Kémia | Felsőoktatás » Dr. Siménfalvi Zoltán - Extrakció, destrakció

EXTRAKCIÓ, DESTRAKCIÓ (írta: Dr. Siménfalvi Zoltán) 1. Bevezetés 2. Folyadék-folyadék extrakció 2.1 Ábrázolás 2.2 H mérséklet hatása 2.3 Nyomás hatása 2.4 Oldószer kiválasztásának szempontjai 2.5 Egyfokozatú extrakció 2.6 Többfokozatú egyenáramú extrakció 2.7 Többfokozatú ellenáramú extrakció 2.8 Extrakciós berendezések 3. Szilárd-folyadék extrakció 3.1 Berendezések 4. Szuperkritikus extrakció (Destrakció) 4.1 Oldószer kiválasztása 4.2 A destrakció m velete, készülékei 1. BEVEZETÉS Irodalom Treybal, Liquid Extraction Treybal, Diffúziós vegyipari m veletek Fonyó-Fábry, Vegyipari m velettani alapismeretek Pavlov-Romankov-Noszkov, Vegyipari m veletek és készülékek számítása Extrakció: kivonatolás; szétválasztó anyagátviteli m velet Az eredeti kiinduló anyag (elegy, keverék) valamelyik összetev jét (komponensét) szelektív módon kioldjuk (kilúgozzuk) oldószer segítségével. Extrakciós m veletek csoportosítása:

Kiinduló anyag Oldószer Elnevezés Folyadék folyadék szolvens extr. Szilárd folyadék diffúziós extr. Szilárd / folyadék nagynyomású gáz szuperkritikus extr. 2. FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ 2.1 Ábrázolás háromszög diagramban, állandó nyomáson és h mérsékleten A – anyaoldat C – céltermék B – szolvens, mosó-, oldó-, kivonatoló folyadék F – kiinduló elegy összetétele A-C, B-C – korlátlan oldódás A-B – korlátolt oldódás E, R – extraktum, raffinátum E´, R´ – oldószermentes extraktum, raffinátum M – mixtúra pont R-E – konóda; a-P-b – binóda Konódák kimérhet k, vagy megfelel folyadékegyensúlyi modellekkel számíthatók. Az egyszeri hozzáöntéssel kialakuló M mixtúra és a fázisszétválás (ülepedés) útján keletkez raffinátum és extraktum egyúttal a m velet következ lépcs jét határozza meg: Keverés Ülepítés Céltermék kinyerés desztillációval Értékes oldószer kinyerés

raffinátum-fázisból Miért kell ilyen bonyolult módon szétválasztani a komponenseket, miért nem lehet egyszer en lepárlással szétválasztani a komponenseket? Ha a desztilláció nem jöhet szóba, mert a kiinduló komponensek azeotrop elegyet képeznek, az illékonysági különbségük kicsi, h hatására bomlanak (h érzékenyek). Ha a lepárlási költségek nagyobbak mint az extrahálásé, amelynek okozója a komponensek forráspontjának közelsége vagy a céltermék kis koncentrációja. 2.2 H mérséklet hatása A h mérséklet csökkenésével korlátolt elegyedés állhat el az addig korlátlanul oldódó komponensek között. A h mérséklet változásával együtt a binódák és a konódák is jelent sen elcsúsznak, módosulnak. Az ábrán látható, hogy a korlátolt elegyedés növekv h mérsékletnél csökken, míg P3 pont felett AB korlátlanul oldódik. 2.3 Nyomás hatása − nagyon nagy nyomásokat kivéve, a nyomás hatása a folyadékok

fázisegyensúlyára elhanyagolhatóan kicsi. − azonban ha a nyomás az oldatok g znyomásánál kisebb értékre csökken, megjelenik a g zfázis is, a folyadékfázis egyensúlya megbomlik. Konódák szerkesztése. Interpolációs konódaszerkesztés. Példa: Határozzuk meg a víz-aceton-klórbenzol rendszer 45% acetont tartalmazó vizes fázis víz és klórbenzol tartalmát és a vele egyensúlyban lev klórbenzolos fázis összetételét. Határozzuk meg azt az acetonmennyiséget, ami ahhoz szükséges, hogy 0,11 kg klórbenzol és 0,09 kg víz elegye ne váljon szét. Az egyensúlyi fázisok összetétele tömeg %-ban adott. Vizes fázis Víz Aceton Klórb. Klórbenzolos fázis Víz Aceton Klórb. 99,89 89,79 79,69 69,42 58,64 46,28 27,41 25,66 0 10 20 30 40 50 60 60,6 0,11 0,21 0,31 0,58 1,36 3,72 12,59 13,76 0,18 0,49 0,79 1,72 3,05 7,14 22,85 25,66 0 10,79 22,23 37,48 49,44 59,19 61,07 60,58 99,82 88,72 76,98 60,80 47,51 33,57 15,08 13,76 0.09 100 = 45 0.09 +

011 tömeg% víz és 55 tömeg% klórbenzol 2.4 Oldószer kiválasztásának szempontjai • Megoszlási hányados. b= y= x= C A+B+C extr y >1 x , ahol az E extraktum C értékesanyag tartalma, és C A+B+C raff az R raffinátumban maradó C anyagtartalom. A megoszlási hányados jó közelítéssel a teljes kétfázisú mez ben állandó, vagy közel állandó. Kívánatos, hogy értéke 1-nél nagyobb legyen. mert akkor az oldószerszükséglet csökken • Szelektivitás, vagy szétválasztási tényez . Egyenl két megoszlási hányados arányával: α= b y ⋅ xA = bA x ⋅ yA . Nagysága a szétválasztás mértékét, „nehézségét” mutatja. Értéke minél nagyobb, annál könnyebb a szétválasztás. Desztilláció Extrakció relatív illékonyság szelektivitás egyensúlyi állandó megoszlási hányados Ha α=1 a szétválasztás nem lehetséges. • Az oldószer A-ban oldhatatlan legyen. Minél nagyobb legyen a heterogén kétfázisú tartomány. •

Regenerálhatóság. A lepárlás során az oldószer ne képezzen azeotrópot az extrahált oldott anyaggal, és a relatív illékonyság lehet leg nagy legyen, mert ezzel a szétválasztás olcsóbbodik. A h szükséglet csökkentése szempontjából el nyös, ha a regenerálandó oldatban kisebb mennyiségben jelenlév anyag az illékonyabb. • S r ség. A két telített folyadékfázis s r sége minél nagyobb mértékben eltér legyen. • Felületi feszültség. A nagy felületi feszültség megkönnyíti az emulziók szétválását, viszont megnehezíti az egyik fázisnak a másikba való diszpergálását. Rendszerint a szétválás fontosabb szempont, így lehet leg nagy legyen. • Kémiai reakcióképesség. Az oldószer kémiailag stabil legyen, a többi komponenssel ne reagáljon, a szerkezeti anyagokat ne támadja meg. • Viszkozitás, g znyomás, fagyáspont. Ezek értéke kicsi legyen a könnyebb kezelhet ség és tárolás szempontjából. • Egyéb Ne legyen

mérgez , ne legyen gyúlékony és lehet leg olcsó legyen. 2.5 Egyfokozatú extrakció Anyagmérleg: Részanyagmérleg: F+B= M = R +E F ⋅x F + B ⋅ 0 = M ⋅ x M = R ⋅ x + E ⋅ y B= Az adott M pont el állításának oldószerszükséglete: Az elegyedési szabály: F(x F − x M ) xM R ME x E − x M = = E RM x M − x R E=M xM − x y−x Extraktum mennyisége: Ha E és R oldatból eltávolítjuk az oldószert, az AC egyenesen elhelyezked E’ és R’ oldatot F = R + E nyerjük, tehát: E = F x F − x R x − x E R Így az oldószermentes extraktum mennyisége: E extraktum értékesanyag tartalma akkor lesz a legnagyobb, ha az extrakciót a minimális oldószermennyiséggel végezzük (M a raffinátumgörbén van). Maximális oldószermennyiség: raffinátumban A maximális. 2.6 Többfokozatú egyenáramú extrakció Egymás után kapcsolt berendezésekben a raffinátumot ismételten friss oldószerrel extraháljuk. Egyetlen raffinátumot nyerünk (R4). A négy

extraktum az ábrán bemutatott módon együtt vihet feldolgozásra, így nyerjük E’ extraktumot. Az n-edik fokozatra az anyagmérleg a következ : R n −1 + B n = M n = R n + E n Az egyfokozatú extrakcióhoz hasonlóan kapjuk az n-edik fokozatra jellemz oldószer és extraktum mennyiségeket: Bn = R n −1 (x n −1 − x Mn ) M (x − x n ) M n (x Mn − x n ) E n = n Mn E n = x Mn yn − x n yn − x n ; ; 2.7 Többfokozatú ellenáramú extrakció Az extraktum- és raffinátum-folyadék ellenáramban halad fokozatról fokozatra, és két végterméket eredményez, az Rn raffinátumot és az E1 extraktumot. A m veletnek adott szétválasztáshoz adott fokozatszám esetén kisebb az oldószerszükséglete, ill. adott oldószermennyiség esetén kevesebb fokozat szükséges. A teljes anyagmérleg: F + B = E1 + R n = M Ezt az egyenletet az ábrán két szaggatott vonal jelképezi. A részanyagmérleg: F ⋅ x F = R n ⋅ x n + E 1 ⋅ y1 = M ⋅ x M A diagramon M pont

összegpont, látszólagos mixtúra pont. A berendezésnek van azonban egy látszólagos különbségpontja is. A berendezés két végén kilép folyadékáramok különbsége állandó Ez minden egyes fokozaton is igaz. Tehát egymással szemben haladó áramok különbsége az egész berendezésben állandó: F − E1 = R 1 − E 2 = Κ = R n − B = állandó = Θ A különbségpont Θ, a szerkesztési póluspont. Ez olyan küls pont, amelyen minden munkavonal átmegy. A póluspont nem vehet fel tetszés szerint, úgy kell kijelölni, hogy a folyamatban résztvev konóda t le jobbra metssze a BΘ egyenest (ha balra metszené, akkor képtelenek lennénk véges számú fokozattal extrahálni). 2.8 Extrakciós berendezések 1. 2. 3. extrakciós oszlopok centrifugális extraktorok Graesser extraktor 4. kever -ülepít alegységekb l felépített készülékek Az extrakciós oszlopok f bb típusai: • küls mechanikai energia hozzávezetése nélküli egyszer oszlopok •

forgóelemes oszlopok • alternáló mozgású elemekkel ellátott lengetett vagy köpül oszlopok • pulzációs vagy folyadéklüktetéses oszlopok Egyszer permetez s extraktor Könny , ill. nehéz folyadék a diszpergált fázis a – terel lemezes oszlop, b – Scheibel-oszlop, c – Mixco-oszlop, d – Kühni-oszlop, e – EC-oszlop, f – RZE-oszlop Szitatányérok extrakcióhoz RDC-oszlop Bels terel csöves (BTC) oszlop Pulzált és lengetett extraktorok a – pulzált töltött oszlop, b – pulzált szitatányéros oszlop c – lengetett lemezes oszlop Podbielniak extrkciós centrifuga Graesser-extraktor a – keresztmetszet, b – szerkezeti vázlat Kever -ülepít Lurgi-torony 3. SZILÁRD-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Más néven kilúgozás, általában természetes szerves anyagok kinyeréséhez. Ilyen pl a cukor kilúgozása a cukorrépából forró vízzel. A napraforgómagból extrahálással nyerik ki a növényolajat, oldószer pl. a benzin Ezt a m veletet

magunk is végezzük a háztartásban (tea-, ill kávéf zés, oldószer a forró víz). Extrahálás el tt el készít m veleteket kell végrehajtani, hogy az oldószer minél jobban behatoljon a szilárd anyag részecskéi közé ( rlés, aprítás, szeletelés). Nagyobb h mérsékleten az oldékonyság nagyobb, diffúziós tényez nagyobb, így az oldás könnyebben megy végbe. A kivont és kilúgozott anyag az oldószerbe vándorol, és vele folyadékelegyet, vagy folyadékkeveréket (emulzió, szuszpenzió) alkot. A m velet után az értékes anyagot oldószermentesíteni kell, és/vagy az oldószert is vissza kell nyerni. Ezt bepárlással, kristályosítással, centrifugálással (cukor), lepárlással (növényi olaj), stb valósíthatjuk meg. 3.1 Berendezések Szakaszos üzem : egytestes, többtestes Folyamatos üzem Szilárd-folyadék szakaszos extrakciós berendezés U – extraktor 4. SZUPERKRITIKUS EXTRAKCIÓ (DESTRAKCIÓ) HPE – High Pressure Extraction SCGE –

Supercritical Gas Extraction A szilárd vagy folyékony halmazállapotú anyagokból szuperkritikus oldószerrel vonják ki az oldható komponenseket. Az oldott anyagot nyomáscsökkentéssel, vagy valamilyen más m velettel (abszorpció, adszorpció) választják el az oldószert l. Ma már több területen elterjedt, pl. kávé és tea koffeinmentesítése, dohány nikotinmentesítése, kozmetikum alapanyagok el állítása, stb. Legfontosabb oldóanyag a szén-dioxid. A CO2 nyomás-h mérséklet állapotdiagramban az egyes halmazállapotoknak (szilárd, folyadék, gáz) megfelel területeket az olvadási, forrási és szublimációs görbe választja el. A kritikus nyomás és h mérséklet feletti tartományban (fluid állapot) nem történik els rend fázisállapot-változás, tehát nincs ugrásszer változás a fizikai tulajdonságokban. Az oldékonyság nagymértékben függ a fluidállapotú oldószer s r ségét l, és a s r ségnek ez a folyamatos változása ad lehet séget

szelektív extrakció megvalósítására. Szén-dioxid fázisdiagramja 4.1 Oldószer kiválasztása A hagyományos szempontok itt is érvényesek. A szén-dioxidot a következ jó tulajdonságai miatt alkalmazzák: nem káros az egészségre (élelmiszerek, gyógyszerek) nagy s r ség , így nagy mennyiség oldatot tud oldani nagy mennyiségben áll rendelkezésre kicsiny a kritikus h mérséklete (31,3 ºC), ezért szobah mérsékleten lehet vele dolgozni, nem károsodik a kezelt anyag, nem kell h szigetelés nem lép reakcióba a kezelt anyaggal nem szennyezi a környezetet (túlzottan) 4.2 A destrakció m velete, készülékei El készítés: szilárd anyag szemcseméretének kialakítása ( rlés, aprítás, porok granulálása). Nem extrahálható anyagot enzimmel vagy kémiai úton fel kell szabdítani. Berendezés: D cseppfolyós CO2 tartályból az oldószer 300 bar-on és 90 ºC-on (fluid állapotban) érkezik a C extrakciós tartályba. Nyomáscsökkentés után

S-tartályban az anyag kiválik, az oldószert l elválasztható. Az oldószert mindaddig keringetik, míg a szilárd anyagban a kinyerend komponens koncentrációja a kívánt értékre nem csökken. Ekkor a készüléket nyomásmentesítik és ürítik. Destrakciós berendezés