Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

L'estrazione con solvente è una tecnica abbastanza, ma non moltissimo, usata dall'industria per recuperare un soluto ma una miscela liquida o da una polpa solida e la ragione principale del suo limitato impiego è che non consente di ottenere direttamente la sostanza che si desidera recuperare, ma soltanto una sua soluzione più o meno concentrata dalla quale dovrà, poi, essere recuperata con altre tecniche di separazione e tipicamente con la distillazione.

Onde evitare equivoci, le correnti entranti in un impianto di estrazione con solvente, qualunque esso sia, sono le seguenti:

1) Alimentazione: è la corrente in entrata dalla quale si vuole recuperare il soluto, viene indicata con la lettera "F" e nel nostro caso è una polpa, cioè un solido imbevuto o comunque contenente il soluto.

2) Raffinato: è una corrente in uscita, viene indicato con la lettera "R" e, nel nostro caso è costituito dalle polpe asauste, quindi private quasi completamente di soluto ma che trattengono, perchè ne sono imbevute, una certa quantità di soluzione.

3) Solvente: è una corrente in ingresso, viene indicata con la lettera "S" ed è costituita da solvente che, se di recupero, contiene una piccola percentuale di soluto.

4) Estratto: è una corrente in uscita, viene indicata con la lettera "E" ed è costituita dalla soluzione costituita dal solvente più il soluto che vi si è sciolto.

Nell'estazione con solvente solido-liquido, benchè la situazione sia molto differente dall'estrazione liquido-liquido, è opportuno, per quanto possibile, mantenere le stesse lettere e quindi il soluto verrà indicato con "C", il solvente con "B" e la parte solida delle polpe, cioè l'inerte, con "I". Mentre le correnti è opportuno siano indicate sempre con le lettere maiuscole, le sostanze possono essere indicate anche con le lettere minuscole. L'entrata e l'uscita, infine, vengono specificate con le lettere minuscole "e" ed "u" poste al pedice ed in ultima posizione.

Il calcolo, nei problemi riguardanti l'estrazione con solvente solido-liquido deve essere condotto attraverso il diagramma triangolare che può essere rettangolare o equilatero. In entrambi i casi il solvente va posto nel vertice in alto, l'inerte nel vertice in basso a sinistra ed il soluto nel vertice in basso a destra.

Benchè possa apparire incredibile, riportare un valore su un diagramma triangolare, specie se equilatero, è un'operazione che solo in apparenza è banale, in realta è molto insidiosa se non si procede con scrupolosa metodicità. Immaginiamo di dovere inserire in un diagramma triangolare rettangolare una corrente avente la seguente composione espressa in percentuale: solido inerte I= 25%; solvente B= 35% e soluto C=40%.

La metodica migliore, anche se piuttosto lunga, dice di calcolare prima la percentuale, riferita però all'unità e non al 100, delle tre coppie I-C; I-B; B-C e che nel nostro caso sono:

1) Coppia I-C

I = 25/(25+40) = 0.3846

C = 40/(25+40) = 0.6154

2) Coppia I-B

I = 25/(25+35) = 0.4167

B = 35/(25+35) = 0.5833

3) Coppia B-C

B = 35/(35+40) = 0.4667

C = 40/(35+40) = 0.5333

Occorre, adesso, riportare i dati ottenuti sul diagramma triangolare e precisamente si deve prima individuare il punto rappresentatico della coppia I-C sul lato di base che, stabilita con la scala la lunghezza I-C uguale ad 1 (uno), il punto, che chiameremo P1, si troverà a 0.6154 da I ed a 0.3846 da C. In modo analogo dobbiamo trovare il punto rappresentativo della coppia I-B e della coppia B-C che chiameremo rispettivamente P2 e P3. Il punto rappresentativo della corrente si ottiene poi semplicemente come intersezione, unendo il punto P0 con il vertive B, il punto P1 con il vertice C ed il punto P3 con il vertice I.

Se non ci sono stati errori i tre segmenti si intersecano in uno stesso punto e quindi a rigore sarebbe sufficiente tracciarne solo due, tuttavia è consigliabile tracciarli tutti e tre per effettuare un controllo sul lavoro svolto. L'esperienza insegna che la maggior parte degli errori si commetto nella ocalizzazione dei punti P1; P2; P3 perche, ad esempio per P1, la ditstanza da I è uguale alla percentuale (riferita all'unità) di C e viceversa e questo intreccio è spesso causa di errore da parte degli studenti un pò più distratti.

calcolo a avere un che, se non ci so stati errori, si devono inco si troveroccsul lato di base del triangolo attenuti qA questo -I = con insidiosa ed il solvente in alto occupa

Nel caso in cui il solvente ed il diluente siano totalmente immiscibili tra di loro, la trattazione si semplifica di molto in quanto sia la portata del solvente che quella del diluente restano costanti e cambia solo la portata del soluto.

Il soluto è miscibile sia con l'eluente che con il solvente e, se indichiamo con "x" il rapporto tra la massa del soluto e la massa dell'eluente e con "y" il rapporto tra la massa del soluto e la massa del solvente, nel caso che i coefficienti di attività del soluto nell'eluente e nel solvente siano entrambi unitari, la legge di ripartizione di Nerst si semplifica e può essere espressa nel modo seguente

kr = x/y

dove "kr" è il coefficiente di ripartizione che è dunque una costante, nel senso che è indipendente dalla concentrazione del soluto e nel grafico la curva di equilibrio è una retta passante per l'origine degli assi ed avente come coefficiente angolare proprio "kr".

Un impianto di estrazione con solvente a singolo è costituito da un estrattore in cui l'alimentazione viene mescolata con il solvente e trattenutavi per il tempo necessario al raggiungimento dell'equilibrio, poi la miscela viene fatta passare nel decantatore per la separazione dell'estratto dal raffinato.

Salvo casi particolari, e piuttosto rari, in cui il coefficiente di ripartizione è molto elevato, l'estrazione a singolo stadio non consente un buon recupero di soluto a meno di non usare un forte quantitativo di solvente e pertanto viene poco usato nei processi industriali, è comunque utile effettuarne lo studio prima di esaminare il sistema in controcorrente e quello a correnti incrociate.

Per prima cosa occorre fare il disegno dello stadio di estrazione con le quattro correnti, F ed S in entrata e R ed E in uscita, poi si deve calcolare numericamente ove possibile e lasciare indicato letteralmente ove non è possibile, il rapporto in massa soluto/diluente e soluto/solvente sia in entrata che in uscita, e quindi si deve tracciare una linea chiusa intorno alla stadio e di deve fare il bilancio di materia riferito al soluto.

Se tutto è andato bene si dovrebbe pervenire alla seguente equazione:

A * (xce - xcu) = B * (ycu - yce)

che si semplifica ulteriormente se si introduce solvente puro perchè in questo caso yce=0 e dunque l'equazione diventa:

A * (xce - xcu) = B * ycu

Siccome le correnti in uscita sono in equilibrio tra di loro, in base alla legge di ripartizione di Nerst possiamo dire che

ycu = kr * xcu

e moltiplicando e sostituendo otteniamo

A*xce - A*xcu = B*kr*xcu

da cui si ricava facilmente

xcu = A*xce / (A + B*kr)

equazione che ci consente di calcolare la composizione del raffinato nota la portata e la composizione dell'alimentazione e la portata del solvente.

Si vede subito che maggiore è la portata del solvente ed il valore della costante di ripartizione e minore è il soluto presente nel raffinato, di conseguenza risulta maggiore il soluto presente nell'estratto e quindi, in definitiva, risulta più efficiente l'estrazione.

Per calcolare la quantità di solvente presente nell'estratto basta fare la differenza tra la portata di soluto nell'alimentazione e quella presente nel raffinato. Per calcolare la concentrazione del soluto nell'estratto è sufficiente fare il rapporto tra la portata del soluto nell'estratto calcolabile con A*(xce - xcu) e la portata del Solvente.

E' anche ovviamente possibile fissare l'entità del recupero del soluto, ad esempio 95%, e calcolare la portata del solvente ed in questo caso, si può procedere nel modo seguente:

1) Fissare come base di calcolo un secondo oppure un'ora e calcolare la quantità di soluto che entra nell'estrattore con l'alimentazione.

2) Calcolare la quantità di soluto da recuperare e quella da perdere con il raffinato.

3) Calcolare la quantità di diluente "A"

4) Calcolare la quantità di solvente necessaria con la formula precedentemente trovata A*xce - A*xcu = B*kr*xcu ed esplicitata rispetto a "B"

B= (A*(xce - xcu))/(kr*xcu)