ESTRAZIONE

La separazione dei componenti da una miscela liquida può essere ottenuta anche tramite estrazione con solvente. La frazionazione per estrazione con solvente è un'operazione unitaria per separare uno o più componenti da una miscela di fase liquida (o solida) mediante la loro dissoluzione selettiva in un solvente.

Nel caso in cui la miscela di alimentazione sia liquida, viene anche chiamata estrazione liquido-liquido. La seconda fase necessaria per ottenere la separazione è un liquido adatto. Questa operazione di separazione è possibile grazie alla diversa affinità (cioè ai coefficienti di attività) dei componenti in un dato solvente. Approccio gamma-phi.

Il solvente viene scelto in modo da massimizzare la sua affinità rispetto a uno (o più) componenti della miscela liquida (o solida) di partenza, in modo da separarli dal resto dei componenti liquidi (o solidi). Il solvente viene selezionato per ottenere una distribuzione favorevole dei componenti di interesse tra le due fasi. 

La solvent extraction può essere effettuata sia in modo discontinuo o continuo a singolo stadio, sia in modo continuo a stadi multipli. Questo metodo è stato utilizzato nell'industria chimica per molto tempo, anche se non è così ampiamente usato come la distillazione. La solvent extraction è un processo di separazione non termico.

In generale, il problema è il seguente:

• Viene data una miscela (binaria, per semplicità) contenente un componente che deve essere ottenuto con un certo grado di purezza.

• Si cerca quindi di trasferire questo componente dalla soluzione iniziale a una seconda soluzione (chiamata estratto), ottenuta aggiungendo un terzo componente al sistema: il solvente.

• In alternativa, potrebbe essere opportuno estrarre il secondo componente invece del componente di interesse, che viene quindi ottenuto come residuo dell'estrazione (chiamato raffinato).

Il componente di interesse (dopo la fase di estrazione) deve essere separato dall'estratto (o dal raffinato) in una seconda fase del processo, per ottenere la purezza desiderata. Questa fase (distillazione o precipitazione (cristallizzazione)), è necessaria per ottenere il recupero e il riciclo del solvente. Il processo è simile ai processi di separazione per assorbimento e stripping.

Proprietà desiderabili per il solvente selezionato per l'estrazione:

• Alta solubilità verso il componente da estrarre, per limitare il consumo di solvente.

• Alta selettività per estrarre sostanzialmente solo un componente dalla soluzione iniziale.

• Bassa solubilità nel raffinato, per limitare le perdite di solvente.

• Buona separabilità dell'estratto: se viene utilizzata la distillazione, è auspicabile avere una differenza significativa nei punti di ebollizione e l'assenza di condizioni azeotropiche.

• Grande differenza di densità delle due fasi liquide, per facilitare la separazione.

• Valore appropriato della tensione interfaciale: un valore basso assicura una piccola dimensione delle gocce, ma facilita la formazione di emulsioni; un valore alto favorisce la coalescenza, produce gocce più grandi che riducono il trasferimento di massa.

• Bassa viscosità, poiché favorisce il trasferimento di massa.

• Bassa pressione di vapore alle condizioni di estrazione, per ridurre le perdite per evaporazione.

• Basso costo e alta disponibilità.

• Stabilità chimica e termica e proprietà non corrosive.

• Nessuna implicazione per la sicurezza e l'ambiente.

I punti P, Q e R, appartenenti al segmento AP, che parte dal vertice A, sono caratterizzati dal valore costante del rapporto zB/zC. Questo è immediatamente evidenziato dalla somiglianza dei triangoli che identificano la frazione di questi componenti sui lati AB e AC. Anche i segmenti QC' e QB', sulla parallela a BC che passa per Q, sono nello stesso rapporto.

La miscelazione delle miscele R e S per ottenere la miscela M è mostrata nella figura. Il punto M sul segmento RS lo divide in parti proporzionali alle rispettive quantità secondo la regola della leva.

A temperatura e pressione costanti, uno o due sistemi binari possono mostrare una lacuna di miscibilità: sono indicati come sistemi "Tipo I" e "Tipo II". I due rami delle curve di solubilità si riferiscono alla fase a (soluzioni con basso contenuto di S) e alla fase β (soluzioni con alto contenuto di S).

Utilizzando una rappresentazione pseudo-binaria di LLE

Nella rappresentazione pseudo-binaria il solvente non viene considerato (rappresentazione priva di solvente). Le frazioni pseudo-binarie sono definite da:

La selettività di A rispetto a B è:

La rappresentazione pseudo-binaria non definisce completamente l'equilibrio. 

Utilizzando la rappresentazione di Janecke della LLE. Il grafico superiore ha sull'ascissa le composizioni pseudo-binari delle fasi in equilibrio. L'ordinata Z riporta i rapporti tra la quantità di solvente S e quella del sistema binario AB nella fase considerata:

Valutazione della LLE in un sistema ternario

In un sistema a tre componenti con due fasi liquide coesistenti, possono essere scritte tre condizioni di iso-attività per calcolare l'equilibrio termodinamico.NRTL e UNIQUAC possono essere utilizzati per i coefficienti di attività. I coefficienti di distribuzione K = y / x sono definiti. 

Operazione a stadio singolo: il processo mixer-settler

In un diagramma ternario, conoscendo il rapporto F/S, il punto M è determinato sul segmento FS

• dividendo in parti proporzionali a F e S (regola della leva).

• Il punto M rappresenta lo stream di uscita totale.

• I punti R ed E si trovano sulla tie line che passa per M, e si ha R/E = ME/RM.

• M’ e M” sono i valori massimi e minimi del rapporto F/S che consentono la separazione della miscela di A e S in due fasi.

NOTA:

• Nell'estrazione con solvente è necessario separare un'emulsione di due fasi liquide dopo che l'estrazione è stata effettuata.

• Ciò viene solitamente realizzato mediante decantazione gravitazionale.

• In un sistema mixer-settler si assume che i due flussi di uscita siano in equilibrio termodinamico tra di loro.

Operazione a stadi multipi: il processo mixer-settlerin serie

Un sistema mixer-settler ha prestazioni insufficienti. Vengono evidenziati i valori limite per l'estratto (fase E', in equilibrio con M') e per il raffinato (fase R', in equilibrio con M"). Anche le composizioni di E e R sono limitate dalla termodinamica.

Un certo numero di mixer-settler in serie, collegati in controcorrente, è un modo possibile per superare questo problema. 

-->I gradi di libertà

Un'altra limitazione di un sistema mixer-settler è che ha solo un grado di libertà. Usando una serie di mixer-settler in serie, collegati in controcorrente, si ottiene un sistema simile alle unità multistadio di assorbimento e stripping. Di conseguenza, un sistema di più mixer-settler ha due gradi di libertà (progettazione) e un grado di libertà (valutazione). Una specifica di progettazione sull'estrazione (o sulla raffinazione) viene selezionata come uno di essi. Il secondo è di solito il flusso di solvente in ingresso. Come processo di separazione non termico, l'estrazione con solvente non ha obblighi energetici ed è eseguita a temperatura e pressione ambiente.

Nel calcolo di progetto, le portate di flusso F e S e le composizioni di alimentazione e solvente sono note. La composizione dell'estrazione o quella della raffinazione viene fissata come specifica di progetto. Il numero di stadi ideali richiesti per la separazione viene calcolato da E1, e usando equazioni di equilibrio o di bilancio in modo alternato.

Nel calcolo di rating, il numero di stadi ideali disponibili è noto, in modo che ci sia solo un valore di portata di solvente S che garantisce di raggiungere la composizione desiderata di uscita dell'estrazione (o della raffinazione).

Soluzione grafica controcorrente: 2 unità. 

1. Sappiamo F e S; collegarli con una linea e individuare la "miscela" M.

2. Specificare E1 o RN (sapremo sempre uno di loro)

3. Collegare una linea retta attraverso M passando attraverso quello specificato

4. Risolvere per quello non specificato usando la linea al punto 3

5. Collegare S attraverso RN ed estrapolare

6. Collegare E1 attraverso F ed estrapolare; incrociare le linee in P

7. Trovare P per intersezione di 2 linee

8. In generale: collegare En e Rn tramite linee di equilibrio.

Multi-stage mixer-settler in una colonna di estrazione con solvente

Un sistema multistadio mixer-settler può essere realizzato in una colonna a corrente contraria, che può essere una colonna a piatti (piatti a griglia) o una colonna impaccata. Il solvente è alimentato dal basso (se ha una densità minore rispetto alla miscela da estrarre) o dall'alto (se la sua densità è maggiore rispetto a quella della miscela). In questo senso, l'estrazione con solvente può essere assimilata a un processo di assorbimento (primo caso) o a un processo di stripping (secondo caso). Tuttavia, a causa delle proprietà di trasferimento di massa inferiori nei miscugli liquido-liquido rispetto a quelli vapore-liquido, l'efficienza dei piatti è molto più bassa (o i valori HTU sono molto più alti) per le operazioni di estrazione con solvente rispetto alla distillazione, all'assorbimento e allo stripping. Pertanto, l'estrazione con solvente è efficace solo per sistemi con una selettività molto alta. 

Static Columns 

Oldshue-Rushston Column 

• Sviluppato negli anni '50 e con molte installazioni commerciali

• Gestione dei solidi e viscosità fino a 500 cP. Contattore differenziale 

Reciprocating Plate Extractor (Karr) 

Sviluppato nel 1959 con molte installazioni commerciali

• Molto alta efficienza volumetrica

• Variazione di ampiezza e frequenza del piatto

• Attenzione alle basse tensioni interfacciali, il movimento del piatto può pulire le pareti. Contattore differenziale

• Scale-up alla potenza 0,38 del diametro

Rotating and oscillating columns 

Podbielniak 

Mixer-Settler

Un sistema di mixer-settler multi-stadio può essere realizzato accoppiando una serie di miscelatori e decantatori. Un miscelatore è un serbatoio semplice, con dispositivi adatti per promuovere il trasferimento di massa. Un decantatore è un recipiente orizzontale con baffi interni disposti in modo appropriato per separare due fasi liquide immiscibili grazie alla loro diversa densità (la differenza di densità deve essere almeno di 50 kg/m3). 

• Ampia gamma di progetti e gestisce ampie gamme di rapporti di flusso

• Facile avviamento e facile da pulire/ispezionare. Operazioni batch

• Attrezzatura più grande che occupano molto spazio sul pavimento. Spesso richieste pompe tra i vari stadi

• Gestisce i solidi e bassa altezza libera

• È possibile aggiungere stadi e richiede elevata quantità di solvente

Centrifugo

Sintesi:

L’estrazione è una operazione unitaria in cui si mette in contatto una soluzione F con un solvente S, il soluto contenuto in F si ripartisce nelle due fasi fino alle condizioni di equilibrio termodinamico. La ripartizione del soluto nelle due fasi liquide è regolata dalla legge di Nernst: all’equilibrio le attività del soluto nelle due fasi liquide devono essere uguali:

Alla fine si ottengono due fasi liquide immiscibili: Estratto costituito dal solvente contenente il soluto estratto e il Raffinato costituito dal diluente o dall'inerte con il resto del soluto non estratto.

L’operazione rappresenta uno stato di equilibrio, cioè uno stato in cui le due fasi pervengono all'equilibrio dopo che sono entrati in contatto. Lo stadio di equilibrio ideale comprende sia la perfetta miscelazione e raggiungimento dell’equilibrio che la successiva separazione delle due fasi liquide E ed R.

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FATTORI CHE INFLUENZANO LA RESA DEL PROCESSO:

• solvente selettivo, stabile chimicamente termicamente, bassa T ebollizione, scarsamente miscibile col diluente, opportuna tens.vapore, bassa tens.superficiale e viscosità.

• temperatura: maggiore, per maggior diffusione e resa

• tempo di contatto: opportuno

• agitazione o più passaggi di solvente, o più stadi di estrazione.

• modalità di CONDUZIONE: monostadio; multistadio in equi(correnti incrociate), controcorrente

Stadi multipli in controcorrente: E’ una operazione che si svolge in continuo. Le due correnti si muovono in senso opposto. Le portate di diluente e solvente rimangono costanti lungo tutto il percorso.

Correnti incrociate: Nell'estrazione a correnti incrociate la soluzione da estrarre viene miscelata ripetutamente con del solvente fresco, previa separazione delle due fasi tra uno stadio e l'altro. Con questo metodo si ottengono basse concentrazioni degli estratti uscenti (soluzioni sempre più diluite)

​IMPIANTO PILOTA: impianto su scala ridotta dove si va a modificare i vari parametri per ottimizzare le condizioni operative. Si effettuano calcoli empirici e i rapporti tra HETS sono uguali ai rapporti tra i diametri delle colonne elevati ad un fattore di scala. Altezza colonna= HETS * N eff. Lo scopo è però quello di ottenere il soluto puro, la sola estrazione non è in grado di assicurarlo, in quanto si ottiene solo una soluzione, l'estratto, da cui si può separare il soluto utilizzando un'altra tecnica di separazione.

APPLICAZIONI L'estrazione liquido/liquido trova impiego ogni qualvolta non si possono utilizzare le altre tecniche di separazione per: la bassa volatilità relativa tra i componenti; la loro termolabilità; costi troppo elevati: raffinazione purificazione nell’industria alimentare – ind.petrolifera, desolforazioni, addolcimento benzine, separare idrocarburi aromatici dagli alifatici - nell’industria farmaceutica estrazione degli antibiotici dai brodi di fermentazione (liq/liq immiscib.) e estrazione di vitamine da oli di pesce – depurazione di acque di scarico da sostanze organiche volatili- ind.mineraria, per rame, uranio...

ESTRZIONE S-L: Nell'estrazione solido/liquido, detta anche lisciviazione, si tratta un solido con un solvente (B) per estrarre un soluto (C) in esso presente e che può essere solido (solv selettivi, floppazione o magnetica) o liquido (Pressatura e estrazione). Si ottiene un residuo (R) che contiene l’inerte (I) insolubile, insieme a parte del soluto e solvente, e l’estratto (E) costituito dal soluto più il solvente.

L'alimentazione deve subire prima dei trattamenti per poter poi subire il processo di estrazione, aumentare superficie di contatto. Essa mano a mano che si procede aumenta, visto che la dissoluzione di soluto espone anche la parte interna al solvente.

L'estrazione si basa essenzialmente su fenomeni diffusivi, che vengono matematicamente descritti dalla legge di Fick, dove la forza spingente è la differenza di conc. tra saturazione e effettiva. I parametri della legge sono favoriti: da un aumento della T, dalla P, da una agitazione costante, dal tempo di contatto, dal tipo di solvente utilizzato, dalla dimensione delle particelle.