Khái niệm trích ly: Trích ly là quá trình tách một hay một số chất tan trong chất lỏng hay trong chất rắn bằng một chất lỏng khác - gọi là dung môi.. Động lục của quá trình trích lý là
Trang 1MỤC LỤC
Contents
MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Trang 21.TỔNG QUAN VỀ TRÍCH LY.
1.1 Khái niệm trích ly:
Trích ly là quá trình tách một hay một số chất tan trong chất lỏng hay trong chất rắn bằng một chất lỏng khác - gọi là dung môi Cơ sở lí thuyết của quá trình trích ly là dựa vào sự khác nhau về hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly Động lục của quá trình trích lý là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử
ở trong nguyên liệu và trong dung môi Dung môi trích ly gọi là dung môi thứ cấp còn dung môi có chứa chất hòa tan gọi là dung môi sơ cấp
Trích ly lỏng-lỏng Trích ly lỏng-rắn
Qúa trình tách chất hòa tan trong chất
lỏng bằng một chất lỏng khác.
VD: Trích ly dầu bằng hexan
Qúa trình tách chất hòa tan trong chất rắn bằng một chất lỏng.
VD: Trích ly cafein từ bột cafe
1.2 Lựa chọn dung môi:
Dung môi thích hợp cho quá trình trích ly cần đảm bảo các tính chất:
• Tính hòa tan có chọn lọc (dung môi hòa tan tốt chất cần tách mà không hòa tan hoặc hòa tan rất ít các cấu tử khác)
• Khối lượng riêng của nó phải khác xa khối lượng riêng của dung dịch
• Chọn dung môi có khối lượng riêng nhỏ
• Có các tính chất thông thường khác: không độc, không ăn mòn thiết bị, không có tác dụng hóa hòa với các cấu tử trong hỗn hợp, rẻ tiền, dễ kiếm,
2 SƠ ĐỒ TRÍCH LY.
Trang 3• Giai đoạn 1: Giai đoạn trộn lẫn, phân phối hai pha vào nhau để tạo sự tiếp xúc pha tốt cho dung chất truyền từ hỗn hợp đầu vào dung môi
• Giai đoạn 2: Giai đoạn tác pha, hai pha này phân lớp và tách ra dễ dàng hay không phụ thuộc vào độ chênh lệch khối lượng riêng của chúng Một pha gọi là pha trích gồm dung môi và cấu tử phân bố, một pha gọi là raphinat gồm phần còn lại của dung dịch
• Giai đoạn 3: Giai đoạn hòan nguyên dung môi, tách cấu tử phân bố ra khỏi dung môi
Trích ly lỏng thường dùng cho các quá trình sau: tách các chất dễ phân hủy ở nhiệt độ cao Dung dịch có khả năng tạo đẳng khí hoặc các cấu tử có nhiệt độ sôi gần bằng nhau Dung dịch quá loãng ( tiết kiệm hơn chưng cất )
3 CÂN BẰNG PHA TRONG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY.
3.1 Định luật phân bố
Theo quy tắc pha Gibs:
Trong quá trình trích ly luôn có 3 cấu tử độc lập (cấu tử cần trích ly, dung môi trích ly, cấu tử mang đi trích ly), luôn tồn tại 2 pha (lỏng, rắn), và 2 yếu tố môi trường ảnh hưởng là nhiệt độ và áp suất Suy ra trong quá trình trích ly sô bậc tự
do C= 3-2+2= 3 (thường là áp suất, nhiệt độ, nồng độ của cấu tử phân bố trong pha trích và pha Raphinat)
Ta xét quá trình ở điều kiện P,T= const thì ta có biểu thức toán học của định luật phân bố là:
Trong đó: y*: nồng độ cân bằng trong pha trích
x: nồng độ pha raphinat
m : hệ số phân bố nồng độ
C = k - f + n
Trang 43.2 Đồ thị tam giác.
Đây là dạng đồ thị được sử dụng nhiều để mô tả thành phần hỗn hợp 3 cấu tử Trong đó khoảng cách từ đỉnh đến 3 cạnh biểu diễn thành của 3 cấu tử Mỗi đỉnh tam giác biểu diễn một cấu tử nguyên chất (100%) theo ký hiệu
Hình 2 Đồ thị ta giác cơ bản
Ta xét đồ thị tam giác trong quá trình trích ly:
Nếu R (kg) hỗn hợp tại R được trộn với E (kg), hỗn hợp mới được tạo thành tại
M nằm trên đoạn RE và được xác định theo công thức:
Xét cấu tử A, B và C mà trong đó, cấu tử C hòa tan hoàn toàn trong A và B, nhưng A và B chỉ tan trong giới hạn biểu diễn bởi điểm K(nhiều B) và điểm L(nhiều A) như hình bên dưới
Hình 3 Đồ thị tam giác của hệ 3 pha sử dụng trong trích ly
Xét điểm M bên dưới đường cong sẽ tạo nên 2 pha lỏng bão hòa có thành phần biểu diễn bởi điểm R và điểm S
Đường nối thành phần 2 pha cân bằng gọi là đối tuyến và nhất thiết phải đi qua
M, có vô số đối tuyến trong vùng 2 pha, các đối tuyến ít khi song song nhau,
Trang 5chúng thay đổi độ dốc chậm và có thể dương hay âm tùy hệ ba cấu tử Các điểm
R và S tăng dần lên và trùng nhau tại điểm P gọi là điểm tới hạn
4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY.
4.1 Trích ly một bậc:
Hỗn hợp ban đầu và dung môi được trộn lẫn với nhau để tạo nên hỗn hợp M, quá trình truyền khối giữa hai pha được tiến hành cho đến khi hệ đạt cân bằng, sau đó hỗn hợp M được tách ra thành hai pha R và E
Đặt F là lượng nhập liệu ban đầu chứa A và C với phần khối lượng C là xF được tiếp xúc với S chứa chủ yếu là B với phân khối lượng C là yS, sau đó hỗn hợp tách ra làm 2 pha cân bằng R1 và E1 được nối với nhau bằng đối tuyến R1E1
Ta có cân bằng vật chất tổng cộng:
F + S = M1 = E1 + R1
Hình 4 Sơ đồ trích ly một bậc
Và điểm M được xác định trên đoạn FS theo quy tắc đòn bẫy hoặc tính nồng độ
C trong M1 theo cân bằng vật chất như sau:
Lượng pha trích và pha raphinap được tính theo cân bằng vật chất cho C:
Trang 6 Trích li một bậc có thể làm việc gián đoạn hay liên tục Đây là phương pháp trích li đơn giản nhất, có nhược điểm là tốn nhiều dung môi nhưng thu được cấu tử cần tách có độ tinh khiết thấp
Hình 5 Trích ly 1 bậc
Hình 6 Trích ly 1 bậc liên tục
4.2 Trích ly chéo dòng
Quá trình trích ly nhiều bậc chéo dòng chính là lặp lại nhiều lần của quá trình trích ly một bậc Lượng dung dịch trích thu được ở mỗi bậc E1, E2, E3, chứa lượng cấu tử cần tách giảm dần Lượng dung môi tiêu tốn chung bằng tổng dung môi tiêu tốn mỗi bậc
Quá trình này được tiến hành gián đoạn trong cùng một thiết bị có cánh khuấy Nghĩa là với một lượng hỗn hợp đầu F, người ta đổ nhiều lần dung môi S, mỗi lần đổ một lượng dung môi S cần thiết vào thiết bị rồi khuấy đến trạng thái cân bằng, rồi để lắng lớp raphinat và dung dịch trích Sau đó tách lớp dung dịch trích ra, còn raphinat được giữ lại trong thiết bị và tiếp tục rót một lượng dung môi S vào rồi tiến hành quá trình tương tự như trên cho đến khi raphinat có nồng độ yêu cầu
Cân bằng vật chất tổng cộng cho đoạn thứ n bất kỳ: Rn-1 + Sn = Mn = En + Rn
Cân bằng cho C:
Ưu điểm của phương pháp này là có thể tách được triệt để cấu tử cần tích trong Rupinat Nhưng có nhược điểm là nồng độ cấu tử phân bố trong dung dịch trích loãng Có thể khắc phục nhược điểm này bằng trịch li nhiều đặc ngược chiều
Trang 74.3 Trích ly nhiều bậc ngược chiều.
Dung dịch ban đầu đi vào đầu này, dung môi đi vào đầu kia, hai pha raphinat và pha trích liên tục đi ngược chiều nhau qua mỗi đoạn, cuối cùng hai dòng sản phẩm RN và E1 Như vậy khi dung dịch trích loãng nhất lại tiếp xúc với Raphinat có nồng độ phân bố bé nhất nên có khả năng tách được triệt để cấu tử phân bố trong Raphỉnat Ngược lại khi dung dịch trích cảng đậm đặc lại tiếp xúc với Raphinat có nồng độ cấu tử phân bổ càng cao nên có thể thu được dung dịch trích có nồng độ càng cao Khi cùng một độ phân tách như nhau thỉ trích li nhiều bậc ngược chiều sẽ tốn ít dung môi nhất
Cân bằng tổng cộng: F + S = E1 + RN = M
Cân bằng cho dung chất C: F.xF + S.xS = E1.y1 + RN.xN = M.xM
5 THIẾT BỊ TRÍCH LY.
Loại Năng suất
( m3/m2.h)
Chiều cao đơn
vị truyền khối HTU(m)
Hiệu suất, mâm (%)
Khoảng cách mâm (m)
Tháp phun 15-75 3-6
Tháp chêm 6-45 1,5-6
Tháp mâm
xuyên lỗ
3-60 0,3-6 6-24 0,75-1,75 Tháp tấm chặn 18-30 1,2-1,8 5-10 0,1-0,15
Tháp khuấy 15-30 0,3-0,6 80-100 0,3-0,5
Bảng đặc trưng hoạt động của thiết bị trích ly thương mại
Trong quá trình trích ly lỏng-lỏng, cũng như trong các quá trình hấp thu, chưng cất, hai pha phải có sự tiếp xúc tốt để quá trình truyền vật chất và tách pha dễ dàng Trong hấp thu và chưng cất sự khuấy trộn và tách pha xaye ra dễ dàng và nhanh chóng Tuy nhiên, trong trích ly hai pha có khối lượng riêng gần bằng nhau nên năng lượng tiêu tốn cho quá trình khuấy trộn và tách pha – nếu dòng chảy do trọng lực – là rất nhỏ so với trường hợp một pha là lỏng, một pha là khí Hai pha lỏng thường khó trộn lẫn và khó tách Độ nhớt của hai pha lỏng thường tương đối cao và vận tốc dài qua các thiết bị trích ly thấp Do đó, trong một số loại thiết bị trích ly năng lượng cơ học được cung cấp cho quá trình trộn và tách pha
Trang 85.1 Thiết bị trích theo đoạn.
Với quá trình hoạt động gián đoạn, thiết bị khuấy và thiết bị lắng được kết hợp làm một thiết bị Thiết bị khuấy thường dùng cánh khuấy chân vịt hoặc turbin Cuối chu kỳ khuấy, các lớp được để yên để tách ra bằng trọng lực và pha trích
và pha raphinat được tháo vào các thùng chứa riêng biệt qua ống tháo ở đáy có kihs quan sát Thời gian càn thiết để khuấy và lắng chỉ xác định được bằng thực nghiệm, thông thường khuấy là 5 phút và lắng là 10 phút Tuy nhiên thời gian trên có thể nhanh hơn hoặc lâu hơn tùy hệ chât cụ thể
Hình 7 Bình khuấy cho quá trình trích ly gián đoạn hoặc liên tục
Với quá trình hoạt động liên tục, thiết bị khuấy và lắng là hai thiết bị riêng biệt Bình khuấy có thể nhỏ hơn bình lắng có ống vào và ra, tấm chặn để tránh dòng chảy tắt Có thể dùng bơm ly tâm để tạo dòng khuấy trộn Bình lắng là dạng thiết bị lắng liên tục bằng trọng lực Với những chất lỏng dễ tạo nhủ và có khối lượng riêng gần bằng nhau, dòng ra khỏi thiết bị khuấy cần cho qua sàng để kết
tụ các giọt của pha phân tán trước khi để lăng trọng lực Với những hệ khó tách pha hơn có thể sử dụng đến máy ly tâm loại đĩa hoặc ống
Trang 95.2 Thiết bị trích ly loại tháp
5.2.1 Tháp phun
Hình 8 Cấu tạo tháp phun A-van tháo pha nặng; B-bề mặt phân chia pha; C-van điều chỉnh bề mặt phân chia pha; D-van tháo vặn ( mở định kỳ) tích tụ tại bề mặt phân pha
a) Pha nhẹ phân tán; b) pha nặng phân tán Đây là dạng thiết bị đơn giản nhất cho quá trình tiếp xúc pha liên tục chỉ có một tháp rỗng bên trong có bộ phận phân phối chất lỏng và tháo chất lỏng ra Pha liên tục chiếm toàn bộ thể tích tháp và đi từ dưới lên hoặc từ trên xuống Pha phân tán nhờ bộ phận phun tạo thành hạt nhỏ và xuyên qua, phân tán vào pha liên tục Pha phân tán sau khi vượt qua khỏi bộ phận phối pha liên tục sẽ bị kết
tụ lại và tách khỏi pha liên tục
Nếu giảm chiều cao ống A hay mở van C thì bề mặt tiếp xúc pha sẽ hạ xuống Pha nặng tiếp tục phân tán vào pha nhẹ Đây là cách điều chỉnh vị trí của bề mặt tiếp xúc pha trong tháp
Ưu điểm: chi phí tạo ra tháp không lớn, dễ dàng làm vệ sinh, năng suất cao Nhược điểm: tháp có hiệu suất kém nên không được sử dụng trong thực tế 5.2.2.Tháp đệm ( tháp chêm )
Cấu tạo không khác gì với tháp chêm dùng cho quá trình tiếp xúc pha khí -lỏng Tháp có tác dụng hạn chế sự khuấy trộn theo phương trục, thay đổi đường
đi của các hạt pha phân tán nên tăng được một phần tốc độ truyền khối Với hai pha lỏng tiếp xúc với nhau, sự lựa chọn vật chêm phải cẩn thận để đảm bảo sự thấm ướt hoàn toàn bề mặt chêm Vật chêm bằng sứ dùng cho các chất lỏng có nước, băng cacbon, nhựa cho các chất lỏng hữu cơ Đường kính vật chêm không lớn hơn 1/8 đường kính tháp Tháp chêm có năng suất kém hơn tháp phun vì
Trang 10một phần thể tích của tháp bị vật chêm chiếm Hiệu suất phân tán trong tháp chêm cũng không cao
Nguyên lý hoạt động: trục chính giữa có gắn kết với các cánh khuấy, khi trục quay các cánh khuấy cũng chuyển động quay theo Ngoài ra trong tháp còn có các vật liệu đệm Khi pha nặng và pha nhẹ được đưa vào tháp hỗn hợp được đưa qua các lớp đệm lúc này hai pha nặng và pha nhẹ sẽ gặp nhau kết hợp sự chuyển động của cánh khuấy trộn đều hổn hợp làm cho chúng tiếp xúc với nhau nhiều hơn nên làm tăng hiệu quả trích ly
Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản và chắc chắn lớp đệm phân phối tốt diện tích tiếp xúc lớn, trở lực trong tháp nhỏ
Nhược điểm: khó làm ướt được đều lớp đệm nếu chiều cao tháp lớn thì chất lỏng phân phối không được đều
Ứng dụng: tháp đệm có ứng dụng rất rộng rãi\
Cách tạo thành lớp đệm:
a) Yêu cầu lớp đệm :
• Bề mặt riêng phải lớn
• Thể tích tự do lớn
• Khối lượng riêng nhỏ
• Độ bền hóa học cao
b) Có hai loại đệm chính
• Loại đệm xếp ngẫu nhiên lộn xộn
Trang 115.2.3 Tháp trích ly nghịch dòng có cánh khuấy, đĩa quay
a)Thiết bị trích ly có cánh khuấy b)Thiết bị trích ly có đĩa quay
Hình 10 Thiết bị trích ly dạng tháp có cánh khuấy và dĩa quay
5.2.4.Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm hoạt động rất có hiệu quả, cả về năng suất lẫn hiệu lẫn hiệu suất trích, đặc biệt cho các hệ có sức căng bề mặt kém Diều này do :
• Sự khuấy trộn theo phương trục của pha liên tục bị giới hạn vào giữa hai mâm, không lan rộng ra cả tháp
• Các giọt pha phân tán kết tụ lại và được phân tán qua mỗi mâm, tránh được sự sai biệt nồng độ qua mỗi giọt
Tháp gồm có nhiều mâm trên có đục lỗ, đường kính lỗ có thể từ 2÷9mm Trong tháp cả hai pha nặng và pha nhẹ đều có thể bố trí là pha liên tục hoặc pha phân tán Những tí giọt của pha phân tán khi qua mâm là các giọt nhỏ sau đó tập hợp lại thành lớp trên mâm nếu pha phân tán là pha nặng hay ở dưới mâm nếu pha phân tán là pha nhẹ Do đó ống chảy chuyền trên mỗi mâm nằm trên hoặc dưới mâm cho phù hợp
Trang 12Hình 11.Tháp mâm xuyên lỗ pha nhẹ phân tán 5.3.5 Tháp có gây chấn động
Hình 11 Tháp chấn động Tháp này là loại tháp mâm nguyên lỗ không có ống chảy chuyền Chấn động có thể được tạo nên bằng nhiều phương pháp, thông thường là dùng bơm piston không có van, bơm nối với đáy tháp hay nối với đường ống cho pha nhẹ vào Tần số chấn động từ 30÷250 chu kỳ/ph với biên độ chấn động là 1mm Chấn động có thể được tạo nên cho tháp chêm hoặc bất kì loại tháp trích nào khác Có thể dùng tháp chấn động để trích ly chất lỏng có sai biệt khối lượng riêng là 50kg/m3 nhưng trong trường hợp này năng suất thấp
Trang 136 TRÍCH LY SIÊU TỚI HẠN.
6.1 Tổng quan
Trong các ngành công hóa chất, vật liệu polymer hoạc công nghiệp thực phẩm, dược phẩm sử dụng nhiều loại dung môi hữu cơ để thực hiện các quá trình phản ứng hóa học hay trích ly thành phần mục tiêu Các quá trình này thải ra nhieuf hóa chất, phế thải tiêu tốn tài nguyên nước và dung môi Một số quá trình diễn
ra ở nhiệt độ cao do đó tiêu tốn năng lượng và có thể gây hư hại cấu trúc hoặc phân hủy hoạt chất giải pháp là sử dụng lưu chất CO2 siêu tới hạn (scCO2) Trạng thái Tỷ trọng ( g/mol) Hệ số khuếch tán
(cm2 /s)
Độ nhớt (g/cm.s)
Khí 1x103 1x10-1 1x10-4
Siêu tới hạn 3x10-1 1x10-3 1x10-4
Bảng Tích chất vật lý của CO2 ở dạng lỏng, khí và siêu tới hạn
6.2 Phương pháp SCO2
Bất kỳ dung môi nào cũng sẽ ở trạng thái siêu tới hạn nếu tồn tại ở nhiệt độ và
áp suất trên giá trị tới hạn Đối với mỗi chất thông thường, dưới mỗi một điều kiện nhất định chúng sẽ tồn tại ở một trạng thái nào đó trong 3 trạng thái rắn, lỏng và khí Nếu nén chất khí tới một áp suất đủ cao, chất khí sẽ hóa lỏng Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà ở đó, nếu nâng dần nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không thể trở về trạng thái khí, mà rơi vào một vùng trạng thái đặc biệt gọi
là trạng thái siêu tới hạn (supercritical) Vật chất ở trạng thái này mang nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là dung môi đó mang tính trung gian giữa khí và lỏng.Vì vậy khi CO2 được đưa lên nhiệt độ, áp suất cao hơn nhiệt
độ, áp suất tới hạn của nó (310C,73,8 atm), CO2 sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn
Tại trạng thái này CO2 mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách của quá trình trích
ly và đặc tính phân tách của quá trình chưng cất Nó có khả năng hoà tan rất tốt các đối tượng cần tách ra khỏi mẫu ở cả 3 dạng rắn, lỏng, khí Sau quá trình
Trang 14chiết, để thu hồi sản phẩm chỉ cần giảm áp suất thấp hơn áp suất tới hạn thì CO2
chuyển sang dạng khí ra ngoài còn sản phẩm được thoát ra ở bình hứng.Ở mỗi điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau sẽ tương ứng với mỗi một đối tượng cần chiết tách khác nhau
Sơ đồ bộ chiết siêu tới hạn cho trích
ly rắn-lỏng
6.3 Ưu điểm của SCO2 so với phương pháp truyền thống
Phương pháp sử dụng scCO 2 Phương pháp sử dụng dung môi
hữu cơ
Dễ dàng kiếm soát thông qua áp suất
và nhiệt độ
Khó kiểm soát
Dễ dàng áp dụng tự động hóa Tùy phương pháp
Không độc, không cháy nổ Gây độc, dễ bay hơi, dễ cháy nổ, gây
ô nhiễm Thiết bị chuyên dùng, đắt tiền, cần
nghiên cứu ưu hóa điều kiện chiết đối
với mẫu mới
Thường không yêu cầu cao về thiết
bị Đa số đã có quy trình chuẩn
6.4 Ưu điểm của SCO2
• Sức căng bề mặt thấp
• Độ nhớt thấp
• Độ linh động cao
• Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng chất lỏng
6.5 Ứng dụng của SCO2
• Công nghệ hóa- vật liệu
• Công nghiệp tách- bào chế dược