Supercritical Fluids Extraction From Solids-II

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1 Supercritical Fluids Extraction From Solids-II
Chapter 4 Supercritical Fluids Extraction From Solids-II

2 Course of the extraction process
Remaining extract in feed Accumulated extract in sc solvent Composition of extract changes with conditions of extraction and time

3 Theobromine Caffeine

4 Decaffeination of green coffee beans
Lack and Seidlitz 1993

5 Decaffeination of green coffee beans
Lack and Seidlitz 1993

6 Flow scheme of decaffeination plant
Schoeller-Bleckmann design Lack and Seidlitz 1993

7 Comparison of extraction behaviour
Zwiefelhofer 1990

8 Composition of liquid CO2 hop extract
Gardner 1993

9 Fat extraction from cocoa
1: Liquor, 40 MPa, 80 oC, 5 h 2: Liquor, 40 MPa, 50 oC, 5 h 3: Nibs, 40 MPa, 80 oC, 5 h 4: Nibs, 40 MPa, 50 oC, 5 h 5: Shells, 30 MPa, 80 oC, 6 h Rossi et al., 1989

10 Standard design Extractor Heat exchanger Precipitator Cycle gas compressor

11 Total number of pressure vessels for SFE
Gehrig 1998

12 Economy of scale: CO2-extraction from solids

13 Extraction of Buriti Franca, Reber, Meireles, Machado, Brunner, J. Supercritical Fluids 1998

14 Extraction of Buriti Carotene
Franca, Reber, Meireles, Machado, Brunner, J. Supercritical Fluids 1998

15 Arachidonic acid from fermentation
Arachidonic acid as methylester extracted from dried filter cake gAAE / gcake g CO2 / g cake

16 Extraction of meat products
Effect of varying pressure on the accumulated yield of lipid( left ) and water (right) extracted with supercritical CO2 at 50 oC R.R. Chao, 1996

17 Extraction of beef tallow
Cumulative weight of beef tallow extracted by CO2 varying the pressure and temperature R.R. Chao et al., 1993

18 Extraction of beef tallow
Cholesterol concentration in extract scCO2 Lipid and cholesterol extract from beef tallow. CO2 and CO2 - ethanol R. R. Chao et al., 1993

19 Extraction of oil from chips
Percent oil removed as a function of volume of CO2 . Feed: Type I:  unsalted, Type II: x salted. Extraction P = 408 +/- 6.8 bar, T = 55 +/- 1 oC. Separation: P  2 bar; T = 30 +/-3 oC. S. Vijayan et al., 1994 19 Brunner XVII CBCTA - Fortaleza 2000

20 Extraction of mustard seed oils
300 bar, 40 oC  total amount  oil  water  myrosinase activity Taniguchi et al. 1987

21 Extraction of oil from peanuts
CO2 25 oC Goodrum 1996

22 Extraction of theobromine from cocoa seed shells
 kgCO2/(kgFh)  93  183  304 Simon 1990

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24 rom soil with supercritical water.
Cleaning of Soil Course of an extraction of hydrocarbon contaminants rom soil with supercritical water.

25 Reaction results at 25 MPa, 88 cm3 reactor
SCWO of extracted organic waste from soil Temperature Loading Residence O2 excess Degree of time conversion U ___________________________________________________________________ [°C] [ghc/LH2O] [s] [mol O2/ mohc-mhc)/ mhc mol O2,min] Reaction results at 25 MPa, 88 cm3 reactor

26 Vergleich TOC nach Extraktionen
Unterschiedliche Behandlungsmethoden des CND- Bodens: Wasser ist org. Lösemitteln überlegen TOC [g C/kg TS]

27 Kontaminationsverteilung
als Schicht am Rand als Kohlenwasser-stoffpartikel in den Poren adsorbiert im Innern gelöst

28 Festbettextraktionsanlage

29 Kontinuierlicher Rohrreaktor
b d g e f Flow sheme of continuous extaction apparatus: Fließbild der kombinierten Anlage: a Vorlagebehälter mit Rührwerk, b Pufferautoklav, c Wirbelbettheizer -Vorwärmer- d Extraktionsstrecke, e Elektrolysezelle im Schutzbehälter, f Doppelrohrwärmetauscher, g Sammelgefäß, h Gasanalysegerät, i evakuierter Glasbehälter a magnetic stirrer, b  membrane pump, c feed vessel, d buffer vessel, e pump, f preheater (28 ml), g extraction pipe (38 ml), h cooler, i flask, j CO2-meter, k evacuated glas vessel.

30 Lösungsmittelvergleich
Realgealterte (20 Jahre) Kontamination (Schluff) kann mit Wasser vollständig gereinigt werden.

31 Transportmechanismen
Porendiffusion aus Mikro- in Mesoporen Diffusion im Porenfluid oder Lösungsmittel Stofftransport durch Strömungsgrenzschicht konvektiver Stofftransport mit Lösungsmittelstrom

32 Modellierung Extraktion
Kontamination am Feststoff Auflösung als Reaktion 1. Ordnung Partikelporen Fluidphase Strömungsform durch e, b berücksichtigen

33 Modellierungsergebnisse
Suspension als Strähne/Einzel-korn betrachtet Dodecan bildet Bezug

34 Simulation der Extraktion
P = 24 MPa T = °C P = 24 MPa T = °C Modellierungsparameter zur Simulation geeignet

35 Biologische Abbaubarkeit
Beurteilung der biologischen Abbaubarkeit mittels akkumu-lierten Sauer-stoffverbrauchs von Belebt-schlamm Bruchteil von CSB° wird erreicht

36 Vergleich mit Essigsäure
P = 25 MPa Extraktionsver-mögen liegt im Bereich niedrigerer Temperaturen in Abhängigkeit von der Verweilzeit im Bereich von Essigsäure Zugabe von Essigsäure zur Einstellung des pH-Wertes

37 Extraktion der KWSt. (Mischkontamination)
Langes Spülen bewirkt Reinigung Trotz relativ hoher Verweilzeit Reinigung nicht vollständig, trotz nahe-/ überkritischen Bedingungen Bezug: mg/kg ( mg/kg)

38 Lowering pH by dissolution of CO2 in H2O
Calculated pH-value of water for carbon dioxide saturated solutions at a pressure of 25 MPa. Equilibrium data from Wiebe (1941), Takenouchi (1964)

39 Solubilities of real hydrocarbon contaminations in water
Water in lubricating oil Ethylbenzene Dimethylcyclohexane Real weathered extracted contamination Nowak 1995

40 Phase equilibrium:Hydrocarbons in carbon dioxide
G.M. Schneider

41 Solubility of n-decane in water

42 Abgeschätzter pH-Wert für Kohlensäure, 1. Dissoziationsstufe
CO2 - H2O Toews et al., 1995 Abgeschätzter pH-Wert für Kohlensäure, 1. Dissoziationsstufe

43 Biopolymers: Acid catalysis
The solubility of carbon dioxide in liquid water

44 Löslichkeiten von CO2 in Wasser
CO2 - H2O Takenouchi und Kennedy, 1964 Löslichkeiten von CO2 in Wasser

45 Gleichgewichtslöslichkeiten von CO2 in Wasser
CO2 - H2O Wiebe und Gaddy, 1940, Wiebe, 1941 Gleichgewichtslöslichkeiten von CO2 in Wasser

46 20 000 m3  40 000 t Incentives: Quantities: Unrestricted use of site
Remediation II Incentives: Quantities: Unrestricted use of site Remove risk for environment (water, air, persons, ... ? Site: 100 m x 100 m 2 m depth m3  t

47 Soil extraction with carbon dioxide
Artificially contaminated Degree of extraction, % Real contamination, weathered Solvent ratio kg CO2 / kg soil

48 Soil extraction Comparison of CO2 and H2O Degree of extraction, % Solvent ratio kg CO2 / kg soil

49 Vergleich mit Essigsäure
P = 25 MPa Extraktionsver-mögen liegt im Bereich niedrigerer Temperaturen in Abhängigkeit von der Verweilzeit im Bereich von Essigsäure Zugabe von Essigsäure zur Einstellung des pH-Wertes

50 Soil Remediation Method

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55 Figure 10: Flow sheme of continuous extaction apparatus:
Fließbild der kombinierten Anlage: a Vorlagebehälter mit Rührwerk, b Pufferautoklav, c Wirbelbettheizer -Vorwärmer- d Extraktionsstrecke, e Elektrolysezelle im Schutzbehälter, f Doppelrohrwärmetauscher, g Sammelgefäß, h Gasanalysegerät, i evakuierter Glasbehälter a magnetic stirrer, b feed vessel, c membrane pump, d buffer vessel, e , f preheater (28 ml), g extraction pipe (38 ml), h cooler, i flask, j CO2-meter, k evacuated glas vessel.

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57 Figure 13: Degree of extraction in dependence on the amount of soil material in the solvent (solvent to soil ratio). This diagram corresponds to the left branch of Fig. 12, i.e. up to solvent to soil ratios of  100.T = 663 K, P = 24 MPa, residence time: 28 s.

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59 Figure 17: Degree of extraction for antimony
Figure 17: Degree of extraction for antimony. P = 25 MPa, material “GKSS”.

60 Soil Remediation Modelling