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FEB 18 SAN LUIS ESCUELA “GIORGIO ZGRABLICH” Exemplo de intensificaCon de un processo de AdsorpCon: el Relay SMB José Paulo Mota Requimte/CQFB, Chemistry Department FCT Universidade Nova Lisboa, Portugal ([email protected])

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

Exemplo  de  intensificaCon  de  un  processo  de  AdsorpCon:  el  Relay  SMB  

José  Paulo  Mota    

Requimte/CQFB,  Chemistry  Department  FCT  -­‐  Universidade  Nova  Lisboa,  Portugal  

([email protected])  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

Relay  SMB:  original  objecCve  –  driving  idea  

•  Simplify  the  classical  way  of  handling  the  two  product  outlets  of  SMB  chromatography  – Avoid  the  use  of  flow  controllers  at  both  outlets  or  an  extra  pump  placed  at  one  of  the  outlets  

 – Employ  simple  two-­‐  or  three-­‐way  valves  at  both  column  outlets  

                                                                                     BUT  – Maintain  analogy  with  the  SMB  in  terms  of  displaced  volumes  of  fluid  per  switch  interval  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  How  do  we  do  this?  – Replace  conCnuous  spliang  of  the  effluents  of  zones  I  and  III  by  two  different  acCons  applied  sequenCally  over  τ:  (i)  diverCng  the  effluent  for  product  collecCon  and  (ii)  direcCng  the  effluent  to  the  next  column  

       Replace    this    by  one  of    these  

Original  objecCve  –  driving  idea  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  First,  we  analyze  the  SMB  – Extract  is  contaminated                                                                                  with  less  retained  solute                                                                          during  an  iniCal  fracCon                                                                                            of  the  switch  interval  

 – Raffinate  is  contaminated                                                                          with  more  retained  solute                                                                            during  a  final  fracCon  of                                                                                            the  switch  interval  

Process  descripCon  –  Cycle  design  (1)  

Temporal  concentraCon  profiles  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  From  what  we  learned  with  the  SMB  – Raffinate  should  be  collected  first  because  its  impure  cut  comes  last  

 

 – Extract  should  be  collected  last  because  its  impure  cut  comes  first  

Process  descripCon  –  Cycle  design  (1)  

R   R  

R   R  

X   X  

X   X  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  But,  since          +          <  τ  

then  there  must  be  a  third  sub-­‐step  between  the  two  sub-­‐steps  of  extract  and  raffinate  withdrawal  

Process  descripCon  –  Cycle  design  (1)  

τ1  X   τ2  R  

τ1  X   τ2  

R  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

Process  descripCon  –  R-­‐SMB  

•  From  intuiCon  and  past  experience  – The  intermediate  sub-­‐step  must  be  one  of  the  two  following  configuraCons:  

                                       (no  product  is  collected)      

     (both  products  are  simultaneously  collected)  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Effluent  from  a  zone  is  always  in  1  of  3  states:  –  (i)  frozen,  (ii)  completely  directed  to  the  next  zone;  (iii)  enCrely  diverted  to  a  product  line  

Process  descripCon  –  R-­‐SMB  

Which  one?  

(We  call  this  a  relay  SMB  because  of  the  relayed  nature  of  its  outlets)  

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•  Before  selecCng  the  intermediate  sub-­‐step  and  proving  the  analogy  between  the  R-­‐SMB  and  SMB,  let  us  highlight  some  advantages  – ConCnuous  injecCon  of  feed  and  desorbent  into  the  system  •  The  inlet  flow  rates  can  be  managed  with  constant-­‐speed  pumps  

– The  two  outlets  are  operated  with  simple  two-­‐  or  three-­‐way  valves  

– The  configuraCon  is  scalable,  easy  to  implement,  robust,  and  easy  to  control.  

Process  descripCon  –  R-­‐SMB  

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•  Let  us  choose  as  intermediate  sub-­‐step:  – The  recycle  sub-­‐step  without  product  withdrawal  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

Relay  SMB  (R-­‐SMB−)  

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•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  a  SMB:  

 •  or  in  terms  of  τQj                                                                                                                                                          :  

 

Process  design  –  R-­‐SMB−  

SelecCvity  of  the  binary  mixture  

(vol  of  fluid  displaced  through  col  j  per  τ)  

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•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – Less  retained  solute  does  not  contaminate  D  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – Less  retained  solute  does  not  contaminate  D    

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – More  retained  solute  does  not  contaminate  D  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – Less  retained  solute  does  not  contaminate  D    – More  retained  solute  does  not  contaminate  D    

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – Less  retained  solute  does  not  contaminate  X  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – Less  retained  solute  does  not  contaminate  D    – More  retained  solute  does  not  contaminate  D    – Less  retained  solute  does  not  contaminate  X    

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – More  retained  solute  does  not  contaminate  R  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – Less  retained  solute  does  not  contaminate  D    – More  retained  solute  does  not  contaminate  D    – Less  retained  solute  does  not  contaminate  X    – More  retained  solute  does  not  contaminate  R  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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•  Convert          ,          into            (with  safety  margins):  

   

Process  design  –  R-­‐SMB−  

Same  condiCons  as  the  SMB  

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•  OpCmum  operaCng  point  as  a  funcCon  of  E:  – Feed  flow  rate    

– DuraCons  of  sub-­‐steps  

– Performance  metrics  of  the  operaCng  point  

 

Process  design  –  R-­‐SMB−  

Same  as  the  opCmum  operaCng  point  of  the  

SMB  

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•  Equilibrium  soluCon  for  the  opCmum  operaCng  point  of  the  R-­‐SMB−  process  

Process  design  –  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Given  that  the  duraCons  of  all  sub-­‐steps  must  be  ≥  0,  then  

   •  Thus,  the  R-­‐SMB−  cycle  is  applicable  to  “difficult  separaCons”  defined  by  selecCvity  values  smaller  than  

•  For  “easier  separaCons”  (                      )  another  type  of  cycle  is  required.  

Range  of  applicability  of  the  R-­‐SMB−  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Let  us  choose  as  intermediate  sub-­‐step:  – The  one  where  both  products  are  simultaneously  collected  

Process  design  –  R-­‐SMB+  

Relay  SMB  (R-­‐SMB+)  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  theory:  condiCons  of  complete  separaCon  for  linear  adsorpCon  in  R-­‐SMB−:  – The  separaCon  condiCons  are  the  same  as  those  of  the  standard  SMB.  The  opCmum  operaCng  point  is  

– Performance  metrics:  

Process  design  –  R-­‐SMB+  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Equilibrium  soluCon  for  the  opCmum  operaCng  point  of  the  R-­‐SMB+  process  

Process  design  –  R-­‐SMB+  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Given  that  the  duraCons  of  all  sub-­‐steps  must  be  ≥  0,  then  

   •  Thus,  the  R-­‐SMB+  cycle  is  applicable  to  “easy  separaCons”  defined  by  selecCvity  values  larger  than  

•  With  R-­‐SMB−  and  R-­‐SMB+  we  can  cover  the  whole  selecCvity  range  

Range  of  applicability  of  the  R-­‐SMB+  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  SelecCvity  =                                        ,  where            is  the  com-­‐ponent  of          that  makes  the  separaCon  possi-­‐ble—the  excess  value  over  that  for  no  separa-­‐Con)  

•     

•  𝜙  =  1.61803·∙·∙·∙  is  the  famous  constant  known  as  “Golden  RaCo,”  “Golden  Mean,”  or  “Golden  SecCon”  !!!!!  

 

The  “special  meaning”  of  αc  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Extreme  and  mean  raCo  (Euclid,  Alexandria,  300  B.C.)  – A  straight  line  is  said  to  have  been  cut  in  extreme  and  mean  raCo  when,  as  the  whole  line  is  to  the  greater  segment,  so  is  the  greater  to  the  lesser.  

The  “special  meaning”  of  αc  

A   B  C  

AC/CB  =  AB/AC  

x   1  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Spaul  S.  Brukman  of  Concord,  California  (The  Fibonacci  Quarterly,  1977)  

The  “special  meaning”  of  αc  

The  golden  mean  is  quite  absurd;  It’s  not  your  ordinary  surd!  If  you  invert  it  (this  is  fun!),  You’ll  get  itself,  reduced  by  one;  But  if  increased  by  unity,  This  yields  its  square,  take  it  from  me.    Expressed  as  a  conCnued  fracCon,  It’s  one,  one,  one,  …,  unCl  distracCon;  In  short,  the  simplest  of  such  kind  (Doesn’t  it  really  blow  your  mind?)  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Under  ideal  condiCons  of  infinite  column  efficiency,  the  R-­‐SMB  is  an  SMB  analog  in  terms  of  displaced  volumes  of  fluid  per  switch  interval.  

•  But  how  does  it  perform  and  compare  against  the  SMB  under  real  condiCons  of  finite  column  efficiency?  

•  Use  the  equilibrium  dispersive  model  for  process  comparison:  Pe  =  2NTP  is  a  measure  of  column  efficiency.  

The  R-­‐SMB  under  real  condiCons  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Fixed  selecCvity,  α  =  1.4  <  αc,  and  varying  Pe  

R-­‐SMB−  against  standard  SMB  

(Specific  producCvity  vs  Pe)   (Solvent  consumpCon  vs  Pe)  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

•  Fixed  selecCvity,  α  =  3.0  >  αc,  and  varying  Pe  

R-­‐SMB+  against  standard  SMB  

(Specific  producCvity  vs  Pe)   (Solvent  consumpCon  vs  Pe)  

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FEB  18   SAN  LUIS  ESCUELA  “GIORGIO  ZGRABLICH”  

R-­‐SMB−  against  standard  SMB  

•  R-­‐SMB  is  much                                                                                                                              less  influenced                                                                                                                                  by  column                                                                                                                          efficiency                                                                                                                                              than  the  SMB  

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•  Fixed  Pe  =  200  and  varying  selecCvity,  α  

•  What  means  τ2  =  0?  

R-­‐SMB  against  standard  SMB  

(Specific  producCvity  vs  α)   (Solvent  consumpCon  vs  α)  

(no  interme-­‐diate  step)  

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•  Fixed  Pe  =  1000  and  varying  selecCvity,  α  

R-­‐SMB  against  standard  SMB  

(Specific  producCvity  vs  α)   (Solvent  consumpCon  vs  α)  

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•  Introduced  the  R-­‐SMB  concept  and  its  realizaCon  under  the  form  of  analog  of  the  classical  four-­‐secCon  SMB  

•  R-­‐SMB  is  simple  to  implement  and  robust  to  operate  

•  R-­‐SMB  consists  of  two  cycles:  – R-­‐SMB−  cycle  for  difficult  separaCons  

– R-­‐SMB+  cycle  for  easy  separaCons  

Conclusions  

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•  The  R-­‐SMB  process  requires  less  desorbent  and  is  more  producCve  than  the  standard  SMB  under  condiCons  of  finite  column  efficiency  

•  The  comparison  increasingly  favors  the  R-­‐SMB  over  the  SMB  as  column  efficiency  decreases  

•  R-­‐SMB−  and  R-­‐SMB+  cycles  remain  valid  for  nonlinear  adsorpCon  isotherms  

•  QualitaCve  trends  observed  for  linear  adsorpCon  hold  for  nonlinear  separaCons  

Conclusions  

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•  The  R-­‐SMB  concept  can  be  generalized  to  other  SMB  configuraCons  

•  For  example,  the  R-­‐SMB  analog  of  the  three-­‐zone  SMB  process  is  

Conclusions  

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•  What  is  the  significance  of  the  Golden  Ra5o  in  the  theory  of  simulated  counter-­‐current  chromatography?  

•  Is  this  finding  sufficiently  novel  and  interesCng  to  allow  a  Chemical  Engineer  to  publish  a  paper  in  Nature  or  Science?  

Conclusions  

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§  Ruthven,  D.  M.,  Principles  of  AdsorpCon  and  AdsorpCon  Processes,  John  Wiley  and  Sons,  New  York  (1984)  

§  Yang,  R.  T.,  Gas  SeparaCon  by  AdsorpCon  Processes,  Bu�erworth,  Stoneham,  MA  (1987)  

§  Ruthven,  D.  M.,  Farooq,  S.,  Knaebel,  K.,  Pressure  Swing  AdsorpCon,  VCH  Publishers,  New  York  (1993)  

§  Rodrigues,  A.  E.,  LeVan,  M.  D.,  Tondeur,  D.  (eds),  AdsorpCon:  Science  and  Technology,  NATO  ASI  Series,  Kluwer  Academic  Publishers,  The  Netherlands  (1989)  

§  Do,  D.  D.,  AdsorpCon  Analysis:  Equilibria  and  KineCcs,  Imperial  College  Press,  London  (1988)  

Bibliografia  genérica