Süperkritik akışkan ekstraksiyonunda termodinamik ve taşınım özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermodynamic and mass transfer properties in supercritical fluid extraction
Yazar: MESUT AKGÜN
Danışman: PROF.DR. SALİH DİNÇER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1999
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Faz davranışı = Phase behavior ; Kütle aktarımı = Mass transfer ; Süperkritik akışkanlar = Supercritical fluids ; Çözünürlük = Solubility

Özet:
ÖZET Süperkritik akışkanlar yoğunluk ve çözme gücü bakımından sıvıya, difüzyon ve viskozite gibi taşınım özellikleri bakımından gaza benzemesinden dolayı etkili çözücüdürler. Süperkritik akışkana dayalı ayırma prosesleri, süperkritik akışkanın çözme gücünün sıcaklık ve basmçla ayarlanabilir olması nedeniyle bilinen ayırma işlemlerine alternatif olarak birçok alanda kullanılmaktadır. Karbondioksit; yanmaması, toksik olmaması, kolay bulunabilir bir madde olması, ucuz olması, düşük kritik sıcaklığa ve makul bir kritik basınca sahip olması nedeniyle süperkritik akışkan olarak en çok tercih edilenidir. Süperkritik akışkan ekstraksiyonuna yönelik uygulamalarda optimum koşulların kestirimine olanak sağlayacak güvenilir çözünürlük ve kütle aktarım modellerine gereksinilir. Bu husus özellikle ilgili prosesin fizibilite çalışmalarında büyük kolaylık sağlar. Çözünürlük için kestirim yöntemleri kaynaklarda bulunmasına rağmen, kütle aktanmıyla ilgili çalışmalar henüz çok sınırlıdır. Bu çalışmada, süperkritik CO2 kullanılarak Aydın yöresinden toplanan lavanta çiçeklerinden esansiyel yağların ekstraksiyonu yapılmıştır. îlk aşamada lavanta esansiyel yağının ana bileşenleri olan a-pinen, limonen, fenkon ve kafur'un süperkritik karbondioksit içindeki faz davranışı ve çözünürlüğü, statik yöntem kullanılarak, sıcaklık ve basıncın fonksiyonu olarak ölçülmüştür. Deneyler 40-60 °C sıcaklık ve 6-13 MPa basınç aralıklarında gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar bir etkileşim parametresi içeren karışma kuralı kullanılarak Peng-Robinson hal eşitliği ile modellenmiştir. İkinci aşamada, lavanta çiçeklerinden esansiyel yağlar ekstrakte edilmiştir. Deneylerde çözücü akış hızının, sıcaklığın, basıncm ve tanecik boyutun ekstraksiyon hızına olan etkisi incelenmiştir. Prosese ait verilerden yararlanılarak Basitleştirilmiş Büzülen Çekirdek kütle aktarım modeli temelinde ekstraksiyon işleminin kütle aktarım modeli kurulmuştur. Deneysel verilerden ekstraksiyon sırasında etkili parametrenin çözünürlük olduğu saptanmıştır. Kütle aktarım modeli çözümünde düzeltme parametresi olarak sadece tanecik içi difüzyon katsayısı (efektif difüzyon katsayısı, De=1.2 x 10"11) kullanılmıştır. Anahtar kelimeler : Süperkritik akışkan ekstraksiyonu, Çözünürlük, Faz davranışı, Modelleme, Peng-Robinson hal denklemi

Abstract:
ABSTRACT Supercritical fluids are effective solvents due to their liquid-like densities and solvation power, and gas-like viscosities and diffusivities. Separation processes based on supercritical fluids are used widely as alternative processes to conventional separation processes, since the solvation power of supercritical fluids vary with temperature and pressure. In supercritical separation processes, carbon dioxide is the most preferred supercritical fluid, because it is nonflammable, nontoxic, readily available and inexpensive, and has a low critical temperature and a moderate critical pressure. In applications regarding the supercritical fluid extraction, reliable solubility and mass transfer models that will allow the determination of optimum operating conditions are needed. This is especially important in the feasibility study of the related process. Although the solubility determination methods are available in literature, the mass transfer studies are still limited. In this work, the essential oils were extracted from lavender flowers obtained from Aydın region using supercritical CO2. In the first stage, the vapor-liquid equilibria and solubility data of a-pinene, limonene, fenchone and camphor, which are the major components of lavender flower essential oil, were taken in supercritical carbon dioxide as a function of pressure and temperature using the static method. Experiments were carried out in the temperature range of 313-333K and in the pressure range of 6-13 MPa. Experimental results were correlated by the Peng-Robinson equation of state using conventional mixing rules with one interaction parameter. In the second stage, the essential oils were extracted from lavender flowers. In the experiments, the effects of solvent flow rate, temperature, pressure and particle size on the extraction rate were investigated. The mass transfer behaviour of extraction process was based on the Simplified Shrinking-Core mass transfer model using the data of process. From the experimental data, it was found that the effective parameter during the extraction was the solubility. The intraparticle diffusion coefficient (effective diffusivity, De=1.2 10"11) was used as the only adjustable parameter in the model solution. Keywords : Supercritical fluid extraction, Solubility, Phase behaviour, Modelling, Peng-Robinson equation of state