Universidad Tecnológica Cadereyta

EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO Y LÍQUIDO-

LÍQUIDO

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO

La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida. En una operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, disolvente de extracción al líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado. En la Figura 1 se muestra un esquema de las corrientes implicadas en la operación.

La extracción líquido-líquido es un método muy útil para separar componentes de una mezcla. El éxito de este método depende de la diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes. Cuando se agita un compuesto con dos disolventes inmiscibles, el compuesto se distribuye entre los dos disolventes. A una temperatura determinada, la relación de concentraciones del compuesto en cada disolvente es siempre constante, y esta constante es lo que se denomina coeficiente de distribución o de reparto (K = concentración en disolvente 2 / concentración en disolvente 1).

Razones para utilizarla Otros métodos no son factibles: Volatilidades similares o muy

pequeñas. Calores de vaporización muy altos. Compuestos sensibles a la elevación de la temperatura.

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Como sustituto de separaciones químicas.

Aplicaciones Separación de compuestos inorgánicos como

ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio.

Recuperación de compuestos aromáticos. Refinación de aceites lubricantes y disolventes En la extracción de productos que contienen azufre. Obtención de ceras parafínicas Desulfuración de productos petrolíferos Productos farmacéuticos Ejemplo en la obtención de la penicilina Industria alimentaría Obtención de metales costosos, Ej como uranio-vanadio. Factores que afectan la extracción Composición de la alimentación, temperatura, presión y velocidad de

flujo. El grado de separación deseado.

Elección del disolvente. Temperatura y presión de operación. La formación de emulsiones y espumas. Criterio de selección del solvente Factor de separación alto. Coeficiente de distribución alto. Solventes altamente insolubles. Fácil de recuperar. Diferencias de densidad entre las fases que se forman Tensión superficial alta para evitar dispersión de las fases. Estable químicamente e inerte con los demás componentes. Viscosidad, Pv, Pto de congelación bajos para facilitar manejo No toxico, no inflamable, barato y de fácil acceso.

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO TERNARIOEn el diseño de una operación de extracción líquido-líquido suele considerarse que el refinado y el extracto se encuentran equilibrio. Los datos de equilibrio que deberán manejarse serán como mínimo los correspondientes a un sistema ternario (dos disolventes y un soluto), con dos de los componentes inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Una de las formas más habituales de recoger los datos de equilibrio en sistemas ternarios son los diagramas triangulares. En la Figura 2 se muestra un diagrama triangular equilátero. Los vértices del triángulo representan compuestos puros, un

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punto sobre un lado correspondería a una mezcla binaria y un punto en el interior del triángulo representaría una mezcla ternaria. La composición de una mezcla puede determinarse por lectura directa en el diagrama, tal como muestra la Figura 2. La concentración de los componentes en el diagrama se muestra como fracción molar o fracción másica.

En los sistemas de interés para la extracción líquido-líquido los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Es decir, su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formación de dos fases. Además, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro. Para representar este comportamiento, y poder conocer si a una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los diagramas triangulares líquido-líquido presentan la denominada curva binodal o de solubilidad (Figura 3). Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estará constituida por una sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases. Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indican la concentración de las dos fases en equilibrio (Figura 3).

Tipos de extracción

Extracción en etapas múltiples flujo cruzado

Extracción en etapas múltiples en contracorriente

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Equipos Extracción por etapas:

o Mezclador - sedimentador

o Torres platos perforados

o Columnas de bandejas

Extracción por contacto continuo diferencial:

o Torres de pulverización

o Torres de relleno

o Columnas pulsadas

o Extractores centrífugos

Mezcladores-Sedimentadores. Este tipo de equipo puede variar desde un solo tanque, con agitador, que provoca la mezcla de las fases y después se dejan sedimentar, hasta una gran estructura horizontal o vertical compartimentada. En general, la sedimentación se realiza en tanques, si bien algunas veces se utilizan centrífugas. Sin embargo, la mezcla puede realizarse de formas diferentes, como por impacto en un mezclador de chorro, por acción de cizalladucha cuando ambas fases se alimentan simultáneamente en una bomba centrífuga, mediante inyectores donde el flujo de un líquido es inducido por el otro, o bien por medio de orificios o boquillas de mezcla.

Torres de pulverización. Como en absorción de gases, la dispersión en la fase continua limita la aplicación de este equipo a los casos en los que solamente se requiere una o dos etapas.

Torres de relleno. Para extracción líquido-líquido se utilizan los mismos tipos de relleno que en absorción y destilación. Es preferible utilizar un material que sea preferentemente mojado por la fase continua. En las columnas de relleno la dispersión axial es un problema importante y la HETP es generalmente mayor que en los dispositivos por etapas.

Torres de platos. En este caso se prefieren los platos perforados. La separación entre los platos es mucho menor que en destilación: 10-15 cm para la mayor parte de las aplicaciones con líquidos de baja tensión interfacial. Cuando se opera con un régimen de flujo adecuado, las velocidades de extracción en columnas de platos perforados son elevadas debido a que las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a formar en cada etapa. Esto favorece la destrucción de gradientes de concentración que se pueden formar cuando las gotas pasan sin perturbación a través de toda la columna. Las columnas de platos perforados para extracción están sometidas a las mismas limitaciones que las columnas de destilación: inundación, arrastre y goteo. Con frecuencia se presentan problemas adicionales como la formación de suciedad que sobrenada y que se origina por la presencia de pequeñas cantidades de impurezas.

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Equipo de gravedad asistido mecánicamente. Si las diferencias de densidad entre las dos fases líquidas son bajas, las fuerzas de gravedad resultan insuficientes para una adecuada dispersión de las fases y creación de turbulencia. En este caso, se utilizan agitadores rotatorios accionados por un eje que se extiende axialmente a lo largo de la columna con el fin de crear zonas de mezcla que alternan con zonas de sedimentación en la columna. Un ejemplo típico es el RDC (“rotating disc contactor”) que se ha utilizado en tamaños de hasta 12 m de altura y 2.4 m de diámetro.

Los discos, con elevada velocidad de giro, proporcionan la energía necesaria para la mezcla de las dos fases. Pegados a la columna, se montan unos discos metálicos perforados que sirven de separación entre cada dos discos giratorios, dirigiendo el flujo y previniendo la dispersión axial. Otros aparatos de uso comercial son la cascada de mezcladores-sedimentadores en forma de columna desarrollada por Treybal y las columnas pulsadas, que son columnas de platos perforados provistas de una bomba de émbolo para promover la turbulencia y mejorar la eficacia.

Extractores centrífugos. Las fuerzas centrífugas, que pueden ser miles de veces superiores a las de la gravedad, pueden facilitar las separaciones cuando se presentan problemas de emulsificación, las diferencias de densidades son muy bajas, o cuando se requieren tiempos de residencia muy pequeños debido a un rápido deterioro del producto, como ocurre en la industria de antibióticos. Generalmente, los extractores centrífugos sólo tienen una o dos etapas, aunque se han construido unidades con cuatro etapas.

Aparatos mezcladores El equipo para la extracción liquido – liquido depende de la forma en que se realice el proceso. Cuando el sistema está formado por estadios, hay dos fases bien diferenciadas: mezcla íntima y separación posterior que a su vez presentan aspectos diferentes según el proceso sea continuo o discontinuo.

Los aparatos mezcladores, que consisten generalmente en tanques con dispositivos apropiados de agitación, deben proporcionar suficiente superficie de contacto durante un tiempo adecuado para que tenga lugar la transferencia de soluto.

De los diversos tipos de aparatos empleados en la mezcla de materiales, los más utilizados en la extracción líquido-líquido son los agitadores y los mezcladores.

Extractores Anulares Rotatorios:

Estos extractores, de los que se muestra uno esquemáticamente en la figura, constan de un cilindro exterior estacionario, dentro del cual gira un cilindro concéntrico. El contacto liquido-liquido ocurre en el espacio anular entre los dos.

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Este es probablemente el tipo más simple de los extractores agitadores y ha despertado interés en el campo de los procesos con energía atómica por su sencillez y porque promete corto tiempo de residencia por etapa.

Esto es necesario en la extracción de soluciones muy radioactivas para reducir al mínimo daños al disolvente.

Extractores De Disco Rotatorio

Este extractor, inventado en Holanda se muestra en la figura. Fijados ala casco de la torre hay varios “anillos estatores” horizontales, tabiques en forma de anillo que dividen el extractor en varios pequeños compartimientos cada uno de altura Hc.

Una serie de discos, dispuestos en un eje central en cada compartimiento, giran para proporcionar la agitación mecánica.

Como se muestra en la figura, el líquido ligero es el que se dispersa y la principal interfase liquido-liquido está en la parte superior, pero también puede dispersarse el líquido denso.

Columnas de Extracción

El tipo más corriente de aparato es el de columna, cuya sección viene fijada por los caudales que se deben manejar y cuya

altura depende de la separación a conseguir. Lo mismo que en rectificación y absorción, los tipos más importantes de columnas son las de pulverización, de relleno y de platos. En la figura se especifican detalladamente dichas columnas de extracción.

Extractores Centrífugos

Los extractores centrífugos aumentan la turbulencia y el grado de contacto por el empleo de elevadas velocidades de rotación.

Extractor Podbielniak

Indiscutiblemente son los más importantes de esta categoría. La rotación es entorno de un eje horizontal. El cuerpo del extractor es un tambor cilíndrico, cuya construcción interior puede variar considerablemente.

En los primeros modelos, el tambor llevaba un pasaje de sección transversal rectangular y arrollado en una espiral de treinta y tantas vueltas por la cual, los líquidos, en las propias palabras del

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inventor “se deslizaban como dos serpientes que se acarician con amor a contracorriente”.

Los modelos últimos constan de cilindros concéntricos, perforados con agujeros o hendiduras que sirven para el paso de ambos líquidos.

Extractor Luwesta:

Este extractor que gira en torno de un eje vertical, es una variante del invento original de Coutor. Tiene tres etapas reales, de ordinario gira a 3800 r.p.m y su capacidad de flujo se acerca a 1300 galones/hora.

Se usa más extensamente en Europa que en Estados Unidos, principalmente en la industria farmacéutica

Métodos Método Contacto Sencillo

Está formado por esta unidad de extracción. En el, el disolvente y la alimentación se ponen juntos en las cantidades que se estimen convenientes y se separan las dos fases formadas.

En la figura se da un esquema de este método para el caso en que la capa del extracto tiene una densidad inferior a ala del refinado. Este sistema es poco usado prácticamente

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Método Contacto Múltiple

Una mejora del proceso anterior consiste en dividir el disolvente en varias partes y tratar la alimentación sucesivamente con cada una de ellas.

Este método es el corrientemente usado en el laboratorio

En la figura se representa un sistema de tres unidades. La extracción del soluto es m más completa que en el caso anterior y puede ser llevadas hasta los límites que se deseen aumentando el número de estadios.

Contacto Múltiple en Contracorriente

El método está basado en poner la alimentación, rica en soluto, en contacto con una disolución concentrada de este, u los refinados pobres en contacto con disoluciones tanto más diluidas cuanta menor es la concentración de aquellos.

Contacto diferencial en

contracorriente

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El método está basado en la diferencia de densidad de las dos fases que se forman para conseguir la marcha en contracorriente, la fase menos densa se introduce por la sección inferior de una columna de torre y la más pesada por la parte superior.

Extracción con Reflujo

Cuando uno de los componentes de la alimentación es parcialmente miscible con el disolvente, solamente él puede ser obtenido puro, apareciendo en la otra fase una mezcla de los dos componentes.

El reflujo, que puede ser aplicado a una fase o a las dos simultáneamente tiene por objeto colocara a la fase que se trate en las condiciones más favorables para una mejor separación del componente a extraer.

Ecuación De Balance De Materia BALANCE DE MATERIA DE EXTRACCIÓN EN UNA SOLA ETAPA

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Donde:

S: Flujo de alimentación del solvente o disolvente

E: Flujo de extracto obtenido

F0: Flujo de Alimentación del material fresco

R: Flujo de los lodos o refinados

X: Fracción en peso según las corrientes de masa de F ó R

Y: Fracción en peso según las corrientes de S ó E

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Extracción sólido-líquido

Extracción sólido-líquido

La extracción sólido-líquido consiste en tratar un sólido que está formado por dos o más sustancias con disolvente que disuelve preferentemente uno de los dos sólidos, que recibe el nombre de soluto.

La operación recibe también el nombre de lixiviación, nombre más empleado al disolver y extraer sustancias inorgánicas en la industria minera.

Otro nombre empleado es el de percolación, en este caso, la extracción se hace con disolvente caliente o a su punto de ebullición.

La extracción sólido-líquido puede ser una operación a régimen permanente o intermitente, según los volúmenes que se manejen.(Treybal Robert )

Se emplea para extraer minerales solubles en la industria minera, también en la industria alimentaria, farmacéutica y en la industria de esencias y perfumes. Los equipos utilizados reciben el nombre de extractores,lixiviadores, o percoladores. Los residuos en esta operación son los lodos acumulados en el fondo del extractor que contienen sólidos y disolventes.

Extracción sólido-líquido: también llamada lavado, lixiviación, percolación... Si pretendemos un componente no deseado de un sólido se denomina lavado. Lixiviación se emplea cuando se desea extraer un componente valioso. Percolación se emplea para indicar que existe el vertido de un líquido sobre un sólido. El fundamento de la extracción líquido-líquido requiere que los dos líquidos no sean miscibles, por ello la extracción depende del coeficiente de reparto. Cuando un soluto se disuelve en dos líquidos no miscibles en contacto entre sí, dicho soluto se distribuirá en cada uno de los líquidos en proporción a la solubilidad en cada uno de ellos.

La extracción S/L es una operación básica o unitaria mediante la cual se separan uno o varios constituyentes solubles contenidos en un sólido inerte mediante la utilización de un disolvente adecuado. En un proceso de extracción S/L las operaciones implicadas son:

‒ Cambio de fase del soluto. Esta etapa se considera prácticamente instantánea.

‒ Difusión del soluto a través del disolvente contenido en los poros del sólido inerte.

‒ Transferencia del soluto desde las inmediaciones de la interfase S/L hasta el seno de la masa principal de disolvente.

En consecuencia, los factores más importantes que influyen sobre la velocidad de extracción son:

a) Tamaño de las partículas sólidas. Evidentemente cuanto más pequeñas sean, mayor es la superficie interfacial y más corta la longitud de los poros. Por tanto mayor es la velocidad de transferencia. Sin embargo, tamaños

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excesivamente pequeños pueden hacer que las partículas se apelmacen dificultando la extracción.

b) Tipo de disolvente. El disolvente debe ser lo más selectivo posible y se recomienda de baja viscosidad.

c) Temperatura. Un aumento de la temperatura favorece la solubilidad y aumentan los coeficientes de transferencia de materia. El límite superior se fija atendiendo a criterios de calidad del producto, criterios económicos y de seguridad con respecto al disolvente.

d) Agitación del disolvente-soluto. Favorece la transferencia por aumento de coeficientes de transferencia de materia en la interfase S/L. Además se evita la sedimentación y apelmazamiento de las partículas sólidas. Por otro lado, la destilación es una operación básica

Con la extracción sólido-líquido se puede extraer componentes solubles de sólidos con ayuda de un disolvente. Campos de aplicación de esta operación básica son, por ejemplo, la obtención de aceite de frutos oleaginosos o la lixiviación de minerales.

Un ejemplo de la vida cotidiana es la preparación de la infusión de café. En este proceso, la sustancia aromática del café (soluto) se extrae con agua (disolvente) del café molido (material de extracción, formado por la fase portadora sólida y el soluto). En el caso ideal se obtiene la infusión de café (disolvente con la sustancia aromática disuelta) y en el filtro de la cafetera queda el café molido totalmente lixiviado (fase portadora sólida). En la práctica, al término de la extracción, la fase portadora sólida siempre contendrá todavía una parte del soluto en el sólido. Además, una parte del disolvente permanecerá también ligada de forma adsorbato a la fase portadora sólida.

Para conseguir una extracción lo más

rápida y completa posible del sólido, se tiene que ofrecer al disolvente superficies de intercambio grandes y recorridos de difusión cortos. Esto se puede lograr triturando el sólido a extraer. Un tamaño de grano demasiado pequeño puede causar, por el contrario, apelmazamiento que dificulta el paso del disolvente. En la forma más sencilla de esta operación básica se mezclan bien el material de extracción y el disolvente. A continuación se separa y se regenera el disolvente junto con el soluto en él disuelto.

El material de extracción puede estar presente también como lecho fijo, que es atravesado por el disolvente. En otra forma de aplicación, el material de extracción percola a través del disolvente. La regeneración del

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disolvente consiste, generalmente, en un proceso de evaporación / destilación. En él se elimina parte del disolvente y queda una solución concentrada de extracto como producto. El disolvente se condensa y se puede reutilizar

La lixiviación es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la utilización de un disolvente líquido. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el sólido a la fase líquida, lo que produce una separación de los componentes originales del sólido.

Algunos ejemplos son:

El azúcar se separa por lixiviación de la remolacha con agua caliente.

Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas (como los de soja y de algodón) mediante la lixiviación con disolventes orgánicos.

La extracción de colorantes se realiza a partir de materias sólidas por lixiviación con alcohol o soda.

Dentro de ésta, tiene una gran importancia en el ámbito de la metalurgia, ya que se utiliza mayormente en la extracción de algunos minerales como oro, plata y cobre. También se utiliza en Tecnología Farmacéutica.

Métodos Extracción sólido-líquido discontinua

La separación de una mezcla de compuestos sólidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente. En el caso favorable de una mezcla de sólidos en la cual uno de los compuestos es soluble en un determinado disolvente (normalmente un disolvente orgánico), mientras que los otros son insolubles, podemos hacer una extracción consistente en añadir este disolvente a la mezcla contenida en un vaso de precipitados, un matraz o una cápsula de porcelana, en frío o en caliente, agitar o triturar con ayuda de una varilla de vidrio y separar por filtración la disolución que contiene el producto extraído y la fracción insoluble que contiene las impurezas. Si, al contrario, lo que se pretende es disolver las impurezas de la mezcla sólida, dejando el producto deseado como fracción insoluble, el proceso, en lugar de extracción, se denomina lavado.

Extracción sólido-líquido continua

La extracción sólido-líquido suele ser mucho más eficiente cuando se hace de manera continua con el disolvente de extracción caliente en un sistema cerrado, utilizando una metodología similar a la comentada para la extracción líquido-líquido continua, basada en la maceración con disolvente orgánico, previamente vaporizado en un matraz y condensado en un refrigerante, de la mezcla sólida a extraer contenida dentro de un cartucho o bolsa de celulosa que se coloca en la cámara de extracción. El paso del disolvente orgánico con parte del producto extraído al matraz inicial, permite que el mismo disolvente orgánico vuelva a ser vaporizado,

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repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz.

Extracción en Etapa Múltiple (Extractores Continuos: Diferentes Modelos)

Extractor Tipo Canasto

Balance de materiaExtracción en Etapa Múltiple (Diagrama de Flujo de Proceso)

Extracción en Etapa Múltiple (Ecuación de Línea de Operación)

Balances sobre las n primeras etapas:

1) Balance General:

2) Balance p/ Soluto:

3) Ecuación Línea de Operación:

Atención: En Ec. Línea de Operación, sustituir el término L0x0

por L0y0.

Extracción en Etapa Múltiple (Ecuaciones – Flujo Inferior Variable)

Condición: L y V son variables.

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Extractor Rotocell

1) Balance General:

2) Balance p/ Soluto:

3) Balance p/ Sólido Inerte:

Diagrama de equilibrio(Triangular-rectangular)

El análisis del proceso de extracción sólido-líquido generalmente se lleva a cabo sobre un diagrama triangula. Que a una presión y a una temperatura determinada se representa mediante un triángulo rectángulo isósceles, tal como se indica en la figura.

 En los vértices del triángulo se representan los componentes puros, reservándose el ángulo recto para el sólido inerte (I) y, en el sentido de las agujas del reloj, el disolvente líquido (C) y el soluto sólido (B). Los lados representan mezclas binarias de los componentes de los vértices correspondientes y los puntos interiores al triángulo representan mezclas ternarias. Cualquier punto del triángulo corresponde a una composición expresada en fracciones másicas (o molares).

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ConclusionesEn esta tercera unidad el aprendizaje que pode obtener sobre los dos diferentes tipos de extracción que existen, es que en la industria existen diversos procesos en donde por ejemplo podemos tener un producto que ha servido ya como material(sólido o líquido) en un proceso y que por lo tanto ha sido alterado al ser utilizado cambiando su composición al tener contenido dentro de el sustancias como gases, mezcla de otros fluidos, etc., es por eso que se suele reciclar esos productos que para la empresa serían desperdicio, quitándoles las sustancias indeseables que existen dentro de ellas, por medio de otro líquido o un sólido en torres, y dependiendo de los reactivos y el resultado que queramos obtener, modificar los diferentes arreglos para alcanzar una limpieza óptima.

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