ภาชนะแรงดันการสกัด คืออะไร?

ถังแรงดันสกัดคืออะไร? การออกแบบ หลักการ และการใช้งาน

ตอบคำถามหลัก:ถังแรงดันสกัดคืออะไร และทำงานอย่างไรในการสกัดด้วยตัวทำละลายหรือของไหลเหนือวิกฤตภายใต้แรงดันที่ควบคุมได้? ถังแรงดันสกัดคือภาชนะที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ASME Section VIII ที่สามารถทนแรงดันได้ ซึ่งช่วยในการถ่ายโอนสารละลายเป้าหมายจากวัตถุดิบที่เป็นของแข็งหรือของเหลวไปยังเฟสตัวทำละลาย โดยการควบคุมแรงดัน อุณหภูมิ และพื้นที่สัมผัสระหว่างเฟส ถังแรงดันสกัดด้วย CO2 เหนือวิกฤตทำงานที่อุณหภูมิและแรงดันสูงกว่าจุดวิกฤต (31.1°C และ 7.38 MPa) ซึ่งความหนาแน่นของตัวทำละลายจะใกล้เคียงกับของเหลว ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติการแพร่กระจายเหมือนก๊าซ ถังแรงดันสกัดแบบของเหลว-ของเหลว ใช้เครื่องผสม-ตัวแยก หรือคอลัมน์แบบพัลส์ ที่แรงดัน 0.1-4 MPa เพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์การกระจาย (Kd) ที่ 5-500 สำหรับการกู้คืนสารละลายอย่างมีประสิทธิภาพ

1. หลักการทำงานหลักของถังแรงดันสกัด

ประสิทธิภาพการสกัดที่ได้ภายในถังแรงดันขึ้นอยู่กับสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ระหว่างเฟส จลนศาสตร์การถ่ายเทมวลที่พื้นผิว และสภาวะอุทกพลศาสตร์ที่ควบคุมการก่อตัวและการรวมตัวของหยด

• สมดุลการกระจายทางอุณหพลศาสตร์: แรงขับเคลื่อนพื้นฐานสำหรับการสกัดคือสัมประสิทธิ์การกระจาย Kd = Csolute,extract / Csolute,raffinate ซึ่งควบคุมโดยกฎการกระจายของเนิร์นสต์ สำหรับระบบ CO2 เหนือวิกฤต ความหนาแน่นของตัวทำละลาย ซึ่งส่งผลต่ออำนาจการละลาย จะถูกควบคุมโดยตรงด้วยแรงดัน: สูงกว่า 7.38 MPa ที่ 31.1°C CO2 จะเข้าสู่บริเวณเหนือวิกฤต ซึ่งการเปลี่ยนแปลงแรงดันเล็กน้อย (เช่น จาก 10 ถึง 30 MPa) สามารถเพิ่มความสามารถในการละลายได้ถึงหนึ่งอันดับของขนาด สัมประสิทธิ์การเลือกสรร α = Kd,A / Kd,B กำหนดประสิทธิภาพการแยกสารระหว่างสารเป้าหมายและสารที่ไม่ใช่เป้าหมาย
• จลนศาสตร์การถ่ายเทมวลที่พื้นผิว: อัตราการถ่ายเทสารละลายถูกควบคุมโดยทฤษฎีสองฟิล์ม: N = kLa·(C* - Cb) โดยที่ kLa คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลเชิงปริมาตร (โดยทั่วไปคือ 0.01-0.1 s⁻¹ สำหรับระบบของเหลว-ของเหลว) C* คือความเข้มข้นที่สมดุลที่พื้นผิว และ Cb คือความเข้มข้นในมวลสาร *เลขเวเบอร์ (We)* = ρ·v²·d/σ เป็นตัวบ่งชี้การแตกตัวของหยดในถังแบบเครื่องผสม-ตัวแยก การรักษาค่า We > 6 จะช่วยให้เกิดการกระจายตัวเป็นหยดขนาด 0.5-3 มม. เพื่อพื้นที่ผิวที่เหมาะสม ในการสกัดเหนือวิกฤต การแพร่กระจาย 10⁻⁷ cm²/s (ตัวทำละลายของเหลว 10-100 เท่า) จะเร่งการแพร่กระจายภายในอนุภาค
• การแยกเฟสที่ควบคุมด้วยแรงดัน: ในการสกัดด้วยของไหลเหนือวิกฤต การลดแรงดันในถังแยก (จากแรงดันสกัดเป็น 3-5 MPa) จะทำให้ CO2 เกิดการระเหยอย่างรวดเร็ว ลดอำนาจการละลาย และตกตะกอนสารละลายที่สกัดออกมา วิธีการเปลี่ยนแปลงแรงดันนี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการกำจัดตัวทำละลายด้วยความร้อน ซึ่งช่วยรักษาสารที่ไวต่อความร้อน เช่น น้ำมันหอมระเหย (สลายตัวเหนือ 60°C) และยา *หลักการของมาร์เซต์* (ความสัมพันธ์ P-T ตามแนวขอบเขตเฟส) ควบคุมการออกแบบถังแยกหลายขั้นตอน

2. ประเภทหลักของถังแรงดันสกัด

ถังแรงดันสกัดในอุตสาหกรรมถูกกำหนดค่าตามรูปแบบการสัมผัสระหว่างเฟสวัตถุดิบและตัวทำละลาย การออกแบบหลักสามแบบเป็นที่นิยมในการใช้งานด้านเภสัชกรรม อาหาร และเคมี:

• ถังแรงดันสกัดด้วย CO2 เหนือวิกฤต: ถัง ASME แรงดันสูงเหล่านี้ (ออกแบบ 7.4-48 MPa, ทำงาน 40-80°C) สกัดสารจากพืช ยา และสารเกรดอาหาร โดยใช้ CO2 เหนือวิกฤตเป็นตัวทำละลายที่ปรับค่าได้ ปริมาตรถังมีตั้งแต่ 50 ลิตร (นำร่อง) ถึง 5,000 ลิตร (อุตสาหกรรม) ให้ประสิทธิภาพการสกัด 90-98% ในการผลิตเป็นชุด 2-4 ชั่วโมง ตะกร้าภายในบรรจุวัตถุดิบที่เป็นของแข็ง การป้อนของเหลวใช้คอลัมน์บรรจุที่มีวัสดุบรรจุแบบโครงสร้าง *หลักการของมาร์เซต์* นำทางการออกแบบถังแยกสำหรับการตกตะกอนสารละลายที่สกัดออกมาด้วยการเปลี่ยนแปลงแรงดัน
• ถังแรงดันสกัดแบบเครื่องผสม-ตัวแยก: ถังแรงดันแนวนอนหรือแนวตั้งเหล่านี้ (ออกแบบ 0.1-4 MPa) รวมห้องผสมกับโซนตกตะกอนด้วยแรงโน้มถ่วงในเปลือก ASME เดียวกัน ใบพัดแบบกังหัน Rushton (6 ใบ, D/T = 0.33-0.5) ที่ความเร็ว 200-600 RPM กระจายเฟสตัวทำละลายออกเป็นหยดขนาด 0.5-3 มม. ให้ค่า kLa ที่ 0.02-0.08 s⁻¹ เวลาพักในตัวแยก 15-30 นาที ช่วยให้เฟสรวมตัวกัน การเรียงต่อกันหลายขั้นตอนของหน่วยเครื่องผสม-ตัวแยก 3-10 หน่วย ให้การสกัด 99%+ ด้วยสัมประสิทธิ์การกระจาย Kd > 10
• ถังแรงดันสกัดแบบคอลัมน์พัลส์: คอลัมน์แรงดันแนวตั้งสูงเหล่านี้ (0.5-3 MPa, H/D = 8-15) ใช้แผ่นกรองแบบลูกสูบหรือการพัลส์อากาศ (ความถี่ 1-3 Hz, แอมพลิจูด 6-25 มม.) เพื่อสร้างการกระจายตัวของหยดที่ควบคุมได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องกวนเชิงกล พลังงานพัลส์ที่ป้อนเข้าไปช่วยรักษา *เลขเวเบอร์* ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการแตกตัวของหยด ความสามารถในการผลิต 5-100 ม³/ชม. ทำได้ด้วยคอลัมน์แบบตะแกรงที่มีพื้นที่เปิด 20% และระยะห่างระหว่างแผ่น 50-100 มม. เหมาะสำหรับการแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และการแยกแร่หายาก

ตารางเปรียบเทียบประเภทถังแรงดันสกัด

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: ทำไม CO2 เหนือวิกฤตจึงเป็นที่นิยมมากกว่าตัวทำละลายอินทรีย์สำหรับถังแรงดันสกัด?

ตอบ: CO2 เหนือวิกฤตมีอำนาจการละลายที่ปรับได้ผ่านการปรับแรงดัน การทำงานที่ไม่ติดไฟ (ไม่มีอันตรายจากไอระเหยอินทรีย์) ไม่เหลือตัวทำละลายในผลิตภัณฑ์ที่สกัดออกมา (CO2 ระเหยหมดเมื่อลดแรงดัน) และอุณหภูมิการทำงานที่อ่อนโยน (31.1-80°C) ซึ่งช่วยรักษาสารที่ไวต่อความร้อน คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เป็นตัวทำละลายที่นิยมสำหรับการสกัดอาหาร ยา และเครื่องสำอาง ซึ่งปริมาณตัวทำละลายอินทรีย์ที่ตกค้างอยู่ภายใต้ขีดจำกัด ICH Q3C

ถาม: สัมประสิทธิ์การกระจายคืออะไร และทำไมจึงมีความสำคัญต่อการออกแบบถังแรงดันสกัด?

ตอบ: สัมประสิทธิ์การกระจาย Kd = C(เฟสสกัด) / C(เฟสที่เหลือ) เป็นตัววัดว่าสารละลายมีแนวโน้มที่จะกระจายตัวไปยังเฟสตัวทำละลายมากน้อยเพียงใด Kd > 10 บ่งชี้ว่าการสกัดมีแนวโน้มดีและต้องการจำนวนขั้นตอนสมดุลน้อยลง สัมประสิทธิ์การเลือกสรร α = Kd(เป้าหมาย)/Kd(สิ่งเจือปน) กำหนดความจำเพาะของการแยก ผู้ออกแบบถังใช้ Kd ในการคำนวณจำนวนขั้นตอนทางทฤษฎีโดยใช้สมการ Kremser ซึ่งเป็นการกำหนดขนาดของชุดเครื่องผสม-ตัวแยกหรือความสูงของคอลัมน์โดยตรง

ถาม: การรวมตัวของเฟสถูกจัดการอย่างไรในถังแรงดันสกัดแบบเครื่องผสม-ตัวแยก?

ตอบ: การรวมตัวในส่วนตัวแยกจะได้รับการส่งเสริมโดยการรักษาเวลาพัก 15-30 นาที การจัดเตรียมโซนที่สงบด้วยเลขเรย์โนลด์ส < 200 (การไหลแบบลามินาร์) และการติดตั้งแผ่นรวมตัวหรือแผ่นตาข่ายที่เพิ่มความถี่ในการชนกันของหยด ระดับของเหลวระหว่างเฟสจะถูกควบคุมโดยเครื่องส่งสัญญาณระดับ (LT) ที่ควบคุมวาล์วทางออกของเฟสหนัก ในระบบที่มีแนวโน้มเกิดอิมัลชัน อาจมีการเติมสารช่วยทำลายอิมัลชันหรือใช้การรวมตัวด้วยไฟฟ้าสถิตถาม: ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับถังแรงดันสกัดด้วย CO2 เหนือวิกฤตมีอะไรบ้าง?

ตอบ: ถัง CO2 เหนือวิกฤตที่ออกแบบสำหรับแรงดัน 48 MPa ต้องได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ASME Section VIII Division 1 หรือ Division 2 แผ่นระเบิดแรงดันที่ตั้งค่าไว้ที่ 110% ของแรงดันออกแบบ ระบบล็อคอัตโนมัติสำหรับการตรวจสอบการปิดประตู (ไม่มีแรงดันเมื่อประตูเปิด) เครื่องตรวจจับการรั่วไหลของ CO2 ที่มีเกณฑ์การเตือน 1% v/v และระบบระบายอากาศฉุกเฉินไปยังตำแหน่งภายนอกที่ปลอดภัย ระบบจะต้องมีวงจรการกู้คืน/รีไซเคิล CO2 เพื่อลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก โดยทั่วไปจะมีการกู้คืน CO2 ได้ 95%+

แท็ก:

ถังปฏิกรณ์สแตนเลส, ถังปฏิกรณ์เคมีอุตสาหกรรม, ถังปฏิกรณ์เคมีอุตสาหกรรม