Körömvirág szuperkritikus extrakciójának modellezése

Nagy BenceTémavezető: Dr. Simándi Béla

Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék2007. február 7.

Szuperkritikus extrakció szén-dioxiddal

Előnyei

alacsony a kritikus hőmérséklete

nem káros az egészségre

nem tűzveszélyes és nem korrozív

nem szennyezi a környezetet

kritikus hőmérséklete: 31,06°Ckritikus nyomás: 73,8 bar

Hátrányai

csak apoláris komponenseket old (javítható kisegítő oldószerekkel)

nagy beruházási költség

Szuperkritikus extrakciós készülék

I. szeparátorExtraktor

CO2 tartály

HűtőFolyadék szivattyúHőcserélő

II. szeparátor

Hőcserélő HőcserélőHűtő

SzelepSzelep SzelepSzelep

Körömvirág szuperkritikus extrakciójának modellezése

kísérlet pE (bar) TE (°C)

25. 250 4026. 300 4027. 350 4028. 400 4031. 450 4032. 450 4033. 450 40

egy elsőrendű kinetikán alapuló modell

Az extrakció műveletének leírására használt modellek:

Sovová modell

Elsőrendű kinetikán alapuló modellElsőrendű kinetika szerint a hozam az idő függvényében az alábbi két paraméteres modellel írható le.

kísérlet Yv k R2

25. 6,365 0,00725 0,999626. 6,153 0,01036 0,999827. 6,490 0,01176 0,997428. 6,655 0,01055 0,996331. 6,689 0,01130 0,994532. 6,368 0,01241 0,993133. 6,350 0,01434 0,9987

ktv eYY 1

k sebességi koefficiens [1/min]

Az elsőrendű kinetikán alapuló modell paramétereit (Yv, k) Statistica segítségével illesztettük kísérleti eredményeinkre.

Y hozam [kg/kg]

t idő [min]

Yv maximális hozam [kg/kg]

A nyomás hatása az extrakció paramétereire

2 5 0 3 00 3 5 0 4 00 4 5 0

p [ba r]

0 ,0 0 0

0 ,0 0 2

0 ,0 0 4

0 ,0 0 6

0 ,0 0 8

0 ,0 1 0

0 ,0 1 2

0 ,0 1 4

0 ,0 1 6

k

2 50 30 0 35 0 4 00 4 5 0

p [ba r]

1

2

3

4

5

6

7

Yv

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0 0 0

0 ,0 0 2

0 ,0 0 4

0 ,0 0 6

0 ,0 0 8

0 ,0 1 0

0 ,0 1 2

0 ,0 1 4

0 ,0 1 6

k

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

1

2

3

4

5

6

7

Yv

Sovová modellA Sovová modell a hozamot az idő függvényében az alábbi egyenletekkel írja le:

t

)exp(10

QxY

Qq

)]1(exp[0

kZQQq

xY kQ

q

)1(exp1)exp(1ln11

0

qQqSS

SxY

k

k

Y hozam [kg/kg]

x0 kezdeti koncentráció [kg/kg]

Q, S, q, dimenziómentes modellparaméterek [-]

dimenziómentes idő [-]

amikor elfogy a felületről az oldható anyag [-]

A Sovová modell paraméterei

fm

ymxm

f

s

0

sf

fpfs

makm

Q

)1(

ym

xakmS

f

pss

)1(0

y* oldhatóság, az extrakció nyomásán és hőmérsékletén [kg/kg]

xo kezdeti koncentrációja a vázanyagban [kg/kg]

f, s a fluidum és a szilárd vázanyag sűrűsége [kg/m3]ap a szilárd szemcsék fajlagos felülete [m2/m3]

kf, ks anyagátadási tényező a fluid és a szilárd fázisban [m/s]q a szilárd vázanyag belsejében lévő anyaghányad [-]

ms a bemért anyag tömege [kg]

az oldószer tömegárama [kg/s]

Modellezés menete a Sovová modell esetén

Paraméterek meghatározása

Egyszerű kísérletekkel

Empirikus egyenletekből

A modell egyenletek illesztése a kísérleti eredményekre, hiba minimalizálása Solverrel

Illesztett paraméterek

A paraméterek ismeretében számítható a hozamgörbe az idő függvényében valamint a koncentráció profil az extraktor belsejében

bemért anyag tömege (ms)

oldószer tömegárama (mf)

kezdeti koncentráció (x0)

halom ( és anyagsűrűsség (s)

fajlagos hézagtérfogat ()jellemző szemcseméret (dj)

egyenletességi tényező (n)fajlagos felület (ap)

oldószer sűrűssége (f)

oldhatóság (y*)diffúziós tényező (D12)

anyagátadási tényező a fluid fázisban (kf)

modellparaméterek (Q,)

modellparaméterek (S,q)anyagátadási tényező a szilárd fázisban (ks)

Kiindulási paraméterek

Egyszerű kísérletek:

kísérlet ms mf s x0 ap

száma kg kg/h kg/m3 kg/m3 % - m2/m3

25. 0,8685 6,857 320,1 1275 7,39 0,7489 694326. 0,8678 6,948 305,2 1275 7,39 0,7606 662027. 0,8691 6,921 317,3 1275 7,39 0,7511 688328. 0,8688 6,857 343,4 1275 7,39 0,7307 744731. 0,8688 6,825 330,2 1275 7,39 0,7410 716232. 0,8691 6,809 331,7 1275 7,39 0,7398 719533. 0,8675 6,851 327,7 1275 7,39 0,7429 7109

kísérlet f D12 kf y* Q száma kg/m3 m2/s m/s kg/kg s -

25. 881,5 4,94E-09 5,53E-06 0,003163 10652 48,1926. 911,5 5,03E-09 5,32E-06 0,003691 9003 47,3227. 936,2 5,11E-09 5,10E-06 0,004175 8002 46,8528. 957,2 5,17E-09 4,88E-06 0,004624 7289 46,2331. 975,6 5,22E-09 4,66E-06 0,005049 6708 45,2132. 975,6 5,22E-09 4,66E-06 0,005049 6726 45,3233. 975,6 5,22E-09 4,66E-06 0,005049 6673 45,00

Kiindulási paraméterek

Számítások:

A két modellel számított és mért hozamok bemutatása

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0

id ő (min)

0

1

2

3

4

5

6

7

hozam (g/100 g d.m

.)

K ísé rle tileg meghatá ro zo tt extrak c ió s ho zamo k

27. kísérlet: pE=350 bar, TE= 40°C

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0

id ő (min)

0

1

2

3

4

5

6

7

hozam (g/100 g d.m

.)

K ísé rle tileg meghatá ro zo tt extrak c ió s ho zamo k Első rend ű k ine tik án a lap uló mo d elle l számíto tt ho zam

A két modellel számított és mért hozamok bemutatása

27. kísérlet: pE=350 bar, TE= 40°C

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0

id ő (min)

0

1

2

3

4

5

6

7

hozam (g/100 g d.m

.)

K ísé rle tileg meghatá ro zo tt extrak c ió s ho zamo k Első rend ű k ine tik án a lap uló mo d elle l számíto tt ho zam S o vo va mo d elle l számíto tt ho zam

A két modellel számított és mért hozamok bemutatása

27. kísérlet: pE=350 bar, TE= 40°C

Anyagátadási tényező meghatározása

Illesztett paraméterek (Sovová):

0

)1(xam

ymSk

ps

fs

Mivel S(ms, ks, ap, x0, mf, ε, y*),az alábbi képletet felhasználva, az anyagátadási tényező a szilárd

fázisban számítható a fenti paraméterek ismeretében

kísérlet S ks q R2

száma - m/s kg/kg25. 0,8240 2,80E-09 0,313 0,998326. 0,5958 2,39E-09 0,469 0,994427. 0,6432 2,91E-09 0,530 0,998928. 0,6741 3,34E-09 0,463 0,998731. 0,6699 3,61E-09 0,450 0,998932. 0,4868 2,62E-09 0,525 0,998333. 0,4351 2,36E-09 0,597 0,9984

25 0 30 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

S [-]

2 5 0 30 0 35 0 40 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0 0 E -0 1

1 ,0 0 E -0 9

2 ,0 0 E -0 9

3 ,0 0 E -0 9

4 ,0 0 E -0 9

k s [m

/s]

25 0 30 0 35 0 40 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

q [-]

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0

2 0 00

4 0 00

6 0 00

8 0 00

10 0 0 0

12 0 0 0

[s]

2 5 0 30 0 35 0 40 0 4 5 0

p [ba r]

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

Q [-]

2 5 0 3 0 0 35 0 40 0 4 5 0

p [ba r]

0 E -0 1

1 E -0 6

2 E -0 6

3 E -0 6

4 E -0 6

5 E -0 6

6 E -0 6

k f [m

/s]

A nyomás hatása az extrakció paramétereire

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0 E -0 1

1 E -0 6

2 E -0 6

3 E -0 6

4 E -0 6

5 E -0 6

6 E -0 6

k f [m

/s]

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

S [-]

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

Q [-]

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

q [-]

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0 ,0 0 E -0 1

1 ,0 0 E -0 9

2 ,0 0 E -0 9

3 ,0 0 E -0 9

4 ,0 0 E -0 9

k s [m

/s]

2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0

p [ba r]

0

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

1 2 0 0 0

[s]

Eredmények összefoglalásaElvégeztük a körömvirág modellezését két különböző modellt használva, meghatároztuk a modellek paramétereit.

A Sovová modell paramétereiből meghatároztuk a szilárd fázisra vonatkozó anyagátadási tényezőt.

Megvizsgáltuk a paraméterek nyomásfüggését

Yv független a nyomástól,k a nyomásnövekedésével nő.

Sovová modell paramétereit vizsgálva:

kf, Q nyomás növekedésével enyhén csökken,

nyomás növekedésével szignifikánsan csökken,S, ks, q nem függ a nyomástól.

Elsőrendű kinetikán alapuló modell paramétereit vizsgálva:

Köszönöm a figyelmet !!!

A kutatómunkát az OTKA támogatja. OTKA nyilvántartási szám: TS049849.