ExtractionExtraction - cbe.snu.ac.krcbe.snu.ac.kr/sites/cbe.snu.ac.kr/files/board... · Mauveine:...

Youn-Woo Lee Seoul National University

Extraction Extraction

Separation Technology in Ancient Egypt

Seoul National University

향, 의약품, 잉크 등의 추출

History of the essential oil


성경에 900회 이상 언급

1. "카이피“ : 이집트에서 16가지의 향을 블렌딩한 시너지오일 2. 성경속의 아로마: 유향(프랭킨센스) 와몰약(미르), 나드. 3. 인도: 아유르베딕 향 치료 및 마사지 4. 중국 오향: 회향, 계피, 산초, 정향,진피 5. 불교 오향: 백단향, 울금향, 침향, 정향, 용뇌향. 6.중세시대: 아로마 치료 (라벤더, 로즈마리, 페퍼민트)

Ebers Papyrus(1550 BC)에 800여 가지의 허브치료 기술 Ayurveda

Tonkin Chinese apparatus

for the distillation of anise star

Steam Distillation for extraction of anise star

Chinese apparatus

for the distillation of anise star


Extract perfumes from flowers

Extraction


과학과 결합되지 않은 기술 (Art without science)

Separation of Mixtures in Early Civilizations - Art


Natural rubber tapping Resin of Lacquer Tree

polymer cis-1,4-polyisoprene urushiol

黃漆漆

Dendropanax morbifera

Tyrian Purple: Born in the purple


• Tyrian Purple (imperial purple): 지중해의 Tyre에서 자라는 Murex brandaris에서 추

출

• 20세기에 화학자가 전통적인 방식으로 티리언 퍼플을 제조, 바다달팽이 1만2천마리로 손

수건 한 장을 겨우 염색할만한 양(1.4g)의 티리언 퍼플을 추출 (비용=14,000달러)

• 디오클레티아누스 황제 시절(4세기)에 이 염료로 염색한 최상품 옷감 1파운드는 로마 은

화 5만 데나리온으로 같은 무게의 금값에 해당 (석공의 일당=50 데나리온)

• 비잔틴 제국에서 직접 염료의 생산과 판매를 비밀 관리하여, 멸망 후 염료의 생산법도 사

라짐

• 이후 황제와 추기경의 색이 보라색에서 붉은색으로 바뀌고, 네로 황제는 자신 이외에 보

라색을 쓰는 자는 사형에 처하도록 하는 법까지 만듬

• Born in the purple: 비잔틴 황제의 자녀들은 대대로 콘스탄티누스 대황궁의 보라색 반암

석으로 건축한, 보라색 커튼을 드리운 방에서 태어났다라는 표현도 거기에서 유래함

Extraction

1만2천마리

1.4g

US$14,000

Tyrian Purple Imperial purple

Murex brandaris 바다달팽이 1600 B.C

Mauveine: synthetic dye by William H. Perkin


• Purple remained the color of aristocracy and prestige for centuries until it was accidentally

synthesized by William Henry Perkin in 1856.

• Perkin was studying at the Royal College of Chemistry in London where he was tasked with

finding a way to synthesize quinine, which is a rare natural substance essential for the treatment of

malaria. Perkin underwent series of experiments to discover quinine, during this he managed to

create a substance with an intense purple color.

Mauveine B (C27H25N4+X−) incorporates one molecule each of aniline, p-toluidine, and o-toluidine.

William Henry Perkin Journal of the Chemical Society,

Perkin Transactions 1, II

• Perkin had a keen interest in painting and photography and was very enthusiastic

about his discovery, he found that the purple substance dyed silk in a way which was

stable when washed or exposed to light. He had managed to create the first synthetic

dye, he filed a patent for the dye when he was only 18 years old and began to set up

his own business.

붉은색 염료: carminic acid from Cochineal


• 연지벌레 암컷의 카민산을 추출

• 고대 멕시코의 미스텍 족의 시대부터, 연

지벌레에서 붉은 천연 염료 추출

• 스페인의 정복자들은 연지벌레 염료의 진

홍빛에 매료되었고 유럽인들은 이 천연

염료를 사용하여, 진하고 선명한 색조를

좋아하는 자신들의 취향을 만족시킴

• 영국은 한때 군복에 들어가는 전통적인

진홍색을 내는 데 연지벌레 염료를 사용

함

• 1650년경부터 1860년까지 멕시코의 3대

수출 품목 (금, 은 염료)

Extraction 연지벌레 암컷

미스텍족

한지 제조



천연염색



Art Science Modern Technology


서론

용매선정: 평형 및 추출 실험

추출 장비 선정 추출장치 설계

평형단수결정

추출기의 크기 직경, 높이 임펠러크기 단간격 필요 동력 추출효율

액-액 추출 (Liquid-liquid extraction) 분리할 1狀의 2성분의 액체(feed)에 적절한 용매를 접촉하여 한 성분을 추출해 내는 조작

Definition 서론


고-액 추출 (Solid-liquid extraction)

용매를 고체와 접촉시켜 유용성분을 회수하는 조작

로마시대 용융 납 (용매)을 사용하여 용융 구리로부터 금(은)을 추출 황(용매)을 사용하여 금-은 합금으로 부터 선택적 은 추출

1930년대 초 Edeleanu Process: SO2(L)로 kerosene에서 방향족과 황 화합물 추출 Solvent extraction (1933): Furfural로 윤활유 점도지수 향상을 위한 방향족 제거

근대 석유화학의 주요 분리공정으로 사용 열변성 제품, 고순도 제품, 고효율 장치에 대한 수요 고선택성을 갖는 새로운 용매들의 발굴 혼합용매에 대한 새로운 연구 고-액추출로서 초임계유체추출 등장 핵발전소 폐연료 재처리

Historical outlook


서론

Lazăr Edeleanu (1861, Bucharest - 1941)

212개 특허로 1960년까지 세계적으로 60개의 공장이 가동 액체 SO2(-20~-7°C)용매를 이용하여 kerosene으로부터

방향족 화합물과 황 화합물을 선택적으로 추출 Allgemeine Gesellschaft für Chemische Industrie Edeleanu GmbH (1930) the Deutsche Erdöl-AG Uhde GmbH (2002, Thyssenkrupp) 이후 高선택성의 벤젠과 SO2 혼합용매, 기타 용매 발굴 furfural, phenol, N-methyl-2-pyrrolidone, cresylic acid, Sulfolane SO2: mw=64, mp=-72 °C, bp=-10 °C, d=2.6g/ml, s*=94g SO2/L of water

Edeleanu Process(에델레아누 프로세스)


서론

Edeleanu Process (에델레아누 프로세스)


서론

Furfural를 추출용매로 윤활유 정제 공정


서론



서론

• 1933년 최초로 미국에서 건설되었음 • 세계에 100기 이상의 공정이 보급됨 (최다 보급공정) • 추출장치 운전조건 S/F=2∼4, 추출 온도=50∼140C

Steam

Ejector

Feed

Evaporator

High-P

Heater

Extract

Evaporator

Low-P

Raffinate

Raffinate Stripper Extract Stripper

De-gas Tower

RDC Extraction Tower

Furfural

Heater

Ste

am

Furfural Tower

Vacuum Pump

Decanter

Wate

r Str

ipper

water

• 고품질 광물성 오일 VI=90~100 (자동차) 85% + 첨가제 15% • 파라핀계 표준유(H)의 VI=100, 나프텐계 표준유 (L) VI=0 @ 37.8oC • 첨가제 = 분산제, 극압제, 점도지수 향상제, 산화방지제, 내마모제, 유동점 강화

제, 소포제



서론

회전용 모터와 감속기어

Solvent

Feed

Grid

고정환 (stator-ring)

회전반 (rotor-ring)

Grid

Extract

증발탑으로

Raffinate (정제유)

운전결과 Feed Raffinate Extract

수율, vol％ 100 62 38

비중15/4℃ 0.91 0.874 0.976

점도[email protected]℃ 10.34 7.84 17.65

점도지수 58 96 －

유동점 ℃ -20 -12.5 －

방향족/나프텐이 많이 함유되어 점도지수가 낮은 윤활유에 알맞지 않는 기름

Furfural 분자식; C5H4O2 분자량: 96.08 g mol-1

외관; 무색 액체 냄새: 아몬드 취 밀도: 1.16 g/mL (20 °C) 융점; -37 °C 비점: 162 °C 용해도: 83 g/L water

- 원료유는 탑 하부, 용매(furfural)는 탑 상부로 공급 - 탑 내에서 원료유와 용매가 혼합 - 추잔액은 탑정상으로 배출 - 추출액은 무거운 용매와 함께 탑하부로 배출

윤활유에 적합한 점도지수가 큰 기름

BTX Extraction with Sulfolane 서론

In a L-L extraction for the separation of hydrocarbons

from mercaptans, thiophenes, alcohols and/or esters.

In a liquid-liquid extraction process for the separation of

low-boiling olefins from olefin/paraffin mixtures.

For the isolation of aromatic hydrocarbons from reforming

products by sulfolane, which achieves good separation

between aromatics and paraffin, naphthenic hydrocarbons.

Extractive Processes for BTX Recovery


서론

Company

Process Solvent

Operating

Temperature Contacting Equipment Comments

Shell Process,

UOP Sulfolane 120°C

Rotating disk contactor,

up to 4 m in diameter

The high selectivity and capacity of sulfolane

leads to low S/F, and thus smaller equipment.

UOP

Udex Process

Diethylene glycol

Triethylene glycol

Tetraethylene glycol

150°C for

diethylene glycol

and water

Sieve-tray extractor

Tetraethylene glycol and water mixtures are claimed to

increase capacity by a factor of four and also require

no antifoaming agent; the extract requires a two-step

distillation to recover BTX.

Union Carbide

Tetra Process Tetraethylene glycol 100°C Reciprocating-plate extractor

The extract leaving the primary extractor is essentially

free of feed aliphatics, and no further purification is

necessary; two-stage extraction uses dodecane as a

displacement solvent in the second stage.

Institut Français

de Petróle

Dimethyl sulfoxide

(DMSO) Ambient

Rotating-blade extractor,

typically 10–12 stages

Low corrosion allows use of carbon steel equipment;

solvent has a low freezing point and is nontoxic;

two-stage extraction has displacement solvent in the

second stage.

Lurgi

Arosolvan

N-methyl-2-

pyrrolidionone

monoethylene glycol

60°C for NMP-

glycol, 35°C for

NMP-water

Vertical multistage mixer-settler,

24–30 stages up to 8 m ID

The quantity of mixing component required depends

on the aromatics content of the feed.

SNAM Progetti

Formex N-formylomorpholine 40°C

Perforated tray extractor, FM

density at 1.15 aids phase

separation

Low corrosion allows use of carbon steel equipment

Relative solubility of hydrocarbons in Sulfolane


서론

Paraffins

Naphthenes

& Olefins

Aromatics

1.0

0.1

0.01 4 5 6 7 8 9 10 11

Number of Carbon Atoms in Molecule

So

lub

ilit

y R

ela

tiv

e to

Ben

zen

e

Solubility decreases in the order dicyclic aromatics > monocyclic aromatics >

monocyclic naphthenes > monoolefins > paraffins for same number of carbon atoms

초산수용액으로부터 초산 추출공정

초산추출공정 (1) methanol carbonylation (CH3OH+CO=CH3COOH) (2) acetaldehyde의 산화공정 (3) cellulose acetate 생산공정 - 물 (nbp=100°C)에 희석되어 있는 초산 (nbp=118°C) 혼합물 - glacial acetic acid (99 wt% min)가 되도록 분리 - 혼합물로부터 휘발성 물을 증발시키는데 많은 에너지 (높은 증발열)

가 들기 때문에 증류에 의한 분리는 비경제적임 - 산업적으로 연속식 액-액 추출 공정 활용

초산수용액으로 부터 초산 추출 공정


서론

산업

공정

사례

: 초

산추

출

폐수증류탑 (EA와 폐수분리)

액-액 추출탑

초산 증류탑 (초산과 EA분리)

F

S

R

E

왜 용매를 보충하는가(Make-up solvent)? - 용매손실 - 제품오염과 더불어 환경오염을 암시 - 비경제성 요인: 폐수처리 장치 + 운전비용

산업공정 사례: 초산추출

폐수증류탑 (EA와 폐수분리)

TPA제조 시 초산용매의 보충량? ~ 1.5wt% of p-Xylene ~ 2% cost of p-Xylene price ~ 0.8% cost of TPA price 이온성액체를 용매로 사용하는 경우? (동일 손실율, 초산의 100배 가격 가정) ~ 1.5wt% of p-Xylene ~ 200% cost of p-Xylene price ~ 80% cost of TPA price

서론

single-section

extraction column

30,260 lb/h

71,100 lb/h

운전조건 평균 추출온도? 38C 초산 회수율? 99.8wt% solvent-to-feed ratio (S/F)? 2.3 분산상? 有機狀 (Organic-rich phase) 연속상? 水狀 (water-rich phase) 전기모터 power? 5-hp Impeller 회전수? 60 rpm

장치 크기 및 종류 평형단 (equilibrium stage)? 6단 rotating-disk contactor (RDC): 6단을 구현하는데 기계적교반장치가 선호 탑 내경? 5.5ft (1.7m)

탑 높이? 28ft (8.5m), HETS? 50 in. 탑의 구획 갯수? 49개의 compartment 구획의 높이? 7.5 in (~18cm) stator(donut) ring의 내경? 46-in (1.17m) rotor disk의 직경? 40-in (1m) 재질? stainless steel(초산)

산업공정 사례: 초산추출


서론

Ta

ble

1 I

ndu

stri

al L

iqu

id-L

iqu

id E

xtr

acti

on

Pro

cess

es

산업공정의 사례


Some examples are given below:

Extraction of nitrobenzene after reaction of HNO3 with toluene in H2SO4

Extraction of methylacrylate from organic solution with perchlorethylene

Extraction of benzylalcohol from a salt solution with toluene

Removing of H2S from LPG with MDEA (Methyl diethanolamine)

Extraction of caprolactam from ammonium sulfate solution with benzene

Extraction of acrylic acid from wastewater with butanol

Removing residual alkalis from dichlorohydrazobenzene with water

Extraction of methanol from LPG with water

Extraction of chloroacetic acid from methylchloroacetate with water

서론

1. 유기용액 또는 수용액에 녹아있거나 복합체를 형성하는 無機성분 분리

2. 동물성기름 안의 color former나 호르몬과 같은 미량 성분 제거

3. cellulose acetate로부터의 초산 회수 처럼 고비점 성분이 폐수에 비교적 적은 양으로 존재할 때 (높은 증발열을 갖는 물을 많이 증발해야 하는 경비 때문에 증류와 경쟁할 만 할 때)

4. 추출이 진공증류보다 덜 비싸게 되는 열민감 물질들의 회수 (의약품, 향기, 항산화제, 그리고 식품 제품)

5. 혼합물을 상대 휘발도 보다는 化學構造에 따라 분리하는 경우

6. 용해도 差를 이용할 수 있는 비점이 유사한 액체의 분리 (증류탑100단)

7. 共沸를 형성하는 혼합물의 경우

추출이 선호되는 경우


서론

- VLE에서의 이상용액과 같은 단순한 이론이 존재하지 않음

- 많 은 경 우 에 , activity-coefficient correlation에 기본을 둔 예측보다는 실험적 평형 자료가 이용

- 실제로는 이러한 자료를 기반으로 NRTL 이 나 UNIQUAC 식 과 같 은 semi-theoretical activity-coefficient equation에 의한 상관 관계를 활용

- 착한 용매를 찾는 데에도 상당한 실험적 노력이 요구

액-액 추출에서의 열역학


열역학

(R)i

(E)i ff

)E(i

)R(i

)R(i

)E(i

Dx

xK

i

(E)

(R)

)E(ix

)R(ix )R(

i

)E(i

(R)i

(E)i ff

)R(i

)R(i

)R(i

)E(i

)E(i

)E(i fxfx

00

액-액 시스템에서의 평형 열역학

(R)i

(E)i μμ

RTexpCf ii

:fugacitypartial

0iiii fxf

Physical Equilibrium of two liquid phases (Extract & Raffinate)

(E)

(R)

)E(ix

)R(ix )R(

i

)E(i

)R(i

)E(i ff

00

(R)

(E)

Mole fraction expression

)E(i

)R(i

)R(i

)E(i

Dx

xK

i

i

ii

x

xX

1

)E(i

)R(i

D)R(i

)E(i'

Dx

xK

X

XK

ii 1

1

3성분 액-액 시스템에서의 분배계수의 정의 열역학

Mole ratio expression

xi값들이 작으면 K’D는 KD에 접근한다.

분배계수 = K-value = KD=x(E)/x(R)

(E)

(R)

)E(ix

)R(ix )R(

i

)E(i

)R(i

)R(i

)E(i

)E(i xx

추출에 영향을 미치는 인자

1. 유입되는 공급액 조건 (유량, 조성, 온도, 압력) 2. 단 형식 (one-section 또는 two-section) 3. one-section cascade에서 용질의 회수도 4. two-section cascade에서 공급액의 분리도 5. 용매의 선택 6. 운전 온도 7. 운전압력 (계의 bubble point 보다 높아야 한다 ) 8. One section cascade에 대해서는 최대 용매유량과 실제 용매유

량(최소 유량의 몇 배로 계산), 그리고 two section cascade에서는 환류속도와 최소환류비

9. 평형단수 10. 에멀젼화와 scum 생성 경향 11. 계면장력 12. 상 밀도차 13. 추출기의 형태 14. 추출기 크기와 교반기 필요 동력


설계

Outlook


서론



평형단수결정


1. carrier와 비교하여 용질에 대한 選擇性이 높을 것 (용매로부터 carrier 회수 비용 최소화)

2. 용질에 대한 용해력이 클 것 (S/F 최소화)

3. Carrier에 용해되지 말아야 할 것 (不溶性)

4. 安定性 (용매의 사용기간 최대화, 용매보충 최소화)

5. 不活性 (보통의 재질 사용)

6. 용매의 揮發度는 용질의 휘발도와 현저히 다를 것 (용매 회수를 증류를 통하여 하는 데 있어서 증기압이 너무 높아서 추출 압력이 높아지지 말아야 하고. 또 증기압이 너무 낮아서 증류에 의한 용매 회수시 온도가 너무 높아지지 않을 것),

7. 低粘度 (상분리를 촉진하고 압력강하를 최소화하고 용질의 높은 물질전달을 제공…)

8. 無毒性 / 不燃性 (안전한 운전이 가능하도록…)

9. 비교적 낮은 가격 (경제성),

10. 적절한 계면장력 (분산은 쉽게 되고, 상분리는 잘 되도록..),

11. Carrier와 비교해서 密度差가 클 것 (추출탑에서의 큰 유량이 처리되도록…),

12. 용질과 carrier과의 compatibility (오염 방지)

13. 狀界面에서 scum layer나 stable rag을 형성하는 경향이 없을 것,

14. 추출기 내부를 잘 wetting시킬 것

용매는 위에 열거한 모든 성질들 사이에서 절충하여 선정하지만 가장 중요한 것은 (1) 선택성,

(2) 환경고려, (3) 처리능력이다.

이상적인 용매의 덕목 理想的인 溶媒는 다음의 성질을 갖고 있어야 한다:


용매


열역학적으로 high solvent capacity를 위하여는 (KC)D가 커야 하고, solvent recovery가 용이하기 위해서는, (KS)D가 가능한 한 크고 (KC)D가 가능한 한 작음으로써 raffinate에서의 용매의 양이 작고, extract에서 carrier의 양이 작아야 한다. water–rich feed가 분리되어야 할 때에는 유기용매를 선정하고; organic-rich feed에 대해서는 수용액 용매가 자주 선정된다. 양쪽 경우의 모두에서, 용질의 activity coefficient를 낮추는 용매를 선정하여야 한다. molecule group interaction를 이용하여 활동도계수를 계산하면, 액-액 평형자료를 찾기 전에 용매를 찾는 범위를 좁혀 줄 수 있다. Table 4 에는 Robbin의 작업에 기초한 Cusack의 용매선정목적을 위한 상호작용이 정리되어 있다.


용매

)E(i

)R(i

)R(i

)E(i

Dx

xK

i

Table 4 Group Interactions for Solvent Selection


용질 용매

R.W. Cusack의 용매선정목적을 위한 상호작용표

물로부터 아세톤을 추출

이 표에서 주어진 용질-용매 짝에 대한 minus(-) sign은 용매가 용질의 활성도 계수 값을 공급액 용액에서의 값보다 낮춘다는 뜻이다. 예로써 물로부터 아세톤을 추출하기를 원한다고 하자. 용질인 아세톤은 케톤이다. 그래서 표 4에서 보면 용질은 group 3에 해당되고, 바람직한 용매들은 group1과 6의 type이다. 특히 group 6에 속하는 화합물인 trichloroethane은 넓은 영역의 공급 조성에 걸쳐 아세톤에 대해 높은 capacity를 갖는 선택성 높은 용매로 알려져 있다. 그렇지만 그 화합물이 환경적으로 문제가 있다면 선택에서 제외된다. 다른 예로서 물로부터 초산을 추출한다면 용질인 초산은 group1의 acid이고 바람직한 용매는 group 2,3,4,5이다. 특히 group4의 ester중에서 ethyl acetate가 널리 사용된다. 컴퓨터를 이용하여 용매를 선정 방법 (activity coefficients를 계산할 때 에 UNIFAC group-contribution method를 사용 ) 이



용매

초산 추출의 이상적인 용매로서 Ethyl acetate


3. Solubility in water =8.3 g/100 mL (20 °C)

BP of EA = 77.1 °C BP of AA = 118 °C

1. carrier와 비교하여 용질에 대한 選擇性 이 높 을 것 ( 용 매 로 부 터 carrier를 회수하는 비용을 최소화..)

2. 용질에 대한 용해력이 클 것 (용매-공급액 比를 최소화…)

3. Carrier에 용해되지 말아야 할 것,

4. 安定性을 가질 것 (용매의 사용기간을 최대화하고 용매보충을 최소화 하도록…),

5. 非活性일 것 (보통의 재질을 사용할 수 있도록…),

6. 용매의 揮發度는 용질의 휘발도와 현저히 다를 것 (용매 회수를 증류를 통하여 하는 데 있어서 증기압이 너무 높아서 추출 압력이 높아지지 말아야 하고. 또 증기압이 너무 낮아서 증류에 의한 용매 회수시 온도가 너무 높아지지 않을 것),

1. Selectivity

용매

7. 낮은 粘度를 가질 것(상분리를 촉진하고 압력강하를 최소화하고 용질의 높은 물질전달을 제공하도록…),

8. 毒性이 없고 不燃性일 것(안전한 운전이 가능하도록…)

9. 비교적 낮은 가격 (경제성),

10. 적절한 계면장력 (분산은 쉽게 되

고, 상분리는 잘 되도록..),

11. Carrier와 비교해서 密度差가 클

것 (추출탑에서의 큰 유량이 처리

되도록…),

12. 오염을 피할 수 있도록 용질과

carrier과의 compatibility가 있어

야 한다.

13. 狀界面에서 scum layer나 stable

rag을 형성하는 경향이 없을 것,

14. 추출기 내부를 잘 wetting시킬 것

理想的인 溶媒는 다음의 성질을 갖고 있어야 한다:


초산 추출의 이상적인 용매로서 Ethyl acetate

Density of water=0.995 g/cm³ Density of EA=0.897 g/cm³

EA ~ 1,000$/ton AA ~ 700$/ton MIBK ~ 1,500$/ton IPA ~ 1,500$/ton nBA ~ 1,700$/ton

7. Viscosity=0.426 cP at 25 °C

8. The LD50 for rats is 11.3 g/kg, indicating low toxicity. Given that the chemical is naturally present in many organisms, there is little risk of toxicity

9.

11.

용매

3성분 액-액 시스템 열역학

A (carrier)

B (solute)

C (solvent)

3성분 계에서는 A와 C 서로 용해하지 않을 경우의 狀 분리 행태

(低 밀도)

Extract (추출액): 용매(S)와 추출된 용질(B)을 함유하는 액상 Raffinate (잔사액): 원료의 carrier(A)와 추출되지 않고 남은 용질(B)의 일부가 남아있는 액상

(高 밀도)

A와 C가 서로 용해하지 않을 경우

Distribution coefficient approach

A

R

B

E

BA

F

B FXSXFX)()()(

)(')( R

BD

E

B XKX B

SKF

FXX

BDA

A

F

BR

B '

)()(

ADB FSKE B /'

B

F

B

R

BE

XX

1

1/ )()(

3성분 액-액 시스템에서의 추출인자 열역학

FA = feed rate of carrier A

S = flow rate of solvent C

Feed(F)incomponentotherof)mass(moles

Bsoluteof)mass(molesXB

EB 값이 크면 클수록 더 많은 용질(B)이 추출된다. EB값이 크면 클수록 추출 안된 용질(B)의 분율이 작다. 큰 EB값은 K’DB가 크거나 S/FA가 크면 된다.

- Equilibrium

- Material balance

- Extraction factor (EB)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1)R(

B

)F(B

BX

XE

Above bubble point

- No vapor phase exist.

M point (before separation)

- Ethylene glycol : 20%

- Furfural : 61%

- Water : 19%

Equilateral Triangular LLE Diagram 열역학

A (carrier) C (solvent)

B (solute)

부분혼합

Extract

= furfural-rich phase Raffinate

= water-rich phase

miscibility boundary

= saturation curve

cloud-point titration:

50%의 glycol-furfural mixture (clear)에 water를 첨가하기 시작하여 , 2nd phase가 생김으로써 cloudiness가 생기는 조성(10% water, 45% furfural, 45% glycol)을 구한다.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Furfural_structure.png//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Ethylene_glycol.svg



B (solute)

Plait point:

Two liquids have

identical compositions

Two liquids phase region

Single phase

region

Miscibility limit for

water-furfural

5.2wt%

Miscibility limit for

water-furfural

7.9wt%

F=C-P+2

=3-2+2

=3

degree of freedom

Gibbs phase rule

MRESF

Tertiary Liquid-Liquid Systems 열역학

25℃와 101kPa에서

100g의 공급용액(F)이

200g의 용매 furfural(C)과

평형으로 접촉된 후 만들어진

抽出상과 抽殘상의 양과 조성을 구하라.

A=water

B=EG

C=furfural

E=220g

R=80g


%.)/(C

%.)/(B

%.)/(A

gC,gB,gA

REgSF

766300200100

01530045100

31830055100

2004555

300200100

furfural



B (solute)

M point (before separation)

- Ethylene glycol : 20%

- Furfural : 61%

- Water : 19%

Extract

Ethylene Glycol : %

Furfural : %

Water : %

Raffinate

Ethylene Glycol : %

Furfural : %

Water : %

Phase Splitting of Ternary Mixtures


step 1 : 삼각도표에 점 F 와 S를 찍는다.

step 2 : M의 물질수지: M = F + S =E + R

Step 3: 용매 (furfural)에 대한 수지식

)()(

)()(

F

C

M

C

M

C

S

C

ww

ww

S

F

2

1

MF

SM

S

F

M의 조성: A=18.3 wt% B=15.0 wt% C=66.7 wt%

F

M

S

)S(C

FC

)M(C SwFwwSF )(

F (공급용액) 45 wt% EG 55 wt% water


F

R

M

E

S


step 4 : M이 two phase region 내에 있기 때문에 이 혼합물은 tie line을 따라 2상으로 분리된다. E (추출상) A=04.5 wt% B=08.5 wt% C=87.0 wt% R (추잔상) A=56.0 wt% B=34.0 wt% C=10.0 wt%

step 5 : E, M, R 의 선에 inverse lever rule이 적용되어 E = M(RM/ER) M = 100+200 = 300g이고 line segment의 측정에 의해 E=300(147/200)=220g, R=M-E=300-220=80g 이다.


추출에 영향을 미치는 인자

1. 유입되는 공급액 조건 (유량, 조성, 온도, 압력) 2. 단 형식 (one-section 또는 two-section) 3. one-section cascade에서 용질의 회수도 4. two-section cascade에서 공급액의 분리도 5. 용매의 선택 6. 운전 온도 7. 운전압력 (계의 bubble point 보다 높아야 한다 ) 8. One section cascade에 대해서는 최대 용매유량과 실제 용매유

량(최소 유량의 몇 배로 계산), 그리고 two section cascade에서는 환류속도와 최소환류비

9. 평형단수 10. 에멀젼화와 scum 생성 경향 11. 계면장력 12. 상 밀도차 13. 추출기의 형태 14. 추출기 크기와 교반기 필요 동력


설계

기본적으로 (1)물질전달을 일으키는 혼합 장비와 (2)평형에 도달하게 하는 상분리 장비가 갖추어야 한다 (분산-합체-침강).

沸點差에 의존하는 증류와는 달리 용매-추질-carrier액의 복잡성 때문에 액-액 추출 장치도 다양할 것이라는 것을 쉽게 예견할 수 있다.

실제로는 흡수, 탈기 그리고 증류에서의 장치와 비슷한 것들도 사용된다. 그러나 이러한 장치들은 액체의 점도들이 낮고 狀 밀도 차이가 크지 않으면 非效率的이다. 이런 이유 때문에 많은 경우 centrifugal 장치와 기계적 교반 장치들이 선호된다.

장치의 형식에 상관없이, 필요한 이론 단수는 계산할 수 있다. 연속 향류 공정을 위한 장치의 크기는 실험으로 부터 구한 HETP나 그 장치의 물질전달 성능자료로부터 얻어진다.

추출 장치 (Equipment) 장치



분산(dispersion), 합체(coalescence), 침강(settling) 장치

Droplet Growth Creaming

Formation of

Continuous

합체

coalescence

flocculation

응집

Ostwald ripening

분산(dispersion)

추출공정에서 액상 점도들이 1 cP보다 작고, 연속상과 분산상의 밀도차가

0.08 g/cm3 이상이며 두 상간의 계면장력이 30 dyne/cm 이상일 경우에는,

분산(dispersion), 합체(coalescence), 침강(settling)이 쉽게 일어난다.


분산(dispersion), 합체(coalescence), 침강(settling) 장치

추출공정에서 액상 점도들이 1 cP보다 작고, 연속상과 분산상의 밀도차가

0.08 g/cm3 이상이며 두 상간의 계면장력이 30 dyne/cm 이상일 경우에는,

분산(dispersion), 합체(coalescence), 침강(settling)이 쉽게 일어난다.

droplet growth

Formation of

dispersed phase

coalescence

flocculation

dispersion

Continuous phase

(down flow)

dispersed phase

(up flow)

coalescence

Mixer-settlers에서는 두 액상이 mixer (교반조)에서 먼저 혼합되고, settler (침강조)에서 중력에 의해 분리된다.

multistage counter current cascade로 꾸밀 수 있다.

mixer에서는 두 액 중 하나가 다른 액상 속으로 작은 droplet 형태로 분산된다. 분산상은 두 狀 중에서 무거운 것 일 수도 있고 가벼운 것 일 수도 있다.

교반조 내에서의 혼합은 평형에 도달하도록 (이론단수의 80~90%) 충분한 교반과 체류시간을 제공해야 한다.

Mixer-Settlers


장치


Mixer-Settlers 장치

(a) marine-type propeller; (b) centrifugal turbine;

(c) pitched-blade turbine; (d) flat-blade paddle;

(e) flat-blade turbine.

Some common types of mixing impellers

Droplet dispersion by radial flow impeller


장치

CiWe

NDN

23

force) tension al(interfaci

force) (intertial

45212

1252132315102371 EoT

vs

vs

iFrDReScCSh

ND

d

d

DNNN.N

2vsDEo

dN Eötvös number

d2

d1

두 번째 vessel은 settler 또는 decanter라고 부르며, 중력에 의한 침강단계가 일어난다. Fig 4에 보인 configuration은 침강조 내에서의 유입되는 two-phase dispersion이 중력 침강 공정을 방해하지 않도록 impingement baffle이 장착된 수평 침강조이다 . vertical vessel과 inclined vessel도 사용된다. 침강조 내에서의 일어날 수 있는 주된 문제점은 emulsification으로, 이는 교반이 격렬하여 분산된 액적 크기가 1~1.5 ㎛이하가 될 때 나타난다. emulsification이 일어나면 침강을 가속시키기 위 하 여 . coalescer, separator membrane, meshes, electrostatic force, ultrasound, chemical treatment 등이 요구된다.

Mixer-Settlers


장치

Fig. 4 Horizontal gravity-settling vessel


장치

중력 대신에 원심력을 사용하게 되면 침강속도를 증가시킬 수 있으며, 이 경우는 狀間의 밀도차가 작을 경우에 많이 사용된다. 많은 상업용 single- and multi-stage mixer-settler unit 들이 존재하고 있으며. Bailes, Hanson & Hughes [3]와 Lo, Baird & Hanson [4]의 H/B에 소개되어 있다. 특별히 언급할 만한 것은 탄화수소 혼합물에서 방향족을 선택적으로 추출하기 위해 개발된 Lurgi extraction tower [4]이다. 이 장치에서 狀들은 column 밖에서 single shaft로 운전되는 수직의 centrifugal mixer에 의해 혼합되고, settling은 column내에서 일어나는데 狀들은 settling zone내에 만들어진 복잡한 baffle design에 의해 유도되어 stage 사이를 흐르게 된다.

Mixer-Settlers


장치

[3] BAILES, P.J., C. HANSON, and M.A. HUGHES, Chem. Eng., 83 (2), 86-100 (1976).

[4] Lo, T.C, M.H.I. BAIRD, and CHANSON, Eds., Handbook of Solvent Extraction, Wiley-Interscience, New York (1983).

Lurgi extractor tower


Mixer-Settlers의 한 종류

장치

가장 간단하고 가장 오래된 추출 장치 무거운 狀이나 가벼운 狀中 하나가 분

산 分散狀의 液滴은 spray nozzles에 제

작 생산능력은 2狀 사이에서의 밀도 차와

狀 점도에 따라 달라지며, 기본적으로 column internal 이 없기 때문에 생산성이 큼

기체흡수에서처럼 연속상에서의 軸 방향 분 산 (axial dispersion, back mixing) 이 생 기 기 때 문 에 spray column은 단지 1~2 평형단이 요구되는 응용에만 제한

축 방향 분산은 큰 직경/길이 비를 갖는 뚱뚱한 column에서 아주 심각하여 연속상이 완전히 혼합될 수 있음

아주 낮은 건설비에도 불구하고 드물게 사용된다.

Spray Columns


장치








Spray Columns


장치

연속상 용액 in

분산상 용액 in








Spray Columns 장치

연속상 용액 in

분산상 용액 in


Spray column 에 서 의 axial mixing 은 column을 충전함으로써 실질적으로 줄일 수는 있음

Packing은 또한 커다란 액적을 작게 깸으로써 액-액의 계면을 증가시켜 물질전달속도를 개선하고 액적 모양 (droplet shape)을 찌그러뜨림으로써 액적 내의 혼합을 촉진시킴

증류와 흡수에서 사용되는 충전물이 액-액 추출에도 사용됨 (Raschig ring을 제외)

packing의 재질은 연속상에 의해 잘 젖는 것이 선호됨

(연속상=친수성, 재질=세라믹, 금속; 연속상=친유성, 재질=플라스틱)

Back-mixing 때문에 Packed column도 단지 몇 개의 평형단이 요구되는 경우에만 사용됨.

Packed Columns


장치

Fig. 6 Efficiency of 1-in. Intalox saddles

in a column 60 in. high with MEK-water-kerosene.


추출에 사용되는 Intalox saddles의 성능인 HTU를 연속상 공탑속도 (continuous phase superficial velocity)의 함수로 나타내고 있다. Back-mixing 때문에 HTU는 일반적으로 단탑 장치 보다 크다. 이 이유 때문에 Packed column도 단지 몇 개의 평형단이 요구되는 경우에만 사용된다.

장치

Sieve plates는 spray column에 비해서 axial mixing을

감소시키고, 적절한 유체흐름영역에서 조업이 되면 분산

액적은 각 단에서 합체하고 분산하여, 추출속도를 높임

가벼운 상이 분산될 때, 분산상은 증류에서의 vapor

bubbles와 유사하게 , 각 tray에서 재 분산되면서

column의 위 방향으로 흐르고 무거운 상은 연속상으로

서 각 단에서 downcomer를 통하여 아랫단으로 내려가

고 거기서 tray를 가로 질러 흐르고, 무거운 상이 분산되

면, 연속상인 가벼운 상은 upcomer를 통하여 윗단으로

상승함

Plate들은 보통 하강유로에서의 weir가 없이 만들어짐

직경이 4.5m 보다 더 큰 것도 건설된 바가 있으며, Hole

의 직경이 0.64~0.32cm, hole간의 간격이 1.25~1.91

cm인 plate column이 보통 사용되고 있음

낮은 계면장력을 갖는 대부분의 응용에서 Tray spacing

은 증류탑 보다 훨씬 작아 10~15cm를 사용한다.

증류조작에서와 같이 flooding과 entrainment를 가지며,

약하게 weeping 같은 한계도 있음

Sieve Plates Column


Plate hole

coalesce

No

weir

downcomer

Dispersed

droplet

가벼운 상이 분산될 때

Continuous

phase

장치

기계적 교반이 필요한 경우 (중력이 분산과 난류의 생성에 불충분한 경우) (1) 두 狀間의 계면장력이 높다. (2) 두 액상 간의 밀도차가 낮다. (3) 액체 점도들이 높다. 이런 경우에 단위 volume당 계면을 증가시키기 위하여 (물질전달 저항을 감소시키기 위하여) 기계적 교반이 필요하다.

Columns with Mechanically Assisted Agitation


장치

가장 중요한 기계적 교반탑은 column의 축 방향의 shaft에 의해 가동되는 회전 impeller들을 갖는 것들이다. Impeller는 shear mixing zone을 만들며, column내에서 settling zone과 번갈아 가면서 있게 된다. 교반탑들은 어떤 교반장치와 어떤 침강조를 사용했는가에 따라서 달라진다. Fig. 7에는 11개의 기계적 교반추출 장치를 소개하였다. 교반은 column내에서 plate를 앞 뒤로 왕복으로 움직여서 유발하거나 또는 novel horizontal contactor내에서 유발될 수도 있다.

Columns with Mechanically Assisted Agitation


장치

pneumatically pulsed perforated-plate column

Pulsed perforated-plate column


장치

Packed column 과 plate column에 대한 맥동식 교반은 seal이 없기 때문에 1950년대에 nuclear industry이나 부식성이 강한 액-액 추출에서 상당한 응용이 있었음

그러나 기계적 문제들과 맥동이 커다란 추출기 부피를 통해 전달되어야 하는 어려움 때문에 이들의 인기는 떨어짐

성능범위:20~30 m3/m3-hr


Commercial extractors with mechanically assisted agitation:

(a) Scheibel column-first design:

(b) Scheibel column-second design;

(c) Scheibel column-third design;

(d) Oldshue-Rushton (mixco) column;

(e) Rotating-Disk Contactor (RDC);

(f) Asymmetric Rotating-Disk contactor (ARD);

(g) Kuhni column;

(h) Karr reciprocating-plate column (RPC);

(i) Graesser raining-bucket (RTL) extractor.

(j) Podbielniak(POD) extractor

Columns with Mechanically Assisted Agitation 장치

(a) Scheibel Column-I

혼합영역

- Unbaffled

- turbine-type agitator

(flat bladed)

분리영역

- knitted wire mesh packing

(혼합영역 간의 back-mixin방지

와 액적들의 합체와 침강 유도)

- Mesh는 분산상에 의해 젖어야

함 Seoul National University

(b) Scheibel Column-II

큰 장치 (> 1m)에 적합

horizontal annular baffle

(혼합 영역에서의 phase들

의 vertical flow 의 방향을

전환시키고 완전 교반)

높은 계면장력과 점도를 갖

는 계에서는 wire mesh를

제거


(c) Scheibel Column-III

큰 직경(>1.5m)에 적합

효율 저하 문제

임펠러직경이 내부 baffle

의 opening 보다 작음

교반축봉을 분리하도록 함

(점검, 세척, 보수가 가능)


4개의 수직 baffle 설치

다수의 compartment

(annular outer stator-

ring baffle에 의해 분리)

flat-bladed turbine impeller

(d) Oldshue-Rushton Column


제일 많이 사용되는 추출장치

1983년까지 수백 개의 장치에 적용

horizontal disk (Rotor Disk)

annular stator ring

교반기는 column에서 쉽게 분리

Rotor의 회전 속도는 drop size를 제어

하기 때문에 rotor speed는 넓은 영역

에 걸쳐 변화될 수 있음 (변속 구동)

(e) Rotating-disk contactor (RDC)


DR

DC

H

DS

6701307060 .CC

S

C

R D.H.D

D.

D

D

RDC를 개조 (1965년 이후) 비대칭 배열 수직 baffle에 의해 분리된

contact zone과 transport zone을 제공

효율적인 교반을 유지하지만 교반칸과 분리칸이 분리 되어 있기 때문에 back mixing도 감소됨

(f) Asymmetric Rotating-Disk contactor (ARD)


vertical baffle

Horizontal baffle

Contact zone

transport zone

Scheibel 를 개조한 추출장치

구멍난 판들로 만들어진 stator

disk 들에 의해 구획으로 나눠짐

shaft 에 는 double-entry,

radial-flow, 덮개 씌운 turbine

mixer가 장착되어 각 구획 내에

서 회전운동 촉진

(g) Kuhni extraction column


double-entry,

radial-flow,

shrouded turbine mixer

6.03.02.0

6.0~33.0

C

C

R

DH

D

D

(h) Karr Reciprocating-plate column

Impeller없이 액상을 pulsing함 왕복운동거리 = ~ 1.9cm 상하 왕복운동속도 = 2회/초 체류시간이 감소되기 때문에, 특히

바이오 분리에 유용함 annular baffle plate들이 축방향

혼합을 최소화함 Hole 크기 = 9/16-in. 직경 hole area = 58% 에멀젼이 생성되거나 입자가 함유

된 공급액을 처리 가능


http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=karr+column+extraction&source=images&cd=&cad=rja&docid=7GW_RbY10PQ04M&tbnid=64csGs2AZWxucM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.specialprojects.com/equipment/4861/&ei=b0TdUZLqNY6okgXl6oCYBQ&bvm=bv.48705608,d.dGI&psig=AFQjCNGDUge9qN0ZP4geO-2Yi8-H186i8w&ust=1373541201342171http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=karr+column+extraction&source=images&cd=&cad=rja&docid=S3TR0JWlGj0UPM&tbnid=k9x36Dl4jydTaM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.montz.de/website/doku/karr.htm&ei=4EHdUcrXIpHakgXR-oA4&bvm=bv.48705608,d.dGI&psig=AFQjCNGDUge9qN0ZP4geO-2Yi8-H186i8w&ust=1373541201342171

(h) Karr Reciprocating-plate column

vibrating-plate extraction(VPE) 은 Karr column외에도 그의 변형으로 Prochazka 그리고 Tojo/Miyanami 등이 있음

응용분야 : (1)Ester, fatty acid plants, (2)Oil refinery plants, (3)Nylon, polymer plants

(4) Pesticide production plants (4) Medicine, food

manufacturing plants (intermediate)

(5)Acetic acid recovery plants (6)Phenol recovery

plants (7)Precious metal recovery plants (8)

Removal of various organic/inorganic material


http://www.spe.shi.co.jp/en/distill2.html

(i) Graesser raining-bucket contactor (RTL)

밀도차가 적고 계면장력이 낮거나 또는 현탁액을 형성하는 경향을 갖는 추출에 응용

shell 의 중앙의 수평회전 축봉에 여러 개의 disk가 장착되어 있고, disk의 원주를 따라 bucket들이 부착

Disk들간의 annular gap과 shell의 원주 내부에서 액상들간의 향류 흐름이 형성됨

분산상은 적도 근처에서 유지되고 있는 2-상 계면을 향해 각 액상이 서로 반대 방향으로 폭포처럼 떨어지면서 생성

Graesser raining-bucket contactor (RTL)는 액-액-현탁물 시스템 또는 60%이상의 슬러리를 함유하고 있는 추출에도 가능함

공장부지를 많이 차지 하지 않으면서 전력소비가 낮아 운전비가 절약

가동 중에 유지와 감독이 최소화 될 수 있음


shell

disk

bucket

http://www.youtube.com/watch?v=Si0QYeF5ZHc



penicillin 추출에 성공 (1944년) 처리속도범위: 0.4~600GPM POD 내에서 horizontal axis주위에 여러 개의

동심의 sieve tray가 붙어 있음 압력강하와 원심력을 극복하기 위해서 liquid

inlet pressure는 4~7 atm 임 짧은 체류시간에 5개의 이론단을 성취 HL(Heavy Liquid)는 샤프트 근처로 도입되고,

LL(Light Liquid)는 회전자의 테두리로 도입됨 원심력과 밀도차에 의하여 HL는 가장자리로 밀

려나며, HL가 perforation을 통해서 밖으로 나갈 때 LL는 사프트쪽으로 같은 부피만큼 대체됨

두 액체는 향류로 서로 접촉하면서 구멍을 통하여 이동하므로 커다란 접촉면적을 일으키게 됨

LL는 사프트 근처에서 수집하고, HL는 가장자리에서 수집함

이러한 향류조작은 분산과 합체를 계속하여 일으키면서 다단추출을 수행



단점: 고점도 액체와 고체가 많은 응용에는 제한적 (40v/v%이하) 장점: (1)독성용매에도 안전한 운전 가능 (2)공기 접촉 최소화 (산화 방지) (3)용매와 제품의 손실 최소 (4)좁은 공간, 큰 처리용량 (5)짧은 체류시간(열화 방지) (6)설치비 감소 (7)기존 공장에 추가 설치 용이 응용: 의약품: penicillin, erythromycin, tylosin, hormone, vitamin 식품: Lecithin 추출 (Vegetable oil degumming) 불순물의 중화 추출: plasticizer refining, polycarbonate washing, insecticide and herbicide manufacturing, acid and caustic treating of lube oil. 액체 이온교환 응용: hydrometallurgical extractions in mineral processing, citric acid, and waste dye extraction (During waste dye extraction, waste sulfonic acid dye is extracted from an aqueous waste stream via liquid ion exchange in the Pod). 향 류 세 정 : naphthenic acid recovery, continuous soapstock acidulation, parrafin neutralization and washing, polyol washing,

Ressinger와 Schroeter 그리고 Lo등에 의해서 소개된 상업적

추출탑에 대한 최대 처리량과 크기가 Table 2에 정리되어 있다.

Table 2에서 볼 수 있는 바와 같이 Lurgi tower과 RDC 그리고 Graesser extractor는 아주 큰 size로 제작되었다 (직경이 7-8m). 단위 단면적당 생산량은 Karr extractor가 제일 크고 Graesser extractor가 제일 적다. Table 3에는 여러 형태의 extraction의 장점과 단점이 정리되어 있다. Fig.8에는 commercial extractor의 선정알고리즘이 나와 있다. 예로써, 작은 단수가 필요한 경우에는 mixer-settler unit가 선택될 수 있다. 5개 이상의 이론단과 큰 생산성, 그리고 높은 처리량 범위 ( m3/m2h )가 필요하면서, 설치공간이 제한 될 때에는 RDC와 ARD contactor가 고려된다.

Comparison of Industrial Extraction Columns


장치

Table 2 Maximum Size and Loading for Commercial

Liquid-Liquid Extraction Columns

Comparison of Industrial Extraction Columns


대직경

단위 단면적당 생산량

장치

Tab

le 3

Ad

van

tages

an

d D

isad

van

tages

of

Dif

fere

nt

Extr

act

ion

Eq

uip

men

t


http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=lurgi+tower+extractor&source=images&cd=&cad=rja&docid=zQnU8C1BuECN-M&tbnid=TK4llc321-NyLM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.separationprocesses.com/Extraction/SE_Chp03a1.htm&ei=dkzdUd_ENY_ZkgXM_oGYAg&bvm=bv.48705608,d.dGI&psig=AFQjCNH-xwzXh8gq8wF30Le0N_adNswwpw&ust=1373543005124237

Comparison of Mixer-Settler, Pulse Column and Centrifugal Contactors


a. 5 = superior, 4 = good, 3 = average, 2 = below average, 1 = poor.

b. Considered an advantage when process chemistry requires long residence time.

c. Considered an advantage when solvent degradation is a concern.

d. Process flexibility includes such factors as the range of O/A flow ratio, the turndown in flowrate, and the ease with which the location of feed and product

streams can be changed.

장치

Fig

. 8 S

chem

e fo

r se

lect

ing e

xtr

acto

rs


Outlook


서론



평형단수결정


Hunter와 Nash의 평형단 계산 도식법 평형단

등온, 연속, 정상상태 흐름 조건으로 조업되는 3성분계의 액-액추출을 위한 향류, N-단의 추출기


F = contactor로의 feed의 mass flow rate

S = contactor로의 solvent의 mass flow rate

En = stage n을 떠나는 extract의 mass flow rate

Rn = stage n을 떠나는 raffinate의 mass flow rate

(yi)n = stage n을 떠나는 extract의 species i 의 mass fraction

(xi)n = stage n을 떠나는 raffinate의 species i 의 mass fraction

대부분의 액-액 평형자료가 몰농도 보다는 질량농도로 주어지기 때문에 질량단위로 표현한다.

F와 S의 결합에 의한 M의 overall composition

M = F + S = 250 + 100 = 350 kg

(xA)MM = (xA)FF + (xA)SS

= 0.24 (250) + 0 (100) = 60 kg

(xA)M = 60 / 350 = 0.171

(xC)MM = (xC)FF + (xC)SS

= 0.76 (250) + 0 (100) = 190 kg

(xC)M = 190 / 350 = 0.543

(xS)MM = (xS)FF + (xS)SS

= 0 (250) + 1 (100) = 100 kg

(xS)M = 100 / 350 = 0.286

M=350kg

(xA)M=0.171

(xC)M=0.543

(xS)M=0.286


Construction 1: Location of product points.

E1 (152) S (100)

F (250) RN (198)

M=350kg

(xA)M=0.171

(xC)M=0.543

(xS)M=0.286

Raffinate Extract

RN = 198 kg

E1 = 152 kg

(xA)RN = 0.025

(xA)E1 = 0.365

(xC)RN = 0.90

(xC)E1 = 0.075

(xS)RN = 0.075

(xS)E1 = 0.560


Construction 2 (Operating Point and Lines)

조작선(Operating line)은 passing stream들의 locus 이다. Fig.13에서, feed end로부터 stage들 주위에서의 물질수지식은 다음과 같다.

(5)

passing stream 들이 다르게 되기 때문에 (한쪽에서 다른 쪽으로 성분이 빠지므로) point P는 mixing point 가 아니고 DIFFERENCE POINT로 정의 된다. mixing point에 적용한 기하학적 고찰과 마찬가지로 하여 difference point로 점들간을 지나서 그린 straight line상위에 있게 된다.


mixing point는 항상 삼각도표 내부에 그리고 두 end point 사이에 존재하지만, difference point는 보통 삼각도표 밖에 F와 E1이나 RN과 S을 연결하는 선의 연장선상에 있다. Difference point의 위치를 찾기 위하여는 construction 1에 의해 찾은 point pair (E1, F)와 (S, RN)의 연결선을 그린다. 이 선을 연장 외삽하여 P를 찾는다. Fig.15에는 이 line들과 difference point P가 나와 있다.

식 (5)에 의하면 (En, Rn-1)과 같이 어떤 passing stream에 의한 다른 pair에 대한 삼각도표 상의 점들을 지나는 선들도 point P를 지나야 한다. 그래서 difference point를 operating point 라고 하고, passing stream을 나타내는 point들의 pair를 통과하고, P점까지 연장된 선을 operating line 이라고 한다.


Construction 2: Location of operating point

F = E1 + P


Operating point는 보통 삼각도표 밖에 F와 E1이나 RN과 S을 연결하는 선의 연장선상에 있다

construction 3 (Equilibrium Lines)

construction의 세 번째 형식은 평형곡선의 양쪽을 연결하는 tie line 에 관련된 것이다. type Ⅰ 도표에서 두 개의 평형상이 하나의 상으로 되는 plait point에 의해 평형곡선은 두 편으로 나뉘게 된다. 3성분 중 어느 것에 대해 임의의 stage n 에서의 물질수지식은 다음과 같다:

(7)

Rn 와 En 이 평형을 이루고 있으므로, 이들의 조성을 나타내는 점들은 삼각도표 상의 어떤 tie line의 두 끝점이다. 한 도표에서는 필요한 모든 tie line이 포함되어 있을 수 없다. Tie line들은 현존하는 실험적 또는 계산된 tie line들 사이에 중심을 취하거나, Fig.16에 설명한 두 개의 내삽 절차 중 하나를 사용하여 추가 할 수 있다.


Fig. 16 Use of conjugate curves to interpolate tie lines: (a) method of International Critical Tables, Vol. III

(b) method of T.K. Sherwood, Absorption and Extraction


Stepping off stages

Construction 1과 2가 이미 수행되어 5개의 점 F, E1, S, RN 과 P점을 구한 후에, Fig.17처럼 평형선과 조작선을 번갈아 사용하면서 평형단을 step off 할 수 있다.

feed end 인 point E1에서 시작한다. Fig 13을 참조하면 R1은 E1과 평형을 이룬다. 그러므로 construction 3에 의해 Fig.17에서의 R1은 E1 과 (점선으로) 연결되는 tie line의 반대 끝에 있어야 한다.

Fig.13에 의하면 R1은 E2를 지나간다. 그러므로 construction 2에 의해 E2는 R1과 P점을 지나고 평형선의 extract side와 교점을 이룬다.

E2로부터 construction 3에 의해 E2점을 찾고, R2점에서부터 construction 2에 의해 E3을 찾는다.

이렇게 equilibrium tie line과 operating line을 번갈아 이용하면서 우리는 아는 점 RN에 도달하거나 지나게 된다.


Fig. 17 Determination of the number of equilibrium stages.


Fig. 17 Determination of the number of equilibrium stages.

대략적으로 2.8 평형단이

필요하다


Minimum and Maximum Solvent-to-Feed Flow-Rate Ratios

앞에 설명한, 원하는 용질의 추출 정도에 필요한 평형단수를 정하는 방법은 주어진 solvent-to-feed 유량비에서의 얻은 것으로, 이 값은 무한대의 단이 필요한 경우인 minimum ratio보다 큰 값이며, 미리 가정한 것이다. 실제로는 minimum ratio를 먼저 정한다.

본질적으로, 증류, 흡수와 탈기에서와 같이 무한대 단수가 평형선과 조작선이 만나는 pinch point에서 일어나는 것처럼, set 4 를 N = ∞ 에서 풀어야 한다.

3성분계에서는 pinch point가 tie line 과 operating line이 일치할 때 일어난다. Pinch point의 위치가 cascade의 feed end 쪽에서만 있는 것이 아니기 때문에 계산은 좀 복잡하게 얽혀 있다.


Fig. 18 Determination of minimum solvent-to-feed ratio

pinch point 는 RN에서 가장 멀리 떨어진 점 Pmin 에 해당한다


Fig.18에 보인 ethylene glycol(A)-water(B)–furfural(S)계를

생각해 보자. point F, S, RN은 specify되었지만, solvent rate

가 아직 specify되지 않았기 때문에 E1은 specify되지 않았다.

point S 와 RN 을 지나는 operating line 을 diagram의 좌

우로 연장시켜 그린다. 이 line은 RN에 S를 첨가하여 정하는 모

든 가능한 material balance들의 locus이다. 다음에 각 tie

line을 연장시켜 line 과 교점을 만들어 pinch point가 되

도록 한다.

이 방법으로 연이은 intersection P1,, P2, P3 등등을 찾는다. 이 점들이 Fig.18에서처럼 diagram의 raffinate side에 있게 되면, pinch point 는 RN에서 가장 멀리 떨어진 점 Pmin 에 해당한다. 만일 triangular diagram이 이 점을 정확히 정할 수 있을 만큼 충분한 수의 tie line을 갖고 있지 않다면 Fig.16에서 설명한 방법에 의해 추가적인 tie line들을 도입한다.

OL

OL


Fig.18에서 우리가 P1보다 RN 에서 더 멀리 떨어진 점 Pi 를 제공하는 tie line이 없다고 가정하면, P1 = Pmin 이다. Pmin 을 알고 나면, point F로부터 조작선을 그려 평형곡선의 extract side와 교점을 이루는 곳에서 E1을 구할 수 있다. 이제 4개의 점 S, RN, F와 E1의 조성으로부터 mixing point M을 찾을 수 있고, Smin /F 에 대해 다음의 material balance를 세울 수 있다:

(8)

(9)

(10)


Smin 보다 큰 용매 유량이어야 유한한 수의 단수로 추출을 수행 할 수 있다. Fig 18 에서는 Pmin 보다 더 오른쪽에 즉, RN 에서 더 멀리 떨어진 operating point P 에 상응하는 solvent rate를 선정해야 한다. 합리적인 S 값으로는 1.5 Smin 이 될 수 있다.

그림18로부터 우리는 (xA)M = 0.185를 찾고, 이 값으로는 식 (10)에서 Smin/F = 0.30을 구한다. 예제에서 S/F = 0.40 이므로 S/Smin = 1.33이다 (합리적이다!).




D


(xA)M = 0.185

M=350kg

(xA)M=0.171

(xC)M=0.543

(xS)M=0.286

3001850

1850240.

.

..



Mmax=D’max F/Smax=~16

D’min

D

Mmin

(xA)M = 0.185 F/Smin=3 Seoul National University

(xA)M = 0.185

M=350kg

(xA)M=0.171

(xC)M=0.543

(xS)M=0.286

3001850

1850240.

.

..



Mmax=D’max S/Fmax=~16

D’min

D

Mmin

(xA)M = 0.185 S/Fmin=3 Seoul National University

(xA)M = 0.185

M=350kg

(xA)M=0.171

(xC)M=0.543

(xS)M=0.286

3001850

1850240.

.

..

Outlook


서론

평형 및 추출 실험


평형단수결정


추출 성능의 이론과 스케일업 설계

앞의 방법에 의해 평형단수가 정해진 다음에 Fig.8의 알고리즘을 사용하여 적절한 추출 장비가 선정한다. 화공산업에서의 선택은 종종 (1) mixer-settler의 다단이거나 (2) 기계적 교반을 하는 다단 column 형태의 추출기 중에서 이루어지고, 주된 고려 사항은 필요한 단수와 floor space 그리고 headroom 확보 등이다. 생물분야에서는 Karr Column과 POD중에서 선택한다. 지 금 부 터 추 출 기 의 크 기 와 필 요 동 력 (power requirements)를 결정하는 방법이 소개 한다. 또 기계적 교반이 없는 column device도 간단히 고려한다.


Mixer-settler장치의 크기는 실험실적 또는 파일럿 장치에서 회분식이나 연속으로 운전한 자료를 바탕으로 스케일업하는 것이 가장 정확하지만 이론과 경험식을 사용하여 예비 계산을 할 수도 있다.

Flynn과 Treyval [34]의 실험에 의하면, 액상 들의 점도가 5 cP이하 이고, 두 액상간의 비중차가 약 0.10 보다 클 때에 교반조 내에서 최소한 90%의 단 효율을 성취하기 위한 교반조 부피당 교반동력이 1000 ft-lbf/min-ft

3 (4hp/1000gal) 일 때 필요한 체류시간은 제일 낮게는 30s 그리고 보통 5 min 이상이 되지는 않는다.

Ryan, Daley & Lowrie [35] 그리고 Happel & Jordan [36])에 의하면, 침강조의 성능은 상-분리 면적의 단위 ft2당 합해진 추출액과 추잔액의 5 gal/min ft2 으로 표현될 수 있다. 수평 원통형 침강조 L/DT의 경제적 비는 대략 4 이다. 만일 상계면의 높이가 침강조의 중간에 위치한다면, 상분리면적 (disengaging area)는 DTL 또는 4DT

2 이다. 일반적으로 침강조는 교반조 보다 크다.

Mixer-Settler 설계 설계


향류로 운전되는 직렬 연결된 여러 개의 mixer-settler에서 벤조산이 희석된 수용액으로 부터 벤조산이 톨루엔을 추출용매로 하여 연속적으로 추출된다. 공급액과 용매유량은 각각 500 과 750 gal/min 이다. 각각의 교반조에서의 체류시간 tres가 2 min 이라고 가정하고, 침강조 용량이 5 gal/min-ft2 이라고 할 때 다음을 계산하라:

(a) H/DT =1일 때 교반조의 직경(DT)과 높이(H),

(b) 교반조에 대한 교반동력 (agitator horsepower),

(c) L/DT = 4일 때 침강조의 직경(DT)과 길이(L),

(d) 침강조에서의 체류시간 (tres, min)

교반조-침강조 (Mixer-Settler)

침강조의 상분리 면적 (disengaging area)= DTL

L

DT


설계

Mixer-Settler의 설계


설계

두 액상이 하부로 들어가고 두 상의 에멀젼으로 된 유출물은 상부에서 나감

stagnant fluid region을 배제하기 위하여는 둥근 헤드들이 선호

공기나 다른 기체 들은 용기에서 배출시켜서 기-액 계면은 존재하지 않음

flat-blade turbine 선정

교반조의 용기의 높이가 직경보다 크지 않은 한 single turbine으로 충분하고 높이가 큰 경우에는 둘 또는 그 이상의 impeller 가 장 착 되 는 compartment vessel이 사용된다.

액체로 꽉 채워져 운전되는 닫힌 형 용기에서 vortex는 일어나지 않지만 , swirling을 최소화하고 회전 형태를 개선하기 위하여 baffle이 장착한다.

Mixer-Settler의 설계


H/DT = 1

Di/DT = 1/3

W/DT = 1/12

Hi/H = 1/2

DT=7.9 ft

L=31.69 ft

설계

Fig. 36 Power consumption of agitated vessels. (b) Power correlation for six-bladed, flat-blade turbines with no vortex


6-bladed, flat-blade turbine

설계

Laity, D.S., and R.E. Treybal, AIChE J., 3, 176-180 (1957)

Laity & Treybal [38]의 의한 6-bladed, flat-blade turbine을 갖는 baffle

이 있는 교반조에서의 실험값이 그림 36b 에 나와 있다. 실험자료는

impeller NRe가 효율적인 액-액 교반이 이루어지는 난류 영역에서만 얻었다. 실험자료 들은 액-액 혼합에서 얻은 것이며, 2상 혼합물의 밀도와 점도를 다

음과 같이 계산하였을 때 단일상 곡선(실선은 단일상의 액체의 회분식 교반)

과 잘 일치한다:

교반조의 소요동력

(23)

(24)


설계

Skelland & Ramsay [39]와 skelland & Lee[40]에 의하면, baffle이 있는 교반조에

서의 flat-blade turbine에 대해 한 액체를 다른 액체 내로 완전하고 균일하게 분산시

키기 위하여는 최소 임펠러 회전속도(minimum impeller rate of rotation)는 다음과

같다.

∆ρ = 밀도차의 절대값

σ = 두 액상 간의 계면장력


(25)

설계

5.7

95,700

최소 임펠러 회전속도 (N)를 알면 아래 그래프로부터 최소 소요동력을 얻는다.


물에 희석된 furfural이 toluene에 의해 25°C에서 그림 35에 보인 형태의

교반조에서 추출된다. 공급액(Feed)은 20,400 lb/h로 유입되고 용매는

11,200 lb/h로 들어간다. 2min의 체류시간에 대해 두 상을 각각 분산상으

로 하여 다음을 예측하라:

(a) 교반조의 크기와 flat-blade turbine impeller의 직경

(b) 완전하고 균일한 분산을 위한 최소 임펠러 회전속도

(c) 최소 교반 속도에서의 교반기의 소요동력

교반조 추출기의 설계 설계

교반조 임펠러의 직경


설계

(a) 교반조 부피 V = (QF+QS)·tres

= (327+207)·(2/60)=17.8 ft3

DT = H 인 실린더로 가정하고

V = πDT2H / 4 = πDT

3 / 4

DT = (4 V / π )1/3 = [(4) (17.8) / 3.14]1/3= 2.83 ft

H = DT = 2.83 ft

이므로 교반조의 직경과 높이를 각각 3 ft로 한다.

또 Di/DT=1/3 로 가정하면 임펠러 직경은 다음과 같다.

Di = DT / 3 = 3 / 3 = 1 ft

Hi = DT / 2 = 3 / 2 = 1.5 ft

W = DT / 12 = 3 / 12 = 0.25 ft



설계


1.43 1.5(2.16)(0.612)1 5.72 /

0.388 1.43 2.16M lb h ft


설계

Eq (25)로부터 American Eng. Unit로 g = 4.17 x 108 ft/h2 를 쓰면

이므로,

Nmin= 9,250 rph = 155 rpm

경우2: 추출상이 분산되는 경우 (앞의 경우와 비슷하게 계산)

Nmin= 8,820 rph = 147 rpm

교반조에서 최소 임펠러의 회전속도

219

5 2 2 5 8 2 2

(5.72)(719000)3.47 10

( ) (1) (59.2)(4.17 10 ) (8.1)

M

i MD g

2 2.76 0.106 19 0.084

min 1.03( )( ) (3.47 10 )T

D

M i i

g DN

D D

82.76 0.106(0.17 10 )(8.1) 31.03[ ]( ) (0.612) (0.0704)

(59.2)(1) 1

4.17


설계

minimum impeller rate of rotation

(c) 경우 1 – 추잔상이 분산되는 경우:

Eq (22)로부터,

Fig.36 b로부터 완전 난류흐름이므로 NPo = 5.7 (접근값)이다.

Eq (21)로부터 ,

P = NPo N3Di

5ρM/gc

= (5.7)(9250)3(1)5(59.2)/(4.17x108)

= 640,000 ft-lbf/h = 0.323 hP

P/V = 0.323 (1,000)/159 = 2.0 hP/1,000 gal

경우 2 –추출상이 분산되는 경우: (위의 경우와 비슷하게 계산)

P = 423,000 ft-lbf/h = 0.214 hP

P/V = 0.214 (1,000)/159 = 1.4 hP/1,000 gal


4

2

10579725

25992501 .

).(

).)(()(N

Re


설계

5.7

95,700

교반동력이 4hp/1000gal 일 때 필요한 체류시간은 제일 낮게는 30s 그리고 보통 5 min 이상이 되지는 않는다. 2min

분산이 완벽하고 균일할 때 교반조 내의 두 상의 각각에 있는 용질의 농도는 균일하

고 교반조를 떠나는 two-phase emulsion에서의 농도와 같다. MacMullin과

Weber [41]는 화학반응기 CSTR을 처음으로 액-액 추출에 적용하여, 추잔액을 분

산상으로 한, 액-액 추출에 대한 Murphree 분산상 효율은 용질에 대해서 다음과 같

이 표현된다.

CD* = 유출되는 연속상에서의 bulk 용질농도 CC,out와 평형을 이루는 용질농도


(26)


설계

분산상에서 연속상으로의 용질의 물질전달속도는 다음과 같다.

그리고 a 는 액상의 단위 부피당 계면적이고 V는 교반조 내에서의 액상 총 부피이며,

KOD는 분산상에 기본을 둔 총괄물질전달계수로 분산상과 연속상의 각각의 저항의

합으로 나타낸다.

두 상의 계면에서는 평형이 가정되며 m는 cC vs. cD 로 plot된 용질의 평형곡선의

기울기이다:

희석용액에서 추잔액과 추출액의 부피유량의 변화는 작으므로, 분산상 내에서의 용

질의 농도 변화를 기반으로 한 물질전달속도는 물질수지로 주어진다:

여기서 QD 는 분산상의 부피유량이다.


(27)

(28)


설계

(30)

DC dCdCm (29)

KODa의 항으로 EMD의 표현식은 Eq (26)과 (27) 그리고 (30)을 결합하여 얻는다:

이 식의 오른편 항은 완벽하게 교반되는 혼합조에서 cD = cD,out일 때의 number of

dispersed-phase transfer unit이다.

Eq (27)과 (30)을 같게 놓으면

Eq (31)과 (32)를 결합하고, EMD에 관해 풀면 다음이 된다:

NOD = (KODaV / QD) >> 1 일 때 EMD = 1 이다.


(31)

설계

(32)

(33)

EMD를 추정하기 위하여는 물질전달에 대한 계면적 a와 분산상 물질전달계수 kD 와

연속상 물질전달계수 kC 에 대한 실험 data의 generalized correlation 들이 필요하

다는 것을 알 수 있다.

교반조 내에서는 분산상 액적들의 다양한 크기로 분포되어 있으며 많은 형태로 존

재한다. 따라서, 각 액적에 대해 Lewis, Jones & Pratt [42]의 방법을 따라서 구형

액적의 상당직경 (equivalent diameter), de, 을 정의한다:

여기서 d1과 d2는 ellipsoidal drop image의 major axis와 minor axis이다. 구형 액

적에 대해서 de는 액적의 직경이다. 물질전달 계산에서는 표면적평균 직경, dvs

(Sauter mean diameter, surface-mean diameter)가 가장 적절하다. 왜냐하면 이

것이 질량이 같은 액적은 같은 계면적 (interfacial surface area)을 주는 평균 직경

이기 때문이다. 정의에 의해 N개의 액적에 대한 실험적 액적크기분포 자료로부터

구한다:

액적의 크기와 계면적

(34)


설계


(36)

(35)

d1과 d2는 ellipsoidal drop image의 major axis와 minor axis이다.

d2

d1

2.2cm

4821272 312 .)..(de


설계


(37)

CiWe

NDN

23


force) (intertial


설계

(38)

(39)

상업용 추출장치에서의 전형적인 NWe 값은 10,000 보다 작기 때문에 주로 Eq (38)

이 적용된다. dvs/Di 값들은 일반적으로 0.0005 에서 0.01까지의 영역 내에 있다.

Chen & Middleman [46] 과 Sprow [47] 같은 실험 자료에 의하면 교반조 내에서

만들어지는 분산은 dynamic phenomenon 이다.

Turbulent pressure fluctuation에 의한 액적깨짐(droplet breakup)이 impeller

blade의 근처에서 주로 일어나고, 반면에 reasonable dispersed-phase holdup에

대해, 충돌에 의한 액적의 합체는 impeller에서 먼 곳에서 주로 일어난다. 그러므로

액적의 크기 분포가 교반조 내에 존재하며, impeller blades 근처에는 작은 액적 들

이 있고 , 먼 곳에는 큰 액적 들이 존재한다 . 전형적으로 drop breakup과

coalescence가 일어나면, drop-size distribution은 다음처럼 된다. 따라서 액적의

크기는 약 10배에 걸쳐 변하고, 분포는 정규Gaussian 분포가 된다.


min / 3vsd d max 3 vsd d


설계

Droplet dispersion by radial flow impeller


장치

CiWe

NDN

23


force) (intertial

45212

1252132315102371 EoT

vs

vs

iFrDReScCSh

ND

d

d

DNNN.N

2vsDEo

dN Eötvös number

d1

d2

Di


3 2(1) (8820) (62.3) / 718800 6742weN

CiWe

NDN

23


설계

kD의 크기는 액적의 직경, 용질의 확산계수, 그리고 액적 내

부에서의 유체운동에 따라 달라진다. Davies [48]에 의하

면

(1) 액적의 직경이 1 mm보다 작으면, 계면장력이 크고 (>

15 dyn/cm), 계면활성제가 아주 미량 존재할 때, 액적

은 강체 (internally stagnant) 처럼 행동한다. (물질전

달 솓고기 낮음)

(2) 액적이 커짐에 따라 계면장력이 감소하고 계면활성제가

비교적 비효율적이 되어, 연속상의 점성 마찰 drag에

의해 생기는 toroidal fluid circulation pattern이 액적

내부에 생긴다.

(3) 더 큰 직경에서는 액적의 형태가 spheroid와 ellipsoid

또는 다른 형태간에 oscillate할 수 있다.

교반조에서의 물질전달계수


설계

Davies, J.T., Turbulence Phenomena, Academic Press, New York, p. 311 (1978).

http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=WzpQzlD5ucbjyM&tbnid=TDsqMYwcPVfWQM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.happehtheory.com/2011/07/16/a-bar-magnet-and-its-magnetic-field-are-a-representation-of-a-human-body/&ei=YPebU_jBJY-m8AXHhoDgCg&bvm=bv.68911936,d.dGc&psig=AFQjCNEfaqatazWz8dcrmXjBgtPHUUCQaw&ust=1402816627098236http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=WzpQzlD5ucbjyM&tbnid=TDsqMYwcPVfWQM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.happehtheory.com/2011/07/16/a-bar-magnet-and-its-magnetic-field-are-a-representation-of-a-human-body/&ei=YPebU_jBJY-m8AXHhoDgCg&bvm=bv.68911936,d.dGc&psig=AFQjCNEfaqatazWz8dcrmXjBgtPHUUCQaw&ust=1402816627098236

연속상에서의 물질전달계수는 액적과 연속상 간의 상대운동에 따라 달라지며, 액적

들이 생성하느냐 깨지느냐 또는 합체하느냐에 달려있다.

Marangoni 효과라고 불리는 계면운동 또는 난류가 표면장력구배에 의해 일어나며,

이런 효과는 물질전달속도의 크게 증가시키기도 한다.

식 (28)에서의 총괄 물질전달 계수, KOD의 비교적 보수적인 예측은 rigid drops와

Marangoni effect 가 없다는 가정과 stable drop size (drop forming 이 나

breaking 이나 coalescing 이 없는)를 가정하면서 kD 와 kC 를 추정하여 계산할 수

있다.



설계

액-액 시스템에서의 물질전달은 (1) 분산상 액적, (2) 연속상, (3) 계면에서 일어난

다.

45212

1252132315102371 EoT

vs

vs

iFrDReScCSh

ND

d

d

DNNN.N

0.0985C

D

dCm

dC

kD에 대해서는 주변의 저항을 무시하는 강체 구 (rigid sphere)내에서의 물질전달에

대한 asymptotic steady-state solution이 Treybal [25]에 의하여 NSh 로 주어져

있다.

연속상 NSh,C 에 대한 합리적인 추정값이 Skelland & Moeti [50]의 semi-

theoretical correlation(180 실험값)으로 계산될 수 있다.


(40)


설계

45212

1252132315102371 EoT

vs

vs

iFrDReScCSh

ND

d

d

DNNN.N

(50)

CC

CSc

DN

C

CiRe

NDN

2

g

NDN iFr

2

2vsDEo

dN Eötvös number

Ex 5와 6의 system, 조건, 결과에 대해 extract를 분산상으로 하여 다음을 계산하

라.

(a) 분산상의 물질전달계수: dispersed-phase mass transfer coefficient, kD

(b) 연속상의 물질전달계수: continuous-phase mass transfer coefficient, kc

(c) 머피 분산상 효율: Murphree dispersed-phase efficiency, EMD

(d) Furfural의 추출분율, f : Furfural의 fractional extraction

Furfural의 toluene(dispersed)에서의 molecular diffusivity:

Furfural의 water(continuous)에서의 molecular diffusivity:

희석조건에서의 distribution coefficient:



설계

5 2

5 2

8.32 10 /

4.47 10 /

D

C

D ft h

D ft h

0.0985C

D

dCm

dC

(Solution)

(a) kD (분산상의 물질전달계수)는 Eq (40) 으로부터 구한다.

(b) kC (연속상의 물질전달계수) 는 Eq (50)으로 부터 구한다.


777)107(62.3)(4.4

2.1655

CC

CSc

DN

254000

(2.165)

3)(8820)(62.(1)22

C

CiRe

NDN

1870)10(4.17

(1)(8820)8

22

.g

NDN iFr

ft/h 4400.00124

108.326666

-5

..d

D.k

vs

DD

45212

1252132315102371 EoT

vs

vs

iFrDReScCSh

ND

d

d

DNNN.N

1806

0.00124

i

vs

D

d

04830(718800)

)10(4.170124)(54.2)(0.0 822

.d

N vsDEo

00041303

0.00124.

D

d

T

vs

10904830000413080618703880254000777102371 452121252132315 //////sh .....N

663

2 2 .D

dkN

D

vsDDSh

h/ft.

.

.

d

DNk

vs

cshc 933

001240

10474109 5

이 Sherwood 수는 infinite quiescent fluid 에서의 single droplet에 대한 값 2 보다 훨씬 큰 값이다.

(c) Eq (28)로부터

Eq (32)으로부터

10.206 1880 387ODK a h

10.206 /

(1/ 0.44) 1/[(0.0985)(3.93)]ODK ft h

Ex 6의 결과로부�

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