Ethanol Dehydration Molecular Sieves Unit (Part2) - Unità di disidratazione a setacci molecolari (Parte2)
Continuiamo il nostro tutorial sulla produzione di bioetanolo .
Prima di leggere questo post consigliamo a chi non lo avesse già fatto di leggere la parte1.
Può essere anche utile leggere il post sulla classificazione normativa dei biocarburanti.
Cogliamo anche l'occasione per ricordare che domande, dubbi, richieste di chiarimenti e/o di approfondimenti non sono solo possibili ma molto graditi, dato che questo è uno spazio che abbiamo creato per passione e non per lavoro.
2.1) OLTRE L'AZEOTROPO
Nella precedente parte di questo piccolo tutorial abbiamo visto che utilizzando solamente la distillazione classica non è possibile portare il grado alcolico (e quindi la concentrazione di etanolo) di una soluzione acqua-etanolo sopra il punto azeotropico. Per ottenere concentrazioni alcoliche superiori è necessario procedere in modi diversi, ad esempio utilizzando la tecnologia della "distillazione azeotropica" (ormai in disuso per motivi economici e ambientali) o quella della disidratazione tramite setacci molecolari (quella su cui si basa ad esempio l'impianto che sono stato a montare in Malawi insieme ai miei colleghi).
In entrambi i casi l'esigenza è quella di rimuovere l'acqua rimanente nella soluzione, in modo da ottenere una soluzione costituita quasi completamente (o completamente) da etanolo.
Quindi se partiamo da una soluzione azeotropica e vogliamo ottenere etanolo al 100% dovremmo separare dalla soluzione quel 3,4% di acqua che non abbiamo potuto separare tramite la distillazione classica (ovviamente dovremo rimuoverne meno se volessimo ottenere una soluzione con una concentrazione di etanolo inferiore al 100%, ad esempio al 99,5%). Partendo invece da una soluzione ipo azeotropica dovremmo separare una quantità di acqua tanto maggiore quanto più è basso il grado alcolico della soluzione di partenza e, ovviamente, quanto più è alto il grado alcolico che vogliamo ottenere.
2.2) PRINCIPIO DI BASE DELLA DISIDRATAZIONE A SETACCI MOLECOLARI
2.2.1) Adsorbimento: concetti fondamentali
Mentre la distillazione si basa sulla differente temperatura di ebollizione dei due componenti della miscela (acqua ed etanolo) e sugli equilibri termodinamici che si creano tra la fase liquida e la fase vapore sui piatti della colonna di distillazione, la disidratazione tramite setacci molecolari si basa sul principio fisico noto come " adsorbimento " .
Quando un fluido (gas oppure liquido) viene a contatto con una superficie solida, alcune molecole di fluido tendono ad aderire alla superficie solida.
I legami che tendono a crearsi tra le molecole della fase fluida e quelle della superficie solida possono essere di due tipi, che distinguono due fenomeni completamente differenti.
Se i legami sono di tipo elettrostatico, del tipo delle forze di Van der Waals, allora il fenomeno di adesione del fluido sul solido prende il nome di adsorbimento fisico (o anche semplicemente di adsorbimento).
Se invece i legami che si formano sono di tipo chimico allora si parla di adsorbimento chimico o chemiadsorbimento.
Si ha invece absorbimento quando le molecole di fluido penetrano all'interno del reticolo cristallino del solido, con la formazione di legami di tipo chimico. Mentre l'adsorbimento è un fenomeno che coinvolge solamente la superficie di interfaccia tra solido e fluido, l'absorbimento è un fenomeno che in generale interessa anche l'interno del solido.
A noi quì interessa parlare dell'adsorbimento fisico, che è il fenomeno sfruttato dai setacci molecolari per eliminare l'acqua contenuta in una corrente di acqua ed alcool. Questo fenomeno è in realtà molto complesso, ma può essere semplificato in modo da riuscirne a comprendere le caratteristiche essenziali, ed è quello che cercheremo di fare.
La superficie dei solidi è in generale caratterizzata dal fatto che gli atomi o le molecole che ne fanno parte presentano un debole sbilanciamento elettronico, dovuto essenzialmente alla loro posizione "di bordo" : infatti, non essendo integrati all'interno della struttura del solido, i legami di atomi e/o molecole della frontiera sono tutti "orientati" verso l'interno del solido. Questo fatto determina una distribuzione asimmetrica della carica elettronica di queste "molecole di frontiera" con conseguente formazione di un debole dipolo elettrico.
Spostiamo ora la nostra attenzione sui fluidi. Questi (siano gas o liquidi) in moltissimi casi sono costituiti da molecole che presentano un comportamento abbastanza dipolare ; l'acqua ad esempio, che poi è il fluido che ci interessa in questo caso, è costituita da molecole fortemente bipolari. Anche la molecola di etanolo ha un comportamento bipolare, anche se in misura minore rispetto all'acqua.
Se adesso immaginiamo che un fluido con molecole bipolari venga in contatto con la superficie di un solido è ovvio pensare che a causa della leggera carica elettrostatica caratteristica delle superfici solide, le molecole bipolari del fluido si orienteranno (come aghi magnetici) nella direzione che tende a saturare la carica elettrostatica della superficie solida , da cui quindi tenderanno ad essere attratte. Le forze in gioco sono molto deboli, ma data l'elevata mobilità tipica delle molecole di un fluido queste verranno attratte dalla superficie del solido fino ad aderirvi, un po' come se fossero calamite sullo sportello di un frigorifero.
Ovviamente, sempre a causa delle debolissime intensità delle forze elettrostatiche in gioco, la carica elettrostatica della superficie solida è presto saturata dalle molecole fluide che vi si depositano: lo spessore dello strato fluido aderente alla superficie dipende da moltissimi fattori ma è sempre molto limitato, potendo al più raggiungere qualche multiplo delle dimensioni delle molecole fluide.
A grandi linee dunque l'adsorbimento fisico è l'adesione di uno strato multimolecolare di fluido su una superficie solida per mezzo di forze di natura elettrostatica.
(continua... prossimamente con la termodinamica dell'adsorbimento)
