Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

https://iautomatyka.pl/wp-content/uploads/2020/07/ekstrakcja-chemiczna.jpg

Analiza procesów symulacji ekstrakcji za pomocą oprogramowania ChemCAD


Oprogramowanie ChemCAD możemy określić jako symulator procesowy. Jest to narzędzie wspomagające pracę technologów oraz inżynierów chemicznych w zaprojektowaniu lub badaniu danego procesu. Pozwala na wykonanie dokładnych obliczeń dotyczących reakcji chemicznych z uwzględnieniem wielu zmiennych, oszczędza czas oraz daje pewność prawidłowych wyników.

ChemCAD zawiera bazę danych właściwości fizykochemicznych poszczególnych substancji, pozwala na symulacje procesów destylacji, ekstrakcji, wymiany ciepła oraz reakcji w różnych typach reaktorów. ChemCAD może być z powodzeniem wykorzystany podczas planowania procesów przemysłowych.

Poniższa symulacja została wykonana w ramach zajęć z Modelowania Procesów Technologicznych realizowanych na kierunku Technologia Chemiczna na wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej. Głównym zagadnieniem, na jakie zwraca uwagę poniższa symulacja, to porównanie składu produktu ekstrakcji pojedynczej oraz ekstrakcji trzy etapowej.


Proces ekstrakcji

Ekstrakcja to proces polegający na rozdzieleniu jednej lub kilku substancji zawartej w mieszaninie metodą dyfuzji do cieczy lepiej rozpuszczającej dane związki chemiczne. Zachodzi w układach ciecz-ciecz, należy wyróżnić rozpuszczalnik pierwotny, w którym znajdują się rozpuszczone substancje przed procesem oraz rozpuszczalnik wtórny, który w procesie ekstrakcji będzie selektywnie absorbował substancje z rozpuszczalnika pierwotnego. Jako produkt uzyskuje się rafinat, który jest rozpuszczalnikiem pierwotnym pozbawionym większości odzyskiwanego związku oraz ekstrakt, w którym znajduje się substancja odzyskana z rozpuszczalnika pierwotnego. Ekstrakt można poddać destylacji w celu odzyskania substancji ekstrahowanej oraz rozpuszczalnika. Mówiąc o ekstrakcji, istotną rzeczą jest określenie warunków do osiągnięcia prawidłowego przebiegu tego procesu. Muszą występować dwie fazy ciekłe, które można rozdzielić mechanicznie. Z tych dwóch warunków wynika, iż musi występować ograniczona rozpuszczalność ekstraktu i rafinatu.

Schemat ekstrakcji. [Ilustracja wykonana za pomocą programu ChemCAD]

W przemyśle stosuje się również inne typy ekstrakcji, przykładem charakterystycznego procesu występującego w przemyśle spożywczym jest ekstrakcja nadkrytyczna. Stan nadkrytyczny występuję powyżej określonej temperatury oraz ciśnienia, jest to pośrednia faza między cieczą a gazem o specyficznych właściwościach.  Aparatura do procesu ekstrakcji jest złożona z pompy sprężającej, ekstraktora ciśnieniowego, rozdzielacza oraz systemu pomiarowego ciśnienia i temperatury. Do jej zalet możemy zaliczyć niską temperaturę prowadzenia procesu oraz duża selektywność procesu. Ekstrakcja nadkrytyczną stosuje się do ekstrakcji chmielu, redukcji zawartości alkoholu, usuwaniu kofeiny z kawy oraz ekstrakcji esencji olejowych.

Proces ekstrakcji w poniższej symulacji polega na usunięciu acetonu z wody, która jest rozpuszczalnikiem pierwotnym za pomocą dichlorometanu, pełniącego rolę rozpuszczalnika wtórnego. Dokładny skład rozpuszczalnika pierwotnego to 80% mol wody i 20% mol acetonu w całkowitej ilości 100 mol cieczy. Zostało zastosowane 30 mol dichlorometanu. Wszystkie operacje są prowadzone w temperaturze 25 oC pod ciśnieniem 1 bar.

Ekstrakcja jednoetapowa

W procesie ekstrakcji jednoetapowej stosuję się pojedynczy separator faz. Strumieniem nr 1 zostaje wprowadzony rozpuszczalnik pierwotny, mieszanina acetonu oraz wody. Rozpuszczalnik wtórny zostaje podany strumieniem nr 2, jest to 30 mol dichlorometanu. W separatorze faz zachodzi ekstrakcja. Po przeprowadzeniu procesu uzyskujemy ekstrakt oraz rafinat. Strumieniem nr 4 zostaje wyprowadzony ekstrakt z separatora, a strumieniem nr 3 rafinat. Skład ekstraktu to 4 mola wody, 19.99 mola acetonu oraz 29.67 mola dichlorometanu. Skład rafinatu wynosi 76 mola wody, 0.01 mola acetonu oraz 0.33 mola dichlorometanu.

Schemat jednoetapowej ekstrakcji. [Ilustracja wykonana za pomocą programu ChemCAD]

Ekstrakcja trzy etapowa

W ekstrakcji trój etapowej występują trzy separatory faz. Całą ilość rozpuszczalnika wtórnego, jaka była stosowana w ekstrakcji jednoetapowej, należy podzielić na trzy równe części. Każda z nich jest podawana jako rozpuszczalnik wtórny do każdego separatora faz. Do pierwszego separatora faz zostaje podana taka sama ilość oraz skład rozpuszczalnika pierwotnego jak w ekstrakcji jedno etapowej. Rafinat z pierwszego separatora zostaje wprowadzony do drugiego separatora jako rozpuszczalniki pierwotny, a rafinat z drugiego separatora zostaje rozpuszczalnikiem pierwotnym dla trzeciego separatora. Ekstrakt ze wszystkich trzech separatorów zostaje skierowany do miksera i wyprowadzony jako jeden strumień. Skład rafinatu z ostatniego separatora to 71.38 moli wody, 2.53*107 mola acetonu oraz 0.3 mola dichlorometanu. W całości ekstraktu z trzech etapów ekstrakcji znajduję się 8.62 mola wody, około 19.99 mola acetonu oraz 29.7 mola dichlorometanu.

Schemat ekstrakcji trzy etapowej. [Ilustracja wykonana za pomocą programu ChemCAD]

Wnioski

Przy tej samej ilości rozpuszczalnika wtórnego za pomocą ekstrakcji trzy stopniowej został otrzymany rafinat ze znaczną mniejszą ilością substancji ekstrahowanej niż w ekstrakcji jednostopniowej. Po ekstrakcji jednostopniowej ilość acetonu w rafinacie wynosi 0.01 mola, a gdy zastosuje się ekstrakcję trzyetapową, to ilość acetonu wynosi 2.53*10-7 mola. Program ChemCAD pozwala na wyznaczenie ilości rozpuszczalnika wtórnego, który jest potrzebny do uzyskania takiego samego składu rafinatu pod względem acetonu w ekstrakcji jednoetapowej, co w ekstrakcji trzy etapowej. Daną operację wykonuję się za pomocą sensitivity study. Aby uzyskać w ekstrakcji jedno etapowej tę samą ilość acetonu w rafinacie, co za pomocą ekstrakcji trzy etapowej, należy użyć 537 moli dichlorometanu jako rozpuszczalnika wtórnego. Koszt 16 moli dichlorometanu to ok. 20 zł. Przy instalacji trójstopniowej koszt rozpuszczalnika wtórnego to 37 zł 50gr, a przy instalacji jednostopniowej ten koszt wynosi 671 zł 21 gr. Podczas ciągłej pracy instalacji różnica kosztu rozpuszczalnika pozwala na duże oszczędności.

Autor: Inż. Michał Gocki.

Bibliografia

[1] Stanisław Bursa; Chemia Fizyczna; Państwowe Wydawnictwo Naukowe.

[2] Dr hab. inż. Andrzej Kaim, prof. UW; Symulacja komputerowa procesów technologicznych programem ChemCAD; Zakład Technologii Chemicznej, UW.

[3] Janusz Ciborowski; Podstawy inżynierii chemicznej; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.

[4] Prof. dr hab. inż. Tomasz Krawczyk; Ekstrakcja; wykłady Modelowanie Procesów Technologicznych; Katedra Technologii Chemicznej Organicznej wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej.

[5] Emilia Janiszewska, Dorota Witrowa-Rajchert; Ekstrakcja nadkrytyczna w przemyśle spożywczym; Żywność. Nauka. Technologia. Jakość; 2005.


Ocena artykułu zgłoszonego do Konkursu iAutomatyka 4.0 pisz artykuły, zdobywaj punkty, wymieniaj je na nagrody.

Kryterium 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Punkty (0-2) 2 2 1 2 1 0 1 2 1 1
Suma zdobytych punktów: 13


Utworzono: / Kategoria: , ,

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!



PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ



NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

Reklama



POLECANE FIRMY I PRODUKTY
  • 1,200 PLN
    Szkolenie jest wprowadzeniem do systemu sterowania PSS4000 i środowiska programowania PAS4000. W jego trakcie omówiona zostanie zarówno struktura sprzętowa, jak i programowanie, a także diagnostyka kompletnego systemu sterowania. Poruszane ...
    Czas trwania: 8h
    Link: Terminy
  • Nowoczesne dotykowe panele operatorskie HMI firmy WEINTEK Labs. – Bezpłatne oprogramowanie narzędziowe w pełnej wersji – Precyzyjne, dotykowe ekrany wyświetlające szczegółową grafikę – Obszerne biblioteki komponentów grafi...
  • Systemy RFID są ekonomiczne, uniwersalne i zapewniają niezawodność procesów, np. w intralogistyce. Zadania związane z identyfikacją stały się teraz łatwiejsze, szczególnie gdy potrzebna jest duża liczba punktów identyfikacji, dzięki  głowic...
  • Zapraszamy do składania zapytań ofertowych o wszystkie produkty EATON w tym sterowniki easyE4 przez portal allektro.pl (Kliknij tutaj) lub przez kontakt e-mail oferty@staport.p&...
  • W trybie refleksyjnym sygnał ultradźwiękowy jest nieustannie odbijany przez zamontowany na stałe element odbijający wiązkę, tzw. element odniesienia. Jako elementu odbijającego wiązkę można używać odpowiednio ustawionego panelu z plastiku l...
  • Kurs zaczyna się od uniwersalnych porad związanych z czytaniem schematów elektrycznych. Następnie, Agata stopniowo wprowadzi Cię w zagadnienia związane z wykorzystaniem oprogramowania podczas tworzenia kompletnej dokumentacji elektrycznej. ...
    Link: Terminy