ESTRAZIONE con solvente
ESTRAZIONE con solvente
Operazione di ingegneria chimica per mezzo della quale, con la dissoluzione in uno o più solventi, si giunge alla separazione di componenti contenuti in una miscela liquida o in una sostanza solida: nel primo caso si hanno i processi comunemente chiamati di estrazióne "liquido-liquido", nel secondo quelli "liquido-solido". Qualunque sia il tipo di e. è necessario che il componente da separare presenti oltre ad un elevato valore della solubilità nel solvente impiegato anche una facile possibilità di recupero da questo è essenziale inoltre che i componenti che non interessa estrarre risultino poco solubili nel solvente adottato.
Estrazione liquido-solido. - Questa operazione si incontra in diversi processi della pratica industriale: lavaggio, lisciviazione, eluizione, diffusione, percolazione, decantazione, infusione, macerazione, digestione, dissoluzione, ecc.; in tutti si opera il trasferimento in acqua o in altri solventi del materiale solubile (soluto) contenuto in sostanze solide. Il soluto può essere un solido o un liquido: quest'ultimo può risultare disperso nel solido o aderente alla sua superficie. I processi di e. liquido-solido sono ampiamente usati nell'industria farmaceutica, dei profumi, degli estratti; trovano applicazione nell'industria dello zucchero, del tannino, della carta, ecc. I solidi possono subire preliminari trattamenti meccanici o termici, atti a rendere il soluto più accessibile all'azione del solvente; la velocità di e. è infatti legata alla granulometria del materiale, in quanto, con la riduzione delle dimensioni, si ottiene una maggiore superficie di contatto e una minore resistenza del soluto a diffondere verso l'esterno. Un fattore importante nella condotta del processo è la temperatura di e.: un suo innalzamento porta a valori più elevati della solubilità, della velocità di diffusione, dei moti convettivi e della turbolenza della massa, ma può rendere il solvente meno selettivo rispetto al componente da estrarre ed esaltarne l'azione corrosiva sulle parti metalliche dell'estrattore.
Metodi ed apparecchiature di estrazione. - In relazione al materiale considerato, il soluto può essere estratto dal solido con operazioni discontinue, singole o a più stadî, oppure continue. Nel primo caso, il contatto tra il solido e il solvente può avvenire, come schematizzato in fig. 1, per percolazione a spruzzo, per immersione, per drenaggio intermittente: la durata dell'operazione viene stabilita sperimentalmente.
Nel secondo caso, si hanno più estrattori, collegati in serie, che vengono caricati del materiale da trattare: in essi il passaggio del solvente avviene in controcorrente, andando cioè prima nell'estrattore pieno di materiale quasi esaurito, poi attraverso estrattori con cariche sempre più ricche, per uscire infine da quello caricato con materiale fresco: si ha così un graduale arricchimento in soluto fino alla massima concentrazione consentita dalle condizioni dell'operazione.
Nell'ultimo caso, il materiale solido e il solvente si muovono in controcorrente in un'unica apparecchiatura, in modo analogo a quanto avviene per il liquido e il gas nelle colonne di assorbimento. Negli estrattori, più comunemente usati, il moto dei solidi può avvenire per gravità, come nel tipo Bonotto (fig. 2), per mezzo di coclee, tipo Hildebrandt (fig. 3), per mezzo di elevatori a tazze forate, tipo Bollmann (fig. 4), o infine per mezzo di ruote munite di pale, tipo Kennedy (fig. 5); i varî apparecchi realizzano in maniera continua i tipi di contatto descritti per le apparecchiature discontinue e riportati in fig. 1: l'e. si effettua infatti nel tipo Bollmann col metodo di percolazione a spruzzo, in quello Hildebrandt e Bonotto col metodo ad immersione, mentre in quello Kennedy col drenaggio intermittente.
Qualora si abbiano elevate portate di solido ed il solvente sia l'acqua, si può eseguire l'operazione di e. usando decantatori Dorr accoppiati in serie (fig. 6); in luogo dei decantatori può risultare conveniente l'impiego dei filtri rotativi continui (fig. 7): gli schemi riportati si riferiscono all'estrazione con acqua dell'idrato sodico impregnato nei granuli di carbonato di calcio, nel processo di produzione della soda per caustificazione del carbonato.
Calcolo delle apparecchiature. - L'e. liquido-solido si può considerare che avvenga in due fasi: contatto del solido col solvente e successiva separazione della soluzione dal solido. All'insieme delle due fasi, che possono essere condotte in una o più apparecchiature separate, si dà il nome di stadio e si definisce "stadio ideale" quello in cui la soluzione uscente ha la stessa composizione del liquido trattenuto dal solido.
L'uso del concetto di stadio ideale elimina le considerazioni sulla velocità di agitazione nel trasferimento di materia, ma richiede la conoscenza dell'efficienza dello stadio, in analogia a quanto avviene nel calcolo dei processi di distillazione. La determinazione degli stadî ideali occorrenti per una assegnata separazione viene eseguito analiticamente o graficamente, in base ai bilanci di materia e ai dati di equilibrio, definiti in questo caso, dalle quantità di soluzione trattenuta dai solidi ad ogni composizione.
I rapporti solido-solvente, la durata e la temperatura dell'estrazione, le caratteristiche di forma e di dimensioni delle apparecchiature, sono legati principalmente ai risultati sperimentali.
È da notare infine che, per l'economia del processo, è necessario recuperare il solvente trattenuto dal solido: l'operazione viene in genere condotta allontanando il solvente dal materiale esaurito o per riscaldamento o mediante immissione di una corrente di vapore o di aria calda.
Estrazione liquido-liquido. - L'estrazione liquido-liquido, come già accennato, consiste nella separazione di un componente di una soluzione per mezzo del contatto con un solvente, con essa immiscibile, ottenendo una distribuzione del componente fra le due fasi liquide. Analogamente al caso precedente l'operazione può considerarsi costituita dal mescolamento della soluzione col solvente e dalla separazione delle due fasi liquide; il loro insieme costituisce uno stadio di separazione, che può essere ripetuto più volte in modo da raggiungere una più elevata concentrazione del soluto nel solvente o un maggiore esaurimento della soluzione dal soluto.
Il processo completo di e. in genere comprende anche la separazione del soluto dal solvente ed eventualmente il recupero del solvente dalla soluzione esaurita. Nonostante queste operazioni ausiliarie, l'e. con solvente può risultare più vantaggiosa di altri processi di separazione diretti del soluto dalla soluzione, qualora si abbia a che fare con sostanze organiche in soluzione acquosa molto diluita, con componenti che si decompongono alla temperatura di ebollizione, con miscele azeotropiche, con componenti che hanno sostanzialmente la stessa temperatura di ebollizione, con composti metallici in soluzione piuttosto concentrata.
L'operazione è molto usata nell'industria chimica: trova per esempio applicazione per l'eliminazione dei costituenti naftenici ed aromatici dalla parte paraffinica dei lubrificanti grezzi, per il recupero dell'acido acetico dalle soluzioni acquose diluite, per la purificazione del butadiene, per la rigenerazione dei combustibili irradiati nel campo delle tecnologie nucleari, per la separazione dello zirconio dall'afnio, ecc.
L'e. può avvenire soltanto per via fisica o possono verificarsi anche reazioni chimiche delle sostanze da estrarre col solvente o con altre sostanze in esso disciolte.
Sistemi e apparecchiature di estrazione. - Si possono applicare anche in questo caso gli stessi sistemi visti per l'e. liquido-solido, e cioè il semplice contatto, il contatto a stadî ed il contatto continuo in controcorrente (fig. 8); data però la maggiore facilità con cui si muovono le fasi liquide, il sistema di lavoro più diffuso è quello continuo.
Alcune volte, quando per esempio la concentrazione del soluto nell'alimentazione è bassa, può essere desiderabile ottenere nell'estratto, cioè nella fase ricca in solvente, una concentrazione maggiore di quella corrispondente all'equilibrio con l'alimentazione; questo si realizza a mezzo del riflusso, che consiste nel riciclo di parte del soluto nell'apparecchiatura di estrazione (fig. 9, A). Il ruflusso può essere introdotto anche alla fine del sistema di estrazione (fig. 9, B), all'uscita del raffinato (soluzione privata del soluto). È da notare tuttavia che l'uso del riflusso è possibile soltanto in casi particolari, cioè quando il solvente è parzialmente solubile sia nel soluto sia nell'altro componente della soluzione.
Le apparecchiature impiegate nel sistema continuo sono molteplici e in rapido sviluppo: si può dire che da un primo semplice flusso controcorrente (colonne a spruzzo) si è passati ad un flusso attraverso un riempimento (colonne a riempimento, v. assorbimento, in questa App.) o un insieme di piatti forati, o attraverso un qualunque sistema meccanico, statico o dinamico, avente il compito di accentuare la turbolenza e la dispersione fra le fasi, al fine di aumentare la superficie di scambio.
Fra le apparecchiature che utilizzano l'energia meccanica citiamo i mescolatori-decantatori (fig. 10), gli estrattori Scheibel (fig. 11), le colonne a dischi rotanti (fig. 12), gli estrattori centrifughi Podbielniak (fig. 13) e le colonne pulsanti (fig. 14): queste ultime vengono vantaggiosamente impiegate nel campo delle tecnologie nucleari, per la loro compattezza e per gli elevati gradi di separazione che permettono di raggiungere.
Calcolo delle apparecchiature. - Come nell'e. liquido-solido, i calcoli delle apparecchiature di contatto si basano sul concetto dello stadio ideale, definito, in questo caso, come quello stadio in cui le due fasi uscenti sono tra loro in equilibrio. La determinazione del numero degli stadî ideali necessarî per una data estrazione viene eseguita in base ai bilanci di materia ed alle relazioni di equilibrio, secondo metodi sia analitici sia grafici. Nel caso che si vogliano utilizzare i metodi grafici, conviene considerare il sistema costituito da tre componenti: i due componenti presenti nella soluzione (soluto + inerte) e il solvente. È possibile allora riportare in diagrammi triangolari, isobari e isotermi, sulla lacuna di miscibilità le condizioni di equilibrio e le relazioni di bilancio di materia ed eseguire la determinazione del numero degli stadî ideali in maniera analoga a quella seguita per la valutazione del numero dei piatti teorici per le colonne di distillazione (v. distillazione, in questa App.). Una volta noto il numero degli stadî ideali e l'efficienza dello stadio, per una data apparecchiatura, è possibile risalire o al numero degli stadî o alle altezze delle colonne. È da notare che i bilanci di energia nel processo in esame non sono di solito eseguiti, poiché gli effetti termici si possono considerare in genere del tutto trascurabili.
Bibl.: R. E. Treybal, Liquid-liquid extraction, New York 1951; J. H. Perry, Chemical Engineers handbook, New York 1953; L. Alders, Liquid-liquid extraction, Amsterdam 1959.