Single-drop based modelling of solvent extraction in high-viscosity systems

Adinata, Donni; Pfennig, Andreas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-37389

Single-drop based modelling of solvent extraction in high-viscosity systems = Modellierung von solventer Extraktion in hoch viskosen Systemen basierend auf Einzeltropfenexperimenten

Adinata, Donni (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Donni Adinata

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIX, 110 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pfennig, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-07-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37389
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64211/files/3738.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (N.N.) (416310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Extraktion (Genormte SW) ; Hochviskose Flüssigkeit (Genormte SW) ; Viskosität (Genormte SW) ; Stoffübertragung (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Großtechnische Anlage (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Hochviskositätssystem (frei) ; Stofftransport (frei) ; konstanter Faktor von Donni Adinata (frei) ; high-viscosity system (frei) ; single drop (frei) ; extraction (frei) ; mass transfer (frei) ; pilot plant (frei) ; ReDrop (frei) ; constant factor of Donni Adinata (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Wissen auf dem Gebiet der Extraktion mit hochviskosen Systemen ist bisher nicht sehr groß, andererseits ist die ökonomische Bedeutung dieser Systeme sehr hoch, weil in der chemischen Industrie Systeme mit hoher Viskosität eine große Rolle spielen, beispielsweise bei der Extraktion von Pharmaka aus Fermentations-lösungen. Zukünftig werden Rohmaterialien für Chemikalien zunehmend von erneuerbaren biologischen Ressourcen abstammen. Diese Chemikalien besitzen vielfach hohe Viskositäten. Die Extraktion kann dabei ein geeignetes Trennverfahren in diesen Prozessen mit hochviskosen Systemen sein. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der hohen Viskosität auf die Extraktion untersucht. Das Verhalten von Extraktionskolonnen bei hochviskosen Systemen wurde mit dem ReDrop Programm vorhergesagt bzw. simuliert. Für die Untersuchung des Einflusses der Viskosität wurde eine Lösung von Polyethylenglycol (PEG) in Wasser verwendet. Als kontinuierliche Phase wurde PEG 4000 bzw. PEG 600 in Wasser verwendet. Toluol bzw. Toluol in Paraffin diente als disperse Phase und Aceton als Stoffübergangskomponente. Die Sedimentationsgeschwindigkeit und der Stoff-übergang bei Einzeltropfen wurden durch Laborexperimente untersucht. Das Henschke-Modell (2003) wurde mit den experimentellen Werten validiert. Die Sedimentationsgeschwindigkeit und der Stofftransport an Einzeltropfen sind stark von der Viskosität der kontinuierlichen Phase abhängig. Ein Einfluss der Viskosität der dispersen Phase kann beobachtet werden, ist aber weniger stark. Die Viskosität der dispersen und der kontinuierlichen Phase beeinflussen die Stoffübergangsrate. Der Einfluss der Viskosität der kontinuierlichen Phase ist im Vergleich zur dispersen Phase deutlich höher. Weiterhin wurde das Verhalten von gepulsten Siebbodenkolonnen mit hochviskosen Systemen untersucht. Ein Lochdurchmesser der Siebböden von 8mm ist dabei für die Extraktion besser geeignet als ein Durchmesser von 2 mm. Die Flussraten sind im Vergleich mit niedrigviskosen Systemen um einen Faktor von 20 niedriger. Die Trennleistung ist viermal niedriger als bei niedrigviskosen Systemen. Das Verhalten von Extraktionskolonnen mit hochviskosen Systemen kann vom Simulationsprogramm ReDrop vorhergesagt werden. Das Modell von Henschke (2003) für den maximalen stabilen Tropfendurchmesser kann für Flüssig-Flüssigsysteme mit hoher Viskosität der kontinuierlichen Phase nicht angewendet werden. Deshalb ist es erforderlich, das Modell für den maximalen stabilen Tropfendurchmesser anzupassen. Dafür sind weitere experimentelle Unter-suchungen in Bezug auf den Tropfenzerfall bei Systemen hoher Viskosität der kontinuierlichen Phase erforderlich. Es konnte aber gezeigt werden, dass ReDrop im Prinzip für die Simulation von Extraktionskolonnen bei hoher Viskosität geeignet ist.

The knowledge in the area of solvent extraction is limited for high-viscosity systems while the economic importance of such systems has always been known, because the chemical industry concerns chemicals processed at high viscosities such as extraction of pharmaceuticals from fermentation broth. In the future raw materials for chemicals will increasingly stem from renewable biological origin. These chemicals have often higher viscosities than conventional ones. Extraction may be more suitable separation process for process as compared to distillation. In this work the influence of high viscosity on extraction was researched. The extraction column behaviour for high-viscosity systems predicted and simulated by using the ReDrop programme. The test system used to investigate the extraction in high viscosity systems was polyethylene glycol (PEG) with water. PEG 4000 with water and PEG 600 with water respectively were used as continuous phase. Toluene and toluene with paraffin were used as disperse phase. Acetone was used as mass transfer component. The sedimentation velocity and the mass transfer of single drops in high-viscosity systems were investigated with laboratory scale experiments. Henschke’s model (2003) was validated with the experimental results. To increase the accuracy of the drop sedimentation velocity, Henschke’s model was modified by using a factor of 4 and = 5. It was even possible to obtain the general parameters, by fitting the experimental data with the results of Henschke’s model. For toluene the parameters are = 7.55 mm, = 0.085, and = 0.79, as well as for toluene with paraffin = 2.95 mm, = 0.085, and = 1.24. The sedimentation velocity and mass transfer of single drops is strongly influenced by the viscosity of the continuous phase. The effect of viscosity on the disperse phase is observable, but less significant. The viscosity of the continuous and the disperse phase affect the mass-transfer rate. The influence of viscosity in the continuous phase on the mass-transfer rate is considerably higher. The effect of viscosity in the disperse phase is observable, but less significant. Additionally, the diffusion coefficient has only a small influence on the error. The model of Wilke Chang may be applied to estimate in high viscosity systems. The behaviour of a pilot-plant scale pulsed sieve-tray extraction column was investigated. The extraction column in high viscosity systems could be better operated with a sieve-tray hole-diameter of 8 mm than with a diameter of 2 mm. The flow rates are by a factor of 20 lower as compared to low-viscosity systems. The separation performance with high viscosity system is about 4 times lower compared to low viscosity systems. The experimental data gained at the pulsed sieve-tray extraction column were compared with the simulation results of the ReDrop program. The extraction column behaviour in high-viscosity systems can be predicted well by using ReDrop program. A parameter study showed, that in contrast to, has a very strong influence on the number of theoretical stages Nth,sim. Different models determine values for Dax,c that differ by factor of 100, thus, reliable results for the mass-transfer performance in ReDrop are only able when employing sound models for Dax,c. The model of Henschke (2003) for the maximum stable diameter cannot be applied to liquid-liquid systems with a highly viscous continuous phase; therefore, the model for maximum stable diameter must be adjusted. In order to do so, more experimental effort should be put into understanding drop breakage in the presence of a high viscosity continuous phase. It was shown that in principle ReDrop may be used to simulate extraction columns with a high viscosity continuous phase. The mean relative deviation between experimentally found hydrodynamic parameters, such as hold-up and Sauter mean diameter is about 20%.

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