Proses Tekniği HAFTA 13-14 DİSTİLASYON- EKSTRAKSİYON

Proses Tekniği HAFTA 13-14 DİSTİLASYON- EKSTRAKSİYON

Distilasyon Homojen bir sıvı karışımının ısıtılıp, buhar fazındaki bileşimleri uçuculuk farklılıklarına göre bileşenlerin saf olarak elde edilmesi işlemidir. Endüstriyel oranda saflık sağlanır, %100 saflık elde edilemez. Evaporasyon ve distilasyon aynı proseste yer alabilir. Örnek olarak sabun prosesinde, gliserin üretilirken ilk adım buharlaştırmadır. %80 konsantrasyon oranına kadar buharlaştırıldıktan sonra distilasyon işlemi başlar.

Sıvı-Buhar Dengesi Gibbs faz kuralı F=C-P+2 P:sistemdeki faz sayısı C:bileşenlerin sayısı F:serbestlik derecesi Örneğin CO 2,hava ve su sistemi için; F=3-2+2=3, yani bu sistemi tanımlayabilmek için basınç, sıcaklık, mol fraksiyonu gibi en az üç değişkenin bilinmesi gerekir. Sistemi oluşturan bileşenlerin sayısı arttıkça serbestlik derecesi artmakta daha fazla sayıda değişkenin bilinmesine ihtiyaç olmaktadır.

Roult kanunu İdeal Roult Kanunu Sıvı-buhar dengesi p A =P A.x A p A :A bileşeninin kısmi basıncı P A :Saf A bileşeninin atm basıncındaki buhar basıncı x A :mol kesri

Denge Diyagramları P=p A +p B p A.x A +p B (1-x A )=P y A =p B /P=p A. x A /P

Örnek 1 95 C de, 101,34 kpa koşullarında Benzen-Toluen karışımının buhar ve sıvı bileşenlerini belirleyiniz. Çözüm: 95 C deki Benzen-Toluen için Tablodan: p A =155,7 kpa ve p A =63,3 kpa 155,7.x A +63,3(1-x A )=101,32 kpa x A =0,411 00 x B =1-x A =0,589 y A =p A. x A /P=155,7.0,411/101,32=0,632

Relatif Uçuculuk Bir sıvı faz ile dengede bulunan buhar için relatif uçuculuk:

Distilasyon yöntemleri 1.Rektifikasyon metodu 2.Rektifikasyon içermeyen distilasyon metodu Denge distilasyonu Basit veya Diferansiyel distilasyon metodu

Denge (Flash) distilasyonu F.x F =V.y+L.x F.x F =V.y+(F-V).x

Diferansiyel (Basit) distilasyon x.l=(x-dx).(l-dl)+y.dl Toplam distile olan madde bileşimi: L 1.x 1 =L 2.x 2 +(L 1 -L 2 ).y ort

Rektifikasyon Bir rektifikasyon cihazı: buharlaştırıcı, rektifikasyon kolonu ve yoğuşturucudan meydana gelmektedir. Sıvı fazın bir kısmı riflaks olarak geri gönderilir. Sıvı faz kolon içerisinde aşağıya doğru inerken buhar fazı yukarı doğru hareket eder. Amaç karışımı düşük derecede kaynayan bileşimce zengin hale getirmektir.

Denge Diyagramları

Distilasyon kolonları

Hesaplamalar

Hesaplamalar Yoğuşturucudaki ısı ve kütle dengeleri: V 1 =L o +D V 1.y 1 =L o.x o +D.x D ve V 1.H 1 =q c +L o.h o +D.h D Yoğuşturucudaki gelen buharın tamamının yoğunlaştığını kabul edersek; y 1 =x o =x D q c =V 1.H 1 (L o +D) h D = (L o +D)(H 1 -h D ) q c /D=(L o /D+1)(H 1 -h D ) elde edilen bu denklemdeki L o /D terimi dış riflaks oranı olarak adlandırılır.

Örnek 2 1 atm basınç altında 30000 kg/h kapasite ile çalışan ve 0,4 benzen içeren bir benzen-toluen karışımını 0.97 benzen içeren bir baş ürünle, 0,98 toluen içeren bir taban ürününe ayıran devamlı bir fraksiyon kolonu imal edilecektir. Bazen ve toluen konsantrasyonları ağırlık fraksiyonlarıdır. Baş ürünün her kg ı için 3,5 kg riflaks kullanılmaktadır. Distilasyona tabii tutulacak karışım kaynama sıcaklığında bulunmakta ve riflaks kolonuna 30 C de girmektedir. Baş ve taban ürünlerinin debilerini belirleyiniz. Buharlaştırıcıda sisteme verilen ve yoğuşturucuda sistemden çekilen ısı enerjisini belirleyiniz.

Örnek 2 D = F(x F x W ) x D x W = 30000(0,4 0,02) (0,97 0,02) = 12000 kg/h W=F-D=18000 kg/h Şekil yardımıyla h F =40,9 kcal/kg h o =h D =16 kcal/kg H 1 =129 kcal/kg Buharlaştırıcıyı terk eden doymuş sıvının entalpisi; h w =48,15 kcal/kg q c /D=(L o /D+1)(H 1 -h D ) q c /12000=(3,5+1)(129-16) q c =6102000 kcal/h Yoğuşturucudan çekilen ısı miktarı; q r =12000.16+18000.48,15+6102000- (30000.40,9) q r =5933700 kcal/h

Örnek 3 Bir önceki örnekte açıklanan ayırma işlemi için; a)gerekli teorik raf sayısını ve gerçek besleme rafının yerini, b) Soğutma suyu kondensöre 26,7 C de girip, 49 C de çıkması halinde gerekli soğutma suyu debisini, c) Isıtıcıda 2,38 atm basınca sahip doymuş buhar kullanıldığında gerekli su buharı miktarını, d) Riflaks kolona 37,8 C de girecek yerde kaynama sıcaklığında girmesi durumunda soğutma suyu ve su buharı sarfiyatları ile teorik raf sayılarında ne gibi değişmeler olacağını hesaplayınız.

Örnek 3 x D =0,97, h D =16 kcal/kg x W =0,02, h W =48,15 kcal/kg x F =0,4, h F =40,9 kcal/kg noktaları grafik üzerine yereştirilir. (x D, h D +q c ) noktası belirlenir. (h D +q c )=524,5 kcal/kg q c =524,5-16= 508,5 kcal/kg (x W, h W -q rw ) noktası belirlenir. (h W -q rw )=-282,5 kcal/kg (x D, h D +q c ) ve (x W, h W -q rw ) noktalarından itibaren diyagram üzerindeki kesikli çizgileri kesecek biçimde doğrular çizilerek teorik raf sayısı belirlenir. 11 olarak raf sayısı belirlenir. Istıcı bir raf olarak sayıldığından bu işlem için 10 raf gereklidir.

Örnek 3 b) Yoğuşturucudaki ısı miktarı q c =6102000 kcal/h Enerji dengesinden; q c =m su c p,su (T ç -T g ) 6102000kcal/h=m su 1 kcal/kgk (49-26,7) m su =76 l/s c) Buharın gizli ısısı (1+2,38=3,38 atm) için doymuş su buharı tablosundan bakıldığında 513,75 kcal/kg olarak okunur. Kondensörü doymuş sıvı fazında terk ettiği varsayılırsa, su buharı sarfiyatı; q r =5933700 kcal/h= m sb. 513,75 kcal/kg m sb =11549 kg/h olarak bulunur.

Örnek 3 d) Riflaks kaynama sıcaklığında kolona girecek olursa; h o =h D =35,6 kcal/kg h D + q c /D=(L o /D)(H 1 -h o )+H 1 h D + q c /D=3,5(129-35,6)+129 h D + q c /D=456 kcal/kg q c /D=456-35,6=420,4 kcal/kg q c =420,4.D=420,4.12000 q c =5045000 kg/h

Örnek 3 Buna göre soğutma suyu sarfiyatı; q c =m su c p,su (T ç -T g ) 5045000kcal/h=m su 1 kcal/kgk (49-26,7) m su =63 l/s Su buharı sarfiyatı; Tekrar (x W, h W -q rw ) noktası diyagramdan belirlenir. (h W -q rw )=-236 kcal/kg q rw =48,15+236=284,15 kcal/kg q rw =w. q r =18000.284,15=5114700 kcal/h q r =5114700 kcal/h= m sb. 513,75 kcal/kg m sb =9,955 kg/h olarak bulunur. Bileşenlerin ayrılması için 11,8 rafa ihtiyaç vardır ve distillenecek karışım üstten altıncı teorik rafa gönderilmelidir.

Endüstride Ayırma Prosesleri Ekstraksiyon Katı bir maddeden bir bileşkenin ayrılmasını sağlamak için bir sıvı kullanılır (katı-sıvı ekstraksiyon). Yağ endüstrisinde soya fasulyesi, yerfıstığı, kolza tohumu, ayçiçeği, susam gibi ürünlerden yağın ekstraksiyonunda bu işleme örnekler bulunabilir. Bazen her iki faz da yağ ve su gibi birbirinde erimeyen iki sıvıdan oluşabilir. Buna sıvı-sıvı ekstraksiyonu denir. Sıvı-sıvı ekstraksiyonu hayvansal yağların saflaştırılmasında kullanılır.

Ekstraksiyon Çözücü olarak su ve diğer organik veya inrganik maddeler kullanılarak ayrıma işlemi gerçekleştirilebilir. Örnek olarak; Altın madeninden altının ayrılması Bitkilerden ilaç endüstrilerinin ham maddelerinin ayrılması Çiçeklerden esansların elde edilmesi

Ekstraksiyon Kullanılan cihazlar dört grupta toplanır; 1) Büyük parçalar halindeki gevşek katıları ekstrakte eden, 2) Değişik yapıda (az yada çok parçalanmış) katıları ekstrakte eden, 3) Çok ince öğütülmüş katıları ekstrakte eden cihazlar ve 4) Sıvı fazda çözünmüş bir bileşeni, o bileşeni çözebilen diğer sıvı haldeki çözücü ile ekstrakte eden cihazlar.

Ekstraksiyon Büyük parçalı katıların ekstraksiyonu Açık tank ekstraktörleri Taraklı sınıflandırıcılı ekstraktörler Tek tanklı sistemler Seri tanklı sistemler

Ekstraksiyon Ara kademedeki katıların ekstraksiyonu Bitkisel maddeler Şeker pancarından şeker ve yağlı tohumlardan yağ elde edilmesi durumunda kullanılırlar.

Ekstraksiyon Sabit yığın veya Robert difüzyon bataryaları Kullanıldığı yerler: Şeker pancarı endüstrisinde Meşe ağacı kabuklarının tanen elde edilmesi Bitkilerin kabuk ve tohumlarından ilaç endüstrisinin ham maddelerinin elde edilmesi

Ekstraksiyon Devamlı çalışan difüzyon bataryaları

Ekstraksiyon Yağlı tohumların ekstraksiyonu

Ekstraksiyon Yağlı tohumların ekstraksiyon ünitesinin akım şeması

Katı-sıvı ekstraksiyonu

Katı-sıvı ekstraksiyonu

Ekstraksiyon Sıvı-sıvı ekstraksiyonu Kullanıldığı yerler: Petrol endüstrisinde yağların viskozite karakteristiklerini düzeltmek amacıyla bu yağların rafinasyonunda. Distilasyon ile ayırmanın verimsiz veya çok zor olduğu durumlarda, örneğin ayrılacak sıvıların kaynama noktaları birbirine çok yakın olduğunda distlasyon yerine ekstraksiyon prosesi uygulanır.

Ekstraksiyon Sıvı-sıvı ekstraksiyonu Şekil: Podbielniak ekstraktörü

Endüstride Ayırma Prosesleri Kristalizasyon Çözünebilir maddeler bir çözeltiden örneğin ortam şartlarının ayarlanması ile çözelti aşırı doymuş hale getirilerek kristalleştirilip ayrılabilir. Bu işlem genellikle sıcaklık derecesinin düşürülmesi veya eriyiğin konsentrasyonunun artırılması ile birlikte olur. Kristalizasyonun genellikle uygulandığı alanlar şeker rafinasyonu ve tuz rafinasyonudur. Bu rafinasyonlarda kristaller eriyiğin soğutulması veya buharlaştırmayla konsentrasyon arttırılması yapılarak çöktürülür

Kristalizasyon Kristal şeklinin değişmesi endüstriyel kristalizasyon da önemli yer tutar. Kristal görünümünü ve ürünün akış karakteristiğini bozması, malzemenin işlenmesi ve paketlenmesinde zorlaştırıcı özellikler vermesinden dolayı bazı kristal türleri istenmez. Granüle ve prizmatik kristal en çok tercih edilen kristal şeklidir. İğne ve levha şeklindeki kristaller bazı özel durumlar için istenebilir. Çoğu endüstriyel kristalizasyon uygulamalarında kristal şeklinin kontrolü zorunludur. Bu da buharlaştırma veya soğutma hızı, aşırı doygunluk derecesi ve sıcaklık ile kristalizasyon hızının kontrolü, belli bir çözücü seçilmesi, çözeltinin ph ının ayarlanması, şekil değiştirici olarak bir katkı maddesinin eklenmesi ya da çözelti içinde varolan bir katkı maddesinin uzaklaştırılması ile yapılır. Bazı durumlarda bu metotlardan birkaçı birlikte uygulanabilir.

Kristalizasyon Belli bir sıcaklıkta katı faz ile termodinamik dengede olan çözeltilere doygun çözelti denir. Çoğunlukla denge doygunluğundan daha fazla katının çözünebildiği çözeltiler hazırlamak mümkündür. Bu tür çözeltiler aşırı doygun çözelti olarak adlandırılır. Bütün kristalizasyon işlemleri için aşırı doygunluk durumu önemli bir gerekliliktir. Kendi kendine çekirdeklenmenin gerçekleştiği veya gerçekleşmediği aşırı doygun çözeltileri sınıflandırmak amacıyla Ostwald, kararsız (labile) ve yarı kararlı (metastable) terimlerini kullanmıştır. Aşırı doygunluk ve kendi kendine kristalizasyon arasındaki ilişki grafiksel olarak yandaki şekilde gösterilmiştir. Alttaki devamlı çizgi çözünürlük eğrisidir. Üstteki kırık süper çözünürlük eğrisi ise, kontrolsüz, kendi kendine kristalizasyonun gerçekleştiği sıcaklıkları ve konsantrasyonları göstermektedir. Süper çözünürlük eğrisi iyi tanımlanmamış olmakla birlikte, süper çözünürlük bölgesi içinde yarı kararlı bölge bulunduğu ile ilgili hiçbir şüphe bulunmamaktadır.

Kristalizasyon Diyagram üç bölgeye ayrılmaktadır. Kristalizasyonun imkânsız olduğu kararlı (doymamış) bölge. Çözünürlük ve süper çözünürlük eğrileri arasındaki kendi kendine kristalizasyonun mümkün olmadığı, yarı kararlı (aşırı doygunluk) bölge. Kendi kendine kristalizasyonun mümkün olduğu, ama kaçınılmaz olmadığı kararsız veya aşırı doygunluk bölgesi. Eğer şekilde A noktası ile temsil edilen bir çözelti, herhangi bir çözücü kaybı olmaksızın soğutulursa, C noktası ile temsil edilen şartlar gerçekleşmedikçe kristalizasyon meydana gelemez. Bu noktada, kristalizasyon kendi kendine olabilir ya da tohumlama, karıştırma veya mekanik şok ile gerçekleştirilebilir. Özellikle sodyumtiyosülfat gibi çözünürlüğü yüksek olan maddeler için, kristalizasyon başlamadan önce D noktasına kadar soğutmak önemli olabilir.

Kristalizatörlerin sınıflandırılması Kristalizasyon cihazları aşırı doygunluk durumuna ulaşma şekli göz önüne alınaraksınıflandırılabilirler. Bu sınıflandırma aşağıdaki şekildedir: 1) Soğutma ile aşırı doygunluk 2) Çözücünün buharlaştırılması ile aşırı doygunluk 3) Adyabatik buharlaştırma (soğutma ve buharlaştırma) ile aşırı doygunluk 4) Kristallenmesi istenilen maddenin çözünürlüğünü azaltacak bir başka maddenin, çözeltiye ilavesi ileyapılan kristallenme.

Kristalizatörlerin sınıflandırılması 1) Yalnız soğutma ile aşırı doyurma A) Devamsız operasyonlar (i.) Tank kristalizatörleri (ii.) Karıştırılan devamsız kristalizatörler B) Devamlı operasyonlar (i.) Swenson Walker kristalizatörü (ii) Diğer kristalizatörler 2) Adyabatik soğutma ile aşırı doyurma A) Vakum kristalizatörleri (i) Kristalizatör dışında kristal ayırımı yapmayanlar (ii) Kristalizatör dışında kristal ayırımı yapanlar 3) Evaporasyonla aşırı doyurma A) Çözünürlüğü azaltan bir komponentin ilavesi ile kristallenme yapan evaporatörler B) Kristal evaporatörleri

Kristalizasyon Swenson-Walker Kristalizatörü: A, B, ceket; C, karıştırıcı

Swenson kristalizatörlerinin endüstride kullanım yerleri Ammoniy biflorid Amonyak alkol Amonyak sülfatı Susuz sodyum tiosülfat Bariy hlorid dihidratı Kalsiyum sucaryl Limon asidi Diamonyum fosfatı Dimetiltereftalat Glutamin asidi Hidroksenon Lityum karbonatı Lityum kloridi Mono sodyum glutamatı Kuzukulağı asidi Potasyum kloridi Potasyum nitratı Potasyum permanganat Mono potasyum fosfatı Gümüş nitratı Dikrom asidin sodyum tuzu ve sodyum kromatı Sodyum bromidi Sodyum karbonatı Sodyum kloratı Yemek tuzu Limon asidinin sodyum dihidrat tuzu Sodyum Demir sianidi Sodyum sycaryl Sodyum sülfatı Sodyum sülfiti Sodyum tiosülfatı Şeker Sülfürik asit Trisodyum fosfatı Üre

Endüstride Ayırma Prosesleri Adsorpsiyon Bir gaz karışımda bulunan bileşenlerden birini bu gaz karışımını bir sıvı faz ile temas ettirmek ve böylece gaz karışımdan uzaklaştırmak anlamına gelmektedir. Dolgulu kuleler, dolgu malzemelerini tipleri, dolgu kulelerinin yapılışı ve akışkanların kulede karşılaştıkları direnç göz önüne alınmalıdır.