule |
50-100 |
1-2 |
80-100 |
12-24 |
Farmasetikler ve organik kimyasallar |
Sürekli akışlı ekstraksiyonda karıştırıcı ve
çöktürücü genellikle cihazın ayrı ayrı üniteleridir. Karıştırıcı küçük bir tank
olabilir; giriş ve çıkış hatları, kısa-devre önleyiciler (bafıllar) içerir.
Çöktürücü çoğu kez basit bir sürekli gravite dekantördür. Kolayca emülsifiye
olabilen ve yaklaşık aynı yoğunluktaki sıvılarla çalışıldığında, karıştırıcı
deşarjı bir elekten veya cam yünü bir keçeden geçirilerek, gravite çöktürücüye
gitmeden önce, dispers fazdaki damlaların birleşmeleri sağlanır. Tüp veya
disk-tip santrifüjlerin kullanıldığı değişik ayırma prosesleri de vardır.
Karşıakımlı akışla çalışan bir karıştırıcı-çöktürücü dizisi için birkaç temas kademesi gerekir (Şekil-5). Her çöktürücüden gelen rafinat, bir sonraki karıştırıcıya besleme olarak girer; burada ara ekstrakt veya taze solventle buluşur.
Püskürtmeli
(Spray) ve Dolgulu (Packed) Ekstraksiyon Kuleleri: Bu tip kule
ekstraktörler kademe temasları değil diferansiyel temaslar sağlar, karıştırma
ve çökelme eşzamanlı ve süreklidir. Şekl-6’da görülen sprey kulede hafif sıvı
alttan girer ve A nozuluyla (delikli ağızlık) küçük damlalara dağıtılır;
bunlar, sürekli olarak yukarıdan aşağıya akan ağır sıvı kütlesi boyunca
yükselir ve tepede toplanarak ‘hafif sıvı akımı’ formunda kuleyi terk eder.
Ağır sıvı kulenin tabanından çıkar. Şekil-6’da hafif faz dispers halde
(dağıtılmış), ağır faz süreklidir. Bunun tersi bir durum da yaratılabilir;
kulenin tepesinde ağır akım hafif faz içinde püskürtülerek, sürekli bir hafif
faz akımı boyunca dispers halde aşağı iner. Dispers fazın seçimi, akış
hızlarına, viskozitelere ve her iki fazın ıslatma özelliklerine bağlıdır; seçim
genellikle denemelere dayanır.
Daha büyük yüzey alanı oluşturmak için akış
hızı daha yüksek olan faz dispers edilebilir; fakat viskozitelerde önemli
derede farklılık varsa, yüksek bir çökelme hızı sağlayabilmek için viskozitesi
yüksek olan faz dispers edilir. Bazı araştırmacılara göre dolgulu kulelerde
sürekli faz dolguları ıslatır; ancak iyi performans için böyle bir gereksinime
ihtiyaç yoktur. Hangi faz dispers edilirse edilsin kolon boyunca damlaların
hareketi, dispers fazdaki sıvıyı, diğer fazla temastaki ‘taze temas’ içine
taşır.
Kule boyunca akarken fazlar arasında sürekli
madde transferi vardır ve her bir fazın kompozisyonu değişir. Herhangi bir
seviyede, şüphesiz dengeye ulaşılmamıştır; gerçekte madde transferi için
yürütücü kuvvet dengeden ayrılmakla sağlanır. Kütle transfer hızı, distilasyon
veya absorpsiyonla kıyaslandığında nisbeten düşüktür ve uzun bir kolon, sadece
birkaç mükemmel kademeye (tepsiye) eşdeğerdir.
Gerçek sprey kulelerde damlalar ve sürekli
faz arasında temasın en etkin görüldüğü yer damlaların oluştuğu bölgedir.
Nedeni yeni oluşan damlalarda kütle transfer hızının daha yüksek olması veya
sürekli fazın geri-karışması olabilir. Herhangi bir durumda kolon yüksekliğini
artırma aşamaların sayısında orantılı bir artış sağlamaz; kolon boyunca sık
aralıklarla damlaların yeniden-dispersiyonu daha etkilidir. Bu durum kulenin
halka veya eyer (saddle) gibi dolgu malzemeleriyle doldurulmasıyla sağlanır.
Dolgular damlaları birleştirir ve yeniden-şekillendirir, belirli bir
uzunluktaki kolondaki kademe sayısını artırır (Tablo-2). Dolgulu kuleler,
basitlik yönünden sprey kulelere benzer. En büyük dezavantajı katıların dolgu
malzemeleri içinde toplanması ve kanallaşmanın oluşmasıdır.
Dolgulu
Kulelerde Islanma (veya Göllenme ‘Flooding’) Hızları: Fazlardan birinin (ya
dispers faz veya sürekli faz) akış hızı sabit tutulur diğerininki kademeli
olarak yükseltilirse, dispers fazın birleştiği, yükselen fazı yakaladığı ve her
iki fazın da sürekli faz çıkışından ortamı terk ettiği bir noktaya ulaşılır. Bu
etkiye ‘flooding’ denir. Floodingde bir fazın akış hızı daha büyük, diğerininki
daha küçüktür. Bir kolonun flooding noktasının altındaki akış hızlarında
çalıştırılması gereklidir.
Dolgulu
kolonlarda flooding hızlar Şekil-7’den tahmini olarak bulunabilir. Şekilde:
Şekil-7’deki gruplar boyutsuz değildir; hesaplamalarda uygun birimler kullanılmalıdır.
Delikli-Tepsili
(Perforated-Plate) Kuleler: Sıvı damlaların yeniden-dispersiyonu çaprazlama
yerleştirilen delikli-tepsilerde yapılır. Bir ekstraksiyon kulesinde deliklerin
çapı 1.5-4.5 mm, tepsilerin aralıkları 150-260 mm’dir (6-24 inç). Genellikle
hafif sıvı dispers fazdır; düşey borular ağır sürekli fazı bir tepsiden
diğerine taşır. Şekil-8a’da görüldüğü gibi, hafif sıvı her tepsinin altında
ince bir tabaka halinde toplanır ve üstteki ağır sıvı tabakası içine girer.
Değiştirilmiş bir tasarım Şekil-8b’de
verilmiştir. Delikler, bir tepsiden diğerine soldan sağa değişerek, tepsinin
sadece bir tarafındadır. Hemen hemen tüm ekstraksiyon deliklerin üzerindeki
karıştırma bölgesinde gerçekleşir; hafif sıvı (yağ) yükselir, bir sonraki
(üstteki) tepsinin altındaki bölgede toplanır ve sonraki deliklere akar.
Sürekli faz ağır sıvı (solvent) karıştırma bölgesinden çöktürme bölgesine yatay
olarak geçer; içindeki hafif sıvı damlaları ayrılır ve üstteki tepsiye
yükselir. Bu dizayn, solventle aşağı taşınan yağ miktarını azaltır ve
ekstraktörün etkinliğini artırır.
Bafıl
Kuleler (Baffle Towers): Bu tip ekstraksiyon kulelerinde yatay bafıl
tepsiler bulunur. Ağır sıvı her bafılın üstünden akar ve bir alttakine dökülür;
hafif sıvı her bafılın altından akar ve kenardan ağır faza girer. En çok
kullanılanlar disk-ve-doughnut bafıllar ve side-to-side bafıllardır. Her iki
tipte de bafıllar arasındaki nesafe 100-150 mm’dir (4-6 inç).
Bafıl kulelerde küçük delikler bulunmaz.
Süspansiyon halde katılar içeren kirli çözeltilerden fazla etkilenmez.
Disk-ve-doughnut bafılların değişik bir türünde biriken katıların bafıldan
uzaklaştırılması için kazıtıcılar bulunur. Sıvı akışı düzgün olduğundan,
yönünde ve hızında keskin değişiklikler olmadığından, bafıl kuleler kolaylıkla
emülsüye olabilen sıvılar için uygun ekipmanlardır. Aynı nedenle, etkin
karıştırıcılar değildir ve her bafıl, sadece 0.05-0.1 ideal kademeye
eşdeğerdir.
Çalkalamalı
Kule Ekstraktörler: Karıştırıcı-çöktürücüler, iki sıvı fazı karıştırmak
için mekanik enerji sağlar, fakat şimdiye kadar açıklanan kule ekstraktörlerde
bu yoktur. Kule ekstraktörlerde karıştırma ve ayırma graviteye dayanır; ancak
mekanik enerji, merkezi bir döner şaft üzerine yerleştirilmiş dahili türbinler
veya diğer çalkalayıcılarla sağlanır. Döner–disk kontaktörde (Şekil-9a) düz
diskler sıvıyı dağıtır ve kule duvarı yönünde dışarı dışarı yönlendirir veya
iter; burası, iki fazın ayrılabileceği, stator halkaların yarattığı sakin
bölgelerdir.
Diğer dizaynlarda pervaneler (impeller),
sakinleştirici bölümlerle ayrılmıştır; böylece biri diğerinin üzerinde etkin
bir karıştırıcı-çöktürücü yığını (istif) meydana getirilmiştir. York-Scheibel
ekstraktörde (Şekil-9b) karıştırıcıları çevreleyen bölgeler, fazların birleşme
ve ayrılmalarını destekleyen tel eleklerle doldurulmuştur. Ekstraksiyonun en
büyük kısmı karıştırma bölgelerinde gerçekleşirken birazı da sakinleştirici
(dinlendirici) kısımlarda olur. Böylece her bir karıştırıcı-çöktürücü ünitenin
verimi %100’ün üstüne çıkar.
Tipik olarak her bir karıştırıcı-çöktürücünün
yüksekliği 300-600 mm’dir (1-2 ft); bunun anlamı, oldukça kısa bir kolonda
birkaç teorik temas olabileceğidir. Problem, dahili hareketli parçaların
bakımıdır; ayrıca özellikle korozif sıvılar önemli bir dezavantajdır.
Puls (Darbeli) Kolonlar: Çalkalama, puls kolonlarda olduğu gibi dıştan da yapılabilir. Pistonlu bir pompa, kolonun tüm içeriğini sık aralıklarla pulslar; böylece sıvı fazların normal akışı üzerine küçük genlikte bir piston genliği eklenir. Kulede sıradan dolgular veya özel elek tepsiler olabilir. Dolgulu bir kulede pulslamayla sıvılar dağılır, kanallar bozulur ve fazlar arasındaki temas büyük ölçüde korunur. Elek-tepsi puls kulede boşluklar (delikler), pulssuz kulelerdekinden daha daha küçüktür; delik çapları 1.5-3 mm, her tepside toplam açık alan kulenin kesit alanının %6-23’ü kadardır. Bu tip kuleler genellikle, yüksek koroziviteli radyoaktif sıvıların işlenmesinde kullanılır. İdeal durum, yukarı doğru pulslamayla hafif sıvının ağır faz içinde dağıtılması ve aşağı pulslamada ağır fazın hafif faza girmesidir. Bu koşullarda kademe verimi %70’e ulaşabilir. Böyle bir durum mümkündür, ancak sadece iki fazın hacimlerinin hemen hemen aynı olması ve ekstraksiyon sırasında hacim değişikliği olmaması halinde gerçekleşebilir. Daha olağan durumda, dispersiyonlar az etkindir, bir fazın bir yönde geri akışı vardır; tepsi verimi %30 dolayların kadar düşer. Buna rağmen hem dolgulu ve hem de elek-tepsili puls kolonlarda verilen bir teorik temas sayısı için istenilen yükseklik, pulssuz bir kolonda gerekenin üçte birinden daha küçüktür.
Santrifüjlü Ekstraktörler: Fazların dispersiyonu ve ayrılması santrifüj kuvvetle önemli derede hızlandırılabilir; bu nedenle bazı ticari ekstraktörlerde bu amaçlı cihazlar kullanılır. Podbielniak ekstraktörde, ağır metal kasada delikli bir spiral şerit, sıvıların girip çıktığı içi boş bir yatay şaft üzerine sarılır. Hafif sıvı, santrifüj kuvveti yenebilecek 3-12 atm. basınçla spiralin dışına pompalanırken, merkeze ağır sıvı beslenir. Sıvılar, şeritler ve kasa duvarları tarafından oluşturulan pasajdan karşı-akımlı akar. Ağır sıvı spiralin dış yüzeyi boyunca dışarı doğru, hafif sıvı iç yüzeyde içe doğru hareket eder. Sıvı-sıvı arayüzde yüksek shear dolayısıyla hızla kütle transferi olur. Ayrıca, bir miktar sıvı şeritteki deliklere girer ve türbülensi artırır. Tek bir cihazda 20 kadar teorik temas sağlanabilir; genellikle bu rakam 3-10 arasındadır. Santrifüjlü ekstraktörler pahalıdır ve kullanım alanları sınırlıdır.
Yardımcı
Cihazlar: Bir ekstraksiyon kulesindeki dispers fazın, sürekli bir tabaka
halinde birleşmesine izin verildiği noktada, bir ürün akımı çekilir. Bu tabaka
ve baskın sürekli faz arasındaki arayüz, dolgulu kolonun üstünde veya altında
açık bir bölgeye ayarlanır. Arayüz, elek-tepsili bir kolonda hafif fazın
dispers olduğu durumda kule tepesine yakın bir bölgededir. Eğer ağır faz
dispers oluyorsa arayüz, kule tabanına yakın bir yerde tutulur. Ağır faz için
arayüz seviyesi, dışarı açık bir çıkışla (vent) kontrol edilir (sürekli
gravitasyonal dekanterde olduğu nibi). Büyük kolonlarda arayüz seviyesi,
ağır-sıvı çıkış hattında bulunan bir valfle (seviye kontrol edici) istenilen
noktaya ayarlanır.
Sıvı-sıvı ekstraksiyonda solvent, ekstrakttan
veya rafinattan veya her ikisinden de ayrılmalıdır. Bu nedenle pek çok
ekstraksiyon sisteminde distilleyiciler, buharlaştırıcılar, ısıtıcılar ve
kondenserler gibi yardımcı ekipmanlar bulunur; sistemin toplam maliyeti,
ekstraksiyon cihazından çok daha fazladır.
Ekstraksiyonun Prensipleri
Sürekli ekstraksiyon metotlarının çoğu, iki faz arasında karşı-akım temasnıı kullanır; fazlardan biri hafif sıvı, diğeri ağır sıvıdır. Karşıakım gaz absorpsiyonu ve rektifikasyonun (damıtma, zenginleştirme) temelleri sıvı ekstraksiyon çalışmalarına dayanır. İdeal kademeler, kademe verimi, iki akım arasındaki minimum oran ve cihaz boyutu, ekstrasyonda da, distilasyonda olduğu kadar önemlidir.
Denge
ve Faz Kompozisyonları: Sıvı ekstraksiyonda denge ilişkileri, diğer ayırma
proseslerinden genellikle daha karmaşıktır; nedeni, üç veya daha fazla eleman
bulunması ve her elemanın bir kısmının her fazda bulunabilmesidir. denge
verileri bir üçgen diyagramda gösterilebilir. Şekil-10’daki aseton-su-metil
izobütil keton (MIK) sistemi tip-I sisteme bir örnektir; solventin (MIK) ve
seyrelticinin (su) kısmi çözünürlüğünü, solventin toplam çözünürlüğüyle
ekstrakt edilen (aseton) komponenti gösterir. Anilin-n heptan-metilsikloheksan
(MCH) formu, bir tip II sistemidir (Şekil-11); solvent (anilin), diğer iki
komponentle sadece kısmen çözünürdür.
Bir ekstraksiyon prosesinin bazı özellikleri
Şekil-10 kullanılarak belirlenebilir. Bir aseton ve su karışımına solvent ilave
edildiğinde oluşan karışımın bileşimi, saf solvent için olan nokta ve orijinal
ikili karışımın noktası arasındaki düz bir doğru üzerine düşer. Yeteri kadar
solvent ilave edildiğinde tüm bileşim kubbe-şeklindeki eğrinin altına iner ve
karışım iki faza ayrılır. Faz bileşimlerini tanımlayan noktalar düz bir hat
(tie-hattı) olarak birleştirilebilir; tie hattı, karışımın tüm bileşimini kapsar.
Basit olması için sadece birkaç tie hattı çizilmiştir. ACE hattı MIK
tabakasının (ekstrakt) ve BCD hattı su tabakasının (rafinat) bileşimlerini
gösterir. Karışımın içerdiği toplam aseton miktarı arttığında iki fazın
bileşimleri birbirine yaklaşır ve E ‘plait (kıvrım) noktası’nda eşit olur.
Şekil-10’daki tie hatları sola doğru
eğimlidir ve asetondaki ekstrakt fazı rafinat fazından daha zengindir; yani,
asetonun çoğu, sadece orta miktarda solvent kullanılarak su fazından ekstrak
edilebilmektedir. Tie hatları yatay veya sağa doğru eğimliyse ekstraksiyon hala
olabilir, fakat son ekstrakt asetondaki kadar zengin olmayacağından daha fazla
solvent kullanılması gerekir;
İstenilen ürünün (aseton) seyrelticiye (su)
oranı yüksek olmalıdır. Suyun MIK solventte çözünürlüğü sadece %2’dir; fakat
aseton konsantrasyonu artarken ekstrakt fazdaki su miktarı da artar.
Şekil-12’de, Şekil-10’da elde edilen verilerden aseton miktarıyla (yA)
su miktarındaki (yH2O) artış grafiğe alınmıştır. yA/ yH2O
oranı, ekstrakt fazdaki aseton miktarı %27 olduğunda bir maksimuma yükselir.
Daha yüksek bir aseton konsantrasyonu elde edilebilir, fakat ekstrakt üründeki
daha fazla su miktarı operasyonu olumsuz yönde etkiler.
Tek-kademeli bir ekstraksiyondan elde edilen faz bileşimleri üçgen diyagram kullanılarak kolaylıkla bulunabilir. Örneğin, %40 aseton ve %60 su içeren bir bir karışım, eşit kütlede MIK solventle temas ettirilirse tüm karışım Şekil-10’daki M noktasıyla tanımlanır; 0.232 aseton, 0.043 su ve 0.725 MIK içeren ekstrakt fazını gösteren yeni bir tie hattı çizilir. Rafinat fazı 0.132 aseton, 0.845 su ve 0.023 MIK olacaktır. Rafinat fazın taze solventle temasının tekrarlanmasıyla-ki buna çapraz akım ekstraksiyon denir-asetonun çoğunun geri kazanılması mümkündür; fakat fazla miktarda solvente gereksinim olduğundan verimi, karşıakım kaskad yönteminden daha düşüktür.
McCabe-Thiele
Metodunun Kullanılması: Karşıakımlı bir kaskadda belirlenen sayıda ideal
kademeler için ayırma, bir üçgen diyagramla ve çeşitli grafiksel tekniklerle
elde edilebilir; fakat bu amaçla modifiye bir McCabe-Thiele metodunun
kullanılması kolaydır ve çoğu durumda tatmin edici doğrulukta sonuç verir.
Metot, ekstrakt ve rafinat fazlardaki solut konsantrasyonuna odaklıdır;
diyagram ekstrakttaki seyrelticinin veya rafinattaki solventin konsantrasyonunu
göstermez. Ancak, her iki fazdaki bu minör komponenetler, ekstrakt ve rafinatın
toplam akışının hesaplanmasında hesaplanır; bu, çalışma hattının konumunu
etkiler.
McCabe-Thiele metodunun ekstraksiyon
prosesine uygulanmasında, denge verileri dik açılı bir grafik üzerinde
gösterilir. V fazdaki veya solut kütle fraksiyonu ordinatta, rafinat fazdaki
solut kütle fraksiyonu apsiste toplanır. Tip I sistem için, eşit bileşimli
denge hattı ‘plait (kıvrım) nokta’sında sonlanır. Üçlü bir sistemin tanımlanmasında
sadece bir konsantrasyonun kullanılması garip gelebilir; fakat belirli bir kademeyi
terk eden fazlar dengedeyse, her iki fazın da bileşimini saptamak için sadece
bir konsantrasyona ihtiyaç vardır.
Ekstraksiyon diyagramı için çalışma hattı,
aşağıda tekrar verilen Denklem(3)’e dayanır.
Eşitlik, L fazında n kademesini terk eden ve
V fazında n + 1 kademesinden gelen solut konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi
verir. Çalışma hattındaki terminal noktalar, (xa, ya) ve
(xb, yb), üçlü denge verileri dikkate alınarak,
genellikle toplam madde dengesiyle tayin edilir. Kolonu geçerlerken rafinat
fazında (L) azalma, ekstrakt fazında (V) artma nedeniyle çalışma hattı eğri
şeklindedir. Çalışma hattı üzerinde bir veya daha fazla ara nokta için madde
dengesi ile sağlama yapılır; adımlar çizilerek ideal kademelerin sayısı tayin
edilir.
İdeal kademelerin sayısı belirtildiğinde, ekstrakt edilen solut fraksiyonu ve son kompozisyonlar deneme-yanılma yoluyla tayin edilir. Ekstrakt edilen fraksiyon veya son ekstrakt kompozisyonu varsayılır ve eğri çalışma hattı çizilir. Çok sayıda kademe istendiğinde, ekstrakt edilen küçük bir fraksiyon varsayılır ve hesaplamalar tekrarlanır. Ekstraksiyon hesaplamaları için bilgisayar programları vardır.
ÖRNEK-3:
Bir karşıakım ekstraksiyon sisteminde aseton-su karışımından, 25 0C’de
metil izobütütil ketonla (MIK) aseton ekstrakt edilmektedir. Beslenen karışımda
%40 aseton, %60 su bulunmaktadır. Ekstraksiyon sıvısı olarak, beslemeyle kütlece
eşit miktarda saf solvent kullanılmıştır.
·
Beslemedeki asetonun %99’unun ekstrakt
edilebilmesi için kaç tane ideal kademe gerekir?
·
Solvent ayrıldıktan sonra ekstraktın
kompozisyonu ne olur?
Çözüm:
Şekil-10’daki veriler kullanılarak Şekil-13’te görülen yA-xA
denge ilişkisi eğrisi (üstteki) çizilir.
Operasyon hattı için uç noktalar, su miktarı
için ekstrakt fazında, MIK için rafinat fazında madde dengeleriyle tayin
edilir. Baz: F = 100 (saatte kütle birimi).
n = ekstrakttai H2O
kütle akış hızı
m = rafinatta MIK kütle
akış hızı
A’nın %99 geri kazanımı için:
ekstraktta: 0.99 x 40 =
39.6 A rafinatta: 0.4 A
Toplam akışlar:
tepede: La
= F = 100 = 40 A + 60 H2O
Va = 39.6 A
+ n H2O + (100 – m) MIK = 139.6 + n – m
tabanda: Vb = 100 MIK
Lb = 0.4 A +
(60 – n) H2O + m MIK = 60.4 + m – n
n ve m küçük olduğundan, Va
ve La’nın toplamımda ihmal edilebilir; toplam ekstrakt akımı Va
140 kadardır; bu durumda yA,a » 39.6/140 = 0.283, xA,b
»
0.4/60 = 0.0067. Bu tahminler, n ve değerlerinin hesaplanmasından sonra
düzeltilir.
Şekil-10’dan, yA = 0.283, yH2O
= 0.049 için,
m çok küçükse imal edilir, n » 7.2
xA
= 0.007, xMIK = 0.02 için,
0.02
0.02
Bu değere göre hesaplama yeniden yapılır:
Va = 139.6 + 7.1 – 1.1 = 145.6 yA,a
= 39.6/145.6 = 0.272
Lb = 60.4 + 1.1 – 7.1 = 54.4
xA,b = 0.4/54.4 = 0.0074
Operasyon hattının uçları (0.0074, 0) ve (0.40, 0.272) noktalarıdır.
Çalışma hattı üzerinde bir ara nokta için yA
= 012 alındığında V ve L değerlerinin hesaplanması. Şekil-10’dan,
yH2O = 0.03 yMIK = 0.85
Rafinat fazda sadece %2-3 MIK bulunduğundan,
MIK’in tamamının (%100) ekstraktta olduğu kabul edilebilir (solventte olduğu
gibi):
100 »
VyMIK V »
100/0.85 = 117.6
Solvent girişinden (taban) ara noktaya denge:
Vb + L = Lb
+ V L » 54.4 + 117.6 –
100 = 72.0
Aynı bölgede A’daki denge:
LxA + Vbyb
= Lb xb + VyA
LxA »
0.4 + 117.6 (0.12) – 0 xA
» 14.5/72 = 0.201
Bu değer yeterince
doğru olabilir, ancak V, L, xA için düzeltilmiş değerler bulunabilir.
xA = 0.201 için, xMIK » 0.03 (Şekil-10)
Solvent girişinden ara
noktaya MIK dengesiyle:
Vb + LxMIK = Lb xMIK,b + VyMIK VyMIK = 100 + 72 (0.03) – 1.1
düzeltilmiş V = 101.1 / 0.85 = 118.9
düzeltilmiş L = 54.4 + 118.9 – 100 = 73.3
düzeltilmiş xA = (0.4 + 118.9 x 0.12) / 73.3 = 0.200
xA = 0.20, yA = 0.12
hafif eğimli çalışma hattındadır. Şekil-13’den N = 3.4 kademe.
Tip II
Sistemlerin Karşıakım Eksraksiyonu, Reflukslı (Geri akışlı): Distilasyonda
olduğu gibi, beslemedeki komponentlerin ayrılmasını etkinleştirmek için
karşıakımlı ekstraksiyonda refluks kullanılabilir. Bu metot, tip II sistemlerin
işlenmesinde özellikle etkindir; çünkü merkez-besleme kaskadla ve refluks
kullanılarak iki komponent hemen hemen saf ürünler olarak ayrılabilir.
Bir reflukslı karşıakım ekstraksiyon
diyagramı Şekil-14’de görülmektedir. Bu metot ve fraksiyonlama arasındaki
benzerliği anlamak için kaskadın tepsili bir kolon olduğu kabul ediliyor.
Metotta, kaskadı terk eden ekstrakttan yeteri kadar solvent ayrılması istenir.
Rafinat forma geçen akımın bir kısmı refluks halinde kaskada geri dönerken
kalanı ürün olarak çekilir. Dipten dip ürün rafinat çekilir, taze solvent
alınır. Dipten alınan rafınat ürünün (herhangi bir bölümünün) refluksa döndürülmesine
gerek yoktur. Buradaki durum sürekli distilasyondakine benzemez; sürekli distilasyonda
diplerin bir kısmının, kolona ısı sağlamak amacıyla buharlaştırılması gerekir.
Solvent ayırıcı, normal bir damıtıcı veya
distilleyicidir (Şekil-14). Solvent içermeyen ürünler elde edilebilmesi için,
her iki üründen solvent, stripping işlemiyle veya suyla yıkanarak (bazı
durumlarda) uzaklaştırılır.
Distilasyon ve ekstraksiyon arasındaki yakın benzerlik, her ikisinde de refluks kullanıldığında, Tablo-3’te gösterilmiştir.
Tablo-3: Ekstraksiyonun
Distilasyonla Kıyaslanması
(her ikisinde de refluks kullanılmıştır)
Distilasyon |
Ekstraksiyon |
Kaskadda buhar akımı V |
Kaskadda ekstrakt akımı V |
Kaskadda sıvı akımı L |
Kaskadda rafinat akımı L |
Tepe ürünü D |
Ekstrakt ürün D |
Dip ürün B |
Rafinat ürün B |
Kondenser |
Solvent separatör |
Dip-ürün soğutucu |
Rafinat solvent stripper |
Tepe-ürün suğutucu |
Ekstrakt solvent stripper |
Reboilere ısı qr |
Kaskada solvent sB |
Kondenserde ısı uzaklaştırma qc |
Separatörde solvent uzaklaştırma sD |
Refluks oranı RD = La/D |
Refluks oranı RD = La/D |
Rektifiye bölümü |
Ekstrakt-zenginleştirme bölümü |
Stripping bölümü |
Rafinat- stripping bölümü |
GERİ (proje çalışmaları)
