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LESTRAZIONE CON SOLVENTE 1 Prof. Ernesto Trinaistich.

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Presentazione sul tema: "LESTRAZIONE CON SOLVENTE 1 Prof. Ernesto Trinaistich."— Transcript della presentazione:

1 LESTRAZIONE CON SOLVENTE 1 Prof. Ernesto Trinaistich

2 Le Estrazioni con solvente si suddividono in due grandi categorie: Estrazione liquido / liquido; Estrazione liquido / solido. Lestrazione liquido / liquido può dare origine a fasi immiscibili o parzialmente miscibili. Il caso di totale miscibilità tra le fasi non dà la possibilità di effettuare loperazione. 2

3 LESTRAZIONE CON SOLVENTE : liquido-liquido (immiscibili) Lestrazione è una operazione unitaria in cui si mette in contatto una soluzione F con un solvente S, il soluto contenuto in F si ripartisce, fino alle condizioni di equilibrio termodinamico. Alla fine si ottengono due fasi liquide immiscibili: 1.Estratto, E costituito da solvente contenente il soluto estratto; 2.Raffinato, R costituito dal diluente o inerte con il soluto non estratto. F E (Singolo stadio ) miscela eterogenea S R Loperazione rappresenta uno stadio di equilibrio. Lo stadio di equilibrio ideale comprende sia la perfetta miscelazione e raggiungimento dellequilibrio che la successiva separazione delle due fasi liquide E ed R. 3

4 Lestrazione può essere effettuata a stadi multipli: in controcorrente o a correnti incrociate. F R 1 R 2 …….. Rn M 1 M 2 E 1 E 2 E 3 ………….. S Controcorrente S 1 S 2 F M 1 M 2 R 1 R 2 E 1 E 2 a correnti incrociate 4

5 Nella disposizione a correnti incrociate il solvente entra fresco in ogni stadio e da questultimo esce un estratto. La ripartizione del soluto nelle due fasi liquide è regolata dalla legge di Nerst. Che recita: Allequilibrio il rapporto delle attività del soluto nelle due fasi deve essere costante. y * γE = x * γR dove : y è la frazione molare del soluto nellE x nellR γ E coefficiente di attività del soluto nellE γ R nellR A basse conc. di soluto i due γ E e γ R si possono ritenere costanti per cui: y γR = = Kr Legge di Nerst. x γE dove la Kr è la costante o coefficiente di ripartizione. 5

6 Colonna di Estrazione

7 ESTRAZIONE A STADIO SINGOLO F E A XF B YE Può essere schematizzata : A = Diluente puro; B = Solvente puro M F, S, R, E sono le altre portate S R B YS A XR Mentre : M: miscela destrazione XF = conc.in rapporto del soluto nellalimentazione F XR = conc.in rapporto del soluto nel raffinato R YS = conc.in rapporto del soluto nel solvente S YE = conc.in rapporto del soluto nellestratto E Le portate oltre che essere riferite alle masse possono essere riferite alle moli. Le portate di diluente A e solvente B allingresso e alluscita dallo stadio destrazione M non variano ed è necessario solo calcolare il bilancio del soluto: Soluto alimentazione + soluto nel solvente = Soluto nel raffinato + soluto nellestratto. 7

8 Essendo i rapporti molari: Soluto in F soluto nel Raffinato XF = ; XR = A A soluto nel solvente soluto nellEstratto ; YS = ; YE = B B Il bilancio è: A * XF + B * YS = A * XR + B * YE da cui A * ( XF - XR ) = B * ( YE - YS ) I due membri esprimono la portata di soluto che si trasferisce da una fase allaltra. Proseguendo col bilancio al soluto, essendo YE = Kr * XR A * ( XF - XR ) = B * (Kr * XR - YS ) Nel caso di utilizzo di solvente puro (S=B) si ha YS = 0 Pertanto si ha : A * ( XF - XR ) = B * (Kr * XR) A XF - A XR = B Kr * XR) ; A XF = A XR + B Kr * XR) 8

9 A * XF A * XF = XR (A + B * Kr) ; Da cui XR = A + B * Kr che permette il calcolo della XR In ogni caso vale sempre il bilancio totale delle portate: F + S = R + E Lincognita è rappresentata dal rapporto molare XR relativo alla concentrazione della sostanza presente nel raffinato uscente. La portata del raffinato R sarà data da : R = A + sost. in R dove sost. in R = XR * A Altro parametro è il rapporto Solvente / Diluente necessario per ottenere una data resa destrazione, esso si ricava : B XF - XR = A YE - YS 9

10 ESTRAZIONE A STADI MULTIPLI A CORRENTI INCROCIATE La soluzione viene miscelata ripetutamente con solvente fresco con separazione delle due fasi tra uno stadio e laltro. Si presta ad operazioni discontinue o di laboratorio. Essendo immiscibili Diluente e Solvente, la corrente del diluente puro A resta costante mentre il solvente può uscire diverso nei vari stadi: Il bilancio riferito a tutti gli stadi è : A * XF + Σn Bi * YSi = A * Xn + Σn Bi * Yi Passando dal singolo stadio a tutti gli stadi si ottiene XF B * Kr n = 1 + Xn A Applicando lequazione di bilancio al generico stadio si ha: A * ( Xm-1 - Xm ) = Bm * ( Ym - YS ) che diventa : - A Ym - YS che rappresenta il coeff. ang. = m della retta di lavoro B Xm - Xm-1 10

11 Xn XFXF H P Le coordinate A e B del punto P si ricavano da Y = Kr * X assegnado un valore alla X; Il punto H corrisponde al rapporto molare dellalimentazione XF ; La retta di lavoro HQ si traccia conoscendo il coeff. Angolare m che è = - A/B Xn si ricava dalla resa ε che è : XF – Xn sost. non estratta ε = ; Uguale al rapporto: XF A (inerte) Per calcolare le portate, si parte dal bilancio totale: F + Σ B = Rn + Et A B Estraz. Liq-liq. Immiscibili a correnti incrociate con Kr costante La retta di equilibrio è OP La retta di lavoro è HQ I piatti si determinano scendendo le verticali e tracciando le parallele alla retta di lavoro HQ. O Q

12 XFXF Estraz. Liq-liq. Immiscibili a correnti incrociate con Kr non costante In questo caso la retta di equilibrio è una curva ( non vale Y = Kr * X ( si disegna per punti) La curva di equilibrio è OP La retta di lavoro è HQ la retta r è dovuta alla presenza di soluto nel solvente (Y S ) I piatti si determinano a partire da Q scendendo le verticali e tracciando le parallele alla retta di lavoro HQ. P O r H YSYS La retta di lavoro HQ si traccia conoscendo il coeff. Angolare m che è = - A / B Xn si ricava dalla resa ε che è : XF – Xn sost. non estratta ε = ; Uguale al rapporto: XF A (inerte) Per calcolare le portate, si parte dal bilancio totale: F + Σ B = Rn + Et Q Xn

13 ESTRAZIONE A STADI MULTIPLI IN CONTROCORRENTE E una operazione continua con le due fasi che si muovono in controcorrente. Essendo il Solvente e il Diluente tra loro immiscibili, le loro portate restano costanti. Quando Kr non è costante, così come praticamente si fa in tutti i casi, il numero di stadi n si calcola graficamente considerando che le portate di solvente e diluente restano costanti. Questo nel caso di completa immiscibilità e anche per parziale solubilità, se questo non fa variare di molto le portate di A e B. Considerando il bilancio tra il primo stadio e quello generico m, si può scrivere : A * XF + B * YS = A * Xn + B * Yi e A Y1 - Ys = A B XF - Xn Da cui: Y1 = Ys + (XF - Xn ) B 13

14 Tracciando sul piano cartesiano la retta di lavoro e la curva (o retta) di equilibrio è possibile graficamente, ricavare il numero n stadi teorici necessari per lestrazione. Per tracciare la retta di equilibrio si calcola Y 0 ( concentrazione del soluto nellestratto in equilibrio con lalimentazione) in funzione di XF : Y 0 = Kr * XF ( Kr costante), assegnando un valore a caso alla X avremo il punto (XF, Y 0 ) : H. La retta parte dallorigine. Per tracciare la retta di lavoro si calcola la concentrazione nellultimo raffinato Xn dalla resa ε. Se il solvente è puro si ha: Ys = 0, per cui si conosce il punto (Xn, Ys) che è (Xn, 0), punto da dove parte la retta di lavoro. A diluente Calcolando = = tg α B solvente si traccia la retta avente pendenza α, partendo da (Xn, 0). Anziché operare con la tg α, per risolvere il problema della pendenza, si determina lordinata punto G A Ys + * (XF - Xn ) = Y1, avente per ascissa XF. B 14

15 Unendo il punto (Xn, 0) con il punto G (Y1, XF) si può tracciare la retta di lavoro. H G D Xn XF YS=0 Yo Y1 Y2 Y3 X3 Y4 X2 X1 Retta di lavoro Retta di equilibrio 15

16 Lestrazione in controcorrente è superiore. In pratica con lo stesso numero di stadi e la stessa resa, si opera con meno della metà di solvente e si ottiene un estratto più concentrato. La costruzione dei gradini parte da G. Ogni gradino corrisponde ad uno stadio ideale. Nellintervallo di concentrazione che interessa la retta di lavoro deve stare al di sotto di quella dequilibrio. La concentrazione del raffinato sta nelle ascisse e quella dellestratto sulle ordinate, così in ogni stadio di estrazione la conc. di soluto nel raffinato entrante è superiore a quella nelluscente. Mentre quella dellestratto entrante è inferiore allestratto uscente. Le condizioni limite sono quelle per cui la retta di lavoro tocca la linea di equilibrio, corrispondente a n infinito. 16

17 SISTEMI A PARZIALE SOLUBILITA In questo caso sono presenti fasi ternarie, e si usano diagrammi a triangolo, equilatero o rettangolo isoscele. Le concentrazioni ( in massa ) vengono espresse in frazioni, cioè sostanza fratto miscela. X frazione del soluto C, Y solvente B, Z del diluente A. I vertici rappresentano i composti puri. I punti sui lati rappresentano le frazioni binarie tra i componenti presenti nel lato. I punti interni rappresentano miscele ternarie le cui concentrazioni nei tre componenti sono ricavate tirando le parallele dal punto (es. P) ai lati opposti alla grandezza riferita, e, stabilito il verso (antiorario), considerando il vettore che incide sul lato corrispondente alla concentrazione cercata: 0 1 C C (X), B (Y), A (Z). (Verso antiorario) A è il diluente A(Z) B è il solvente puro Q C è il soluto 1 0 B 1 0 A C(X) B(Y) 17

18 Per trovare le coordinate x,y,z ( che non sono altro che le concentrazioni in frazioni molari) corrispondenti ad una miscela è conveniente tracciare tutte le parallele ai lati sino ad arrivare ai vertici. C B A 0, Il punto avente coordinate: X=0,3, Y=0,4 e Z=0,3 si trova in P. La somma delle frazioni molari è: X+Y+Z =1. Viceversa dal punto P dato, è possibile risalire alle coordinate tracciando i vettori paralleli ai tre cateti. X=0,3 Y=0,4 Z=0,3 P 18

19 Altro tipo di grafico è a triangolo rettangolo. F Nel vertice a 90° cè A, sopra C e a destra B. I diagrammi a triangolo godono di due proprietà: 1. Regola dellallineamento delle correnti formanti una miscela. Considerando una miscela sottoposta ad estrazione, con F lalimentazione e S il solvente, il punto rappresentativo della corrente miscela M giace sul segmento che unisce F ad S allinterno del triangolo. 2. La posizione di M, come distanza da F e S soddisfa la regola della leva: F * FM = S * SM ; ( I segmenti vanno misurati con il righello) SMF = F SM (1) Il problema del calcolo delle concentrazioni oltre che trattarlo graficamente lo si può risolvere dai bilanci. Nel grafico vengono riportate le concentrazioni di F e di S ( si ottengono dalle portate). Unendo F con S si ha il segmento FS, allinterno si trova il punto M (miscela), FS = FM + MS ( le misure sono in mm). C A B 19 S M

20 Dal punto di vista della miscibilità tra solvente, diluente e soluto, il caso più comune è diluente e solvente parzialmente miscibili mentre il soluto è completamente miscibile con entrambi. Il diagramma (in questo caso si utilizza quello a triangolo isoscele) si presenta con una zona di immiscibilità ( a t° costante) tra solvente B e diluente A (allinterno della curva binodale) in cui sono presenti miscele eterogenee bifasiche. 20 Dividendo per FM si ha: FM MS FS FM FS + = cioè 1 + = MS MS MS MS MS che si può mettere in relazione con la (1) C B A F M S I segmenti vanno misurati in mm. FS MS = SFSF + 1

21 I punti rappresentativi si trovano nel tratto di curva DP R (ramo raffinati) e E nel tratto PG ( ramo estratti). Il segmento R E è detto retta di coniugazione. La curva DPG è chiamata binodale. C A B F E R M P D G I bilanci di materia sono : M = F + S globale. M * XM = F * XF + S * XS bilancio al soluto M * YM = F * YF + S * YS bilancio al solvente. Da cui F * XF + S * XS F * YF + S * YS XM = e YM = M M F XM – XS = S XF – XM S Sostituendo il bil.glob. nel bilancio al soluto si ottiene: 21

22 Per calcolare le portate è conveniente disegnare una tabella con riportate le portate F, S, R e E e le concentrazioni X,Y,e Z. Ricordando che X+Y+Z=1 F S R E XF XS XR XE YF YS YR YE ZF ZS ZR ZE XF Rappresenta la concentrazione del soluto nellalimentazione F YF Rappresenta la concentrazione del solvente nellalimentazione F ZF Rappresenta la concentrazione del diluente nellalimentazione F XE Rappresenta la concentrazione del soluto nellestratto E YE Rappresenta la concentrazione del solvente nellestratto E ZE Rappresenta la concentrazione del diluente nellestratto E XR Rappresenta la concentrazione del soluto nel Raffinato R YR Rappresenta la concentrazione del solvente nel Raffinato R ZR Rappresenta la concentrazione del diluente nel Raffinato R 22

23 ESTRAZIONE A SINGOLO STADIO NEL CASO DI PARZIALE MISCIBILITA E come quello studiato nel caso di immiscibilità Si usano però le concentrazioni in frazioni anziché in rapporto. C A B F E XF YF ZF XE YE ZE M XS YS ZS XR YR ZR S R F R E S M D G F costituita da soluto e diluente ( sta sul lato AC) S solvente impuro contenente anche soluto e solvente per cui il suo punto rappresentativo sta allinterno del triangolo (ma fuori della zona di immiscibilità). M che rappresenta la miscela, giace sul segmento FS allinterno della lacuna di miscibilità (nel caso contrario non formandosi le due fasi lestrazione non sarebbe possibile). I punti D e G rappresentano le condizioni limite per la formazione delle due fasi, al di fuori si ha una sola fase e non si ha estrazione. D corrisponde alla minima quantità di solvente B, G alla massima. 23

24 La miscela M è costituita da due fasi, lestratto E e il raffinato R i cui punti rappresentativi stanno sulla curva binodale. Oltre che analiticamente, il bilancio di materia è possibile determinarlo anche graficamente applicando la regola della leva vista prima. Per risolvere il problema si uniscono i punti F e S, si ottiene così D che rappresenta il rapporto minimo solvente / alimentazione. Si calcola, dalle misure lette sul grafico, ( S / F) min. DF che è = DS che rappresenta il rapporto minimo. Si aumenta del coefficiente di maggiorazione voluto e si calcola il rapporto effettivo. S Da cui S da utilizzare è = * F F eff S Conoscendo il valore F eff. S F M si può calcolare il punto miscela M, da = F eff S M 24

25 Si ricava SM e quindi M. Per individuare E e R presenti in M si traccia la retta di coniugazione. Si procede per tentativi utilizzando la curva di ripartizione. Si traccia la retta passante per M parallela alla retta di coniugazione più vicina e si legge la conc. dellestratto e sulla curva di ripartizione il corrispondente raffinato.Si riportano i valori sulla curva binodale e si uniscono con la retta di coniugazione lE e lR così individuati. Conosciute le conc. dal bilancio si possono ricavare le portate. M = E + R e E = M – R. 25

26 ESTRAZIONE LIQUIDO – SOLIDO - LISCIVIAZIONE Si tratta un solido con solvente B per estrarre un soluto C. Si ottiene un residuo R che contiene linerte I insolubile insieme a parte del soluto e solvente, e lestratto E soluto + solvente. Si usa per estrarre il saccarosio dalla bietola, per estrarre lolio dai semi ecc. Lestrazione è favorita dalla t°, dalla Pressione, agitazione, natura del solvente e dimensioni piccole. Sono presenti tre componenti:soluto C, solvente B e inerte I. Si utilizza un diagramma a triangolo rettangolo isoscele. ( in genere Z si calcola sapendo che X+Y+Z =1 ). Si ipotizza che alla fine si separa la fase liquida ( lEstratto esce privo di inerte) da un solido Residuo ( contenente soluto e anche solvente). Pertanto il punto rappresentativo del Raffinato si trova allinterno del triangolo, mentre lestratto considerato privo di inerte si trova sullipotenusa. 26

27 Il luogo dei punti rappresentativi dei residui è la linea di equilibrio. Essa si disegna o sapendo i punti o lequazione della retta, oppure ipotizzando un rapporto costante Soluzione / inerte o solvente / inerte. Soluz./ inerte=cost Solvente / inerte = cost B I C B I C B I C 27

28 ESTRAZIONE A SINGOLO STADIO Per prima cosa si disegna la tabella con F, S, E e R e le loro concentrazioni x, y e z, poi si traccia la linea dequilibrio nel modo visto. Si localizzano sul diagramma a triangolo rettangolo isoscele i punti rappresentativi di F e S e si uniscono ( se il solvente è puro il segmento parte dal vertice S e va in F che si trova nel cateto ascissa. La linea dequilibrio e il segmento FS si incontrano in D rappresentativo del miscuglio ottenuto col minimo quantitativo di solvente. F FD F Per calcolare il rapporto minimo si applica = S SD S min Il rapporto va poi maggiorato come richiesto e si ottiene il rapporto effettivo S effettivo F 28

29 S FM Sono conosciute le relazioni: = e FS = FM + SM F eff: SM FS FM S = + 1 che è anche uguale a : + 1 SM SM F eff. Si calcola quindi SM e si individua, sul segmento SF, il punto miscela: M. Si congiunge il vertice I con M e si individuano lR sulla linea dequilibrio ed E sullipotenusa. Le concentrazioni XR e XE vengono lette sullascissa. Il punto R, corrispondente al raffinato, cade allinterno del triangolo perché contiene: S, C e linerte I, ed ha concentrazioni YR e XR. Il punto E, corrispondente allestratto, non contiene inerte I pertanto è localizzato sullipotenusa ed ha concentrazioni: YE e XE. 29

30 Linea di equilibrio B I F C S E M D R YEYE YRYR XRXR XEXE 30

31 ESTRAZIONE A STADI MULTIPLI A CORRENTI INCROCIATE S 1 S 2 S 3 FR 1 R 2 R 3 E 1 E 2 E 3 Lasportazione del soluto da parte del solvente è migliore però porta a estratti diluiti. Si opera nel seguente modo: si traccia la linea dequilibrio e su di essa si identifica Rn (dato). Si segnano F ed S e si uniscono. Si determina quindi M1 con la regola della leva. Unendo I con M1 si individuano R1 e E1. Si unisce R1 ( che rappresenta lalimentazione del secondo stadio) con S. Si determina così M2. Unendo il vertice I con M2 si individuano E2 e R2. Si prosegue fino a quando il raffinato R ha concentrazione minore di Rn. Il caso rappresentato in figura si riferisce ad una linea dequilibrio tracciata per punti, un solvente non puro contenente del soluto e lalimentazione contenente: soluto, solvente e inerte. M1M1 M2M2 M3M3 31

32 B 1 S E3 E2 E1 M3 M2 R3 M1 Rn R2 R1 F 0 I 0 Xn 1 C 32

33 Estrazione con solvente in controcorrente utilizzando acqua preriscaldata 33

34 34


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