Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

L'estrazione con solvente è una tecnica abbastanza usata dall'industria per separare una sostanza da una miscela 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 miscela con un solvente dalla quale potrà poi essere recuperata con la distillazione.

Onde evitare equivoci ed incomprensioni le correnti entranti ed uscenti dall'unico stadio, dato che l'estrazione è a singolo effetto sono le seguenti:

1) Alimentazione: è una corrente in entrata, viene indicata con la lettera "F" ed, almeno per il momento, è costituita da una miscela di due sole sostanze solubili tra loro, che sono il soluto ed il diluente ai quali viene attribuita rispettivamente la lettera "C" e la lettera "A".

2) Raffinato: è una corrente in uscita, viene indicato con la lettera "R" ed è costituito dal soluto e dal diluente.

3) Solvente: è una corrente in ingresso, viene indicata con la lettera "S" ed è costituita da una miscela di solvente e di soluto ai quali viene attribuita rispettivamente la lettera "B" e la lettera "C".

4) Estratto: è una corrente in uscita, viene indicata con la lettera "E" ed è costituita dal soluto e dal solvente.

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)