Μελέτη εκχύλισης με μεμβράνες
Authors: Ασημακοπούλου Ακριβή 
Published: January 2014

Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την μελέτη της διεργασίας εκχύλισης υγρού - υγρού με μεμβράνες και συνίσταται στην κατανόηση του μηχανισμού μεταφοράς μάζας, την κατάστρωση πορείας σχεδιασμού και τον καθορισμό κριτηρίων για την επιλογή των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας της διεργασίας. Για την μελέτη μεταφοράς μάζας σε στοιχεία μεμβρανών θεωρείται η περίπτωση της παράλληλης ροής διαμέσου δέσμης κοίλων ινών με ταυτόχρονη διάχυση ενός συστατικού από μία υδατική φάση (που ρέει στην πλευρά του κελύφους) προς έναν οργανικό διαλύτη (που ρέει στο εσωτερικό των ινών). Η μελέτη εστιάζεται στο φαινόμενο μεταφοράς μάζας στην πλευρά του κελύφους και ιδιαίτερα στην επίδραση της πυκνότητας των ινών, φ. Για την κατηγορία προβλημάτων που μελετάται, δηλαδή για συστήματα υγρών που χαρακτηρίζονται από επαρκώς μεγάλους αριθμούς Schmidt, Sc, εξάγεται μία γενική αναλυτική έκφραση, με βάση την θεωρία οριακού στρώματος στρωτής ροής, για τον ρυθμό μεταφοράς μάζας στην εξωτερική επιφάνεια της ίνας. Για την εφαρμογή της σχέσης αυτής, θεωρούνται δύο μοντέλα που περιγράφουν το πεδίο ροής, δηλαδή μία ίνα τοποθετημένη ομοαξονικά σε σωλήνα (Μοντέλο Ι) και δακτυλιοειδή στοιχεία ροής γύρω από κάθε ίνα (Μοντέλο ΙΙ). Από την ανάλυση αυτή προκύπτει (για την πλευρά του κελύφους) η εξάρτηση του αριθμού Sherwood, Shw, από τον αριθμό Reynolds, Rew, και από την πυκνότητα των ινών, φ. Συνδυάζοντας την αναλυτική λύση για την πλευρά του κελύφους με γνωστές εκφράσεις για την μεταφορά μάζας στο εσωτερικό των ινών και στους πόρους της μεμβράνης και επιλύοντας κατάλληλα ισοζύγια μάζας του μεταφερόμενου συστατικού, εξάγονται εξισώσεις που προβλέπουν τις συγκεντρώσεις του συστατικού στα ρεύματα εξόδου του στοιχείου, ως συνάρτηση διαφόρων φυσικο - χημικών παραμέτρων. Το πειραματικό μέρος συνίσταται στην μελέτη μεταφοράς μάζας ενός συστατικού (βενζαλδεΰδης ή εξανάλης) από αραιό υδατικό διάλυμα τροφοδοσίας (συγκέντρωση συστατικού 100 μl lt-1) προς τον οργανικό διαλύτη κ-εξάνιο. Τα φυσικο - χημικά αυτά συστήματα χαρακτηρίζονται από σχετικά μεγάλους συντελεστές κατανομής. Για πειραματισμό κατασκευάστηκαν τέσσερα στοιχεία με υδρόφοβες πολυπροπυλενικές ίνες με κατάλληλο πλήθος ώστε να καλύπτεται η περιοχή πυκνότητας ινών, φ, 0.093 < φ < 0.402. Συλλέχθησαν επαρκή δεδομένα για ικανοποιητικό εύρος τιμών των αριθμών Reynolds στην πλευρά του κελύφους (Rew) και στο εσωτερικό των ινών (Reo), εφαρμόζοντας τροφοδοσία των ρευστών με ομορροή και αντιρροή. Για την αξιοποίηση των δεδομένων αυτών στον πειραματικό προσδιορισμό του συντελεστή μεταφοράς μάζας kw χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα κριτήρια αξιολόγησης των δεδομένων. Η σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τις θεωρητικές προβλέψεις δίνει καλή συμφωνία χωρίς εφαρμογή οποιουδήποτε διορθωτικού παράγοντα ή εμπειρικού συντελεστή. Από την σύγκριση αυτή επιβεβαιώνεται ότι η θεωρητική πρόβλεψη της εξάρτησης του αριθμού Sherwood, Shw, από τον αριθμό Reynolds, Rew, στην δύναμη 1/3 περιγράφει ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα, για το εύρος τιμών της πυκνότητας των ινών, φ, που ελέγχθηκε. Η επίδραση του φ στην μεταφορά μάζας από την πλευρά του κελύφους (αν υπάρχει) φαίνεται ότι είναι πολύ μικρή, και πιθανώς κυμαίνεται μέσα στα σχετικά στενά όρια του πειραματικού σφάλματος. Έτσι, προτείνεται ένας κατάλληλος συσχετισμός για τον αριθμό Shw, που καλύπτει την περιοχή τιμών της πυκνότητας των ινών με πρακτικό ενδιαφέρον 0.05 < φ < 0.45. Επιπλέον, οι σχέσεις που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας για την πρόβλεψη των συγκεντρώσεων εξόδου για μία διεργασία εκχύλισης με μεμβράνες δίνουν πολύ καλή συμφωνία με όλα τα πειραματικά δεδομένα. Αξιοποιώντας την ικανότητα πρόβλεψης της μεταφοράς μάζας στα στοιχεία μεμβρανών, αξιολογούνται στην εργασία οι διάφοροι παράγοντες που διαδραματίζουν βασικό ρόλο στον σχεδιασμό της διεργασίας εκχύλισης με μεμβράνες. Η προσέγγιση του θέματος γίνεται από την σκοπιά των κύριων στόχων της διεργασίας εκχύλισης υγρού - υγρού, που είναι η μεγιστοποίηση της ανάκτησης του συστατικού από το διάλυμα τροφοδοσίας και του κορεσμού του διαλύτη από το συστατικό. Αρχικά, αναλύονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας ενός μεμονωμένου στοιχείου μεμβρανών που αποτελείται από δέσμη παραλλήλων ινών από όπου προκύπτει ότι δύο παράμετροι καθορίζουν την απόδοση της διεργασίας: ο συντελεστής εκχύλισης Ε, ο οποίος εκφράζει τους θερμοδυναμικούς περιορισμούς της διεργασίας και μία παράμετρος Α, η οποία περιλαμβάνει τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του στοιχείου μεμβρανών καθώς επίσης κινητικούς και θερμοδυναμικούς περιορισμούς.