EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA [email protected] ...

EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO

FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA

www.fernandon.com

[email protected]

EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO

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.

ESQUEMA DE LA EXTRACCIÓN; ANTES DE LA EXTRACCIÓN (IZQUIERDA) Y DESPUÉS DE LA EXTRACCIÓN (DERECHA):1 DISOLVENTE, 2 MATERIAL DE EXTRACCIÓN (FASE PORTADORA SÓLIDA CON SOLUTO), 3 SOLUTO,4 FASE PORTADORA SÓLIDA LIXIVIADA, 5 DISOLVENTE CON EL SOLUTO DE TRANSICIÓN EN ÉL DISUELTO

CONTACTO SENCILLO


CONTACTO SENCILLO

BALANCE DE MASA


Xf*F+xs*S=x*R+y*ECOMPONENTE C

F+S=E+RTOTALTODO EL SISTEMA, VC3

RESOLVIENDO ELSISTEMA DEECUACIONES TENEMOS

Xm*M=y*E+x*RCOMPONENTE C

M=E+RTOTAL

DECANTADOR, VC2

Xf*F+xs*S=xm*MCOMPONENTE C

F+S=MTOTALMEZCLADOR, VC1

ECUACIÓNTIPO DE BALANCEVOLUMEN DE CONTROL

Xf*F+xD*D=x*R+y*ECOMPONENTE C

F+D=E+RTOTALTODO EL SISTEMA, VC3

RESOLVIENDO ELSISTEMA DEECUACIONES TENEMOS

Xm*M=y*E+x*RCOMPONENTE C

M=E+RTOTAL

DECANTADOR, VC2

Xf*F+xD*D=xm*MCOMPONENTE C

F+D=MTOTALMEZCLADOR, VC1

ECUACIÓNTIPO DE BALANCEVOLUMEN DE CONTROL

11

111

11

111

xy

xmyMR

xy

xxmME

APLICACIÓN DE LA REGLA DE LA PALANCA AL SISTEMA DE CONTACTO SENCILLO ANTERIOR


xsxm

xmxF

MS

FM

F

D

xyxxm

ER

MRME

xyxy

ER

EMMR

DECANTADOR, VC2

M=S+FMEZCLADOR, VC1

REGLA DE LA PALANCA

VOLUMEN DE CONTROL

DECANTADOR, VC2

MEZCLADOR, VC1

REGLA DE LA PALANCA

VOLUMEN DE CONTROL

Contacto múltiple en contracorriente directa

Este método de extracción consiste en la repetición del proceso para una etapa sencilla.


E1

F,xF

D,xD

R1

E2

M1M2

MN-1

EN-1

RN-1

MN

EN

RN

R2


MnDR -1.

n1n

Balance de materia en el componente soluto, mezclador:

nnn M*xmD*xDR*x -2.n1-n1-n

Sustituyendo 1 en 2 y despejando xmn obtenemos:

n1n

n1-n1-n

n1nn1-n1-n

DR

D*xDR*xxm -4.

DR*xmnD*xDR*x -3.

n

n

n


APLICANDO BALANCE DE MATERIA PARA LA ETAPA N, SE LLEGA A LAS SIGUIENTES EXPRESIONES.

Balance de materia total, mezclador:

Rn

UBICACIÓN GRÁFICA DE XM,N


DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE DISOLVENTE:Para determinar el disolvente utilizado para una determinada separación en la unidad n se usa la siguiente expresión:

Sustituyendo 1 en 2 y despejando Dn obtenemos:

nn

n

nn

xD-xm

xm-1-nx*RD

DR*xmD*xDR*1-nx

1-n

n

n1-nn1-n


D

SI

DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA CANTIDAD DE DISOLVENTE EN LA ETAPA N

nn

-1nn

NN

N

xD-xm

x-xm

DM

RM

R

D1-n

1-n

n

n-1nN xm-xMR1-n

nxm

Rn-1

-1nxnxD

nnNN xD-xmDM

BALANCE GLOBAL DE MATERIA EN EL DECANTADOR

Balance de materia en el componente soluto

nnnnnn1-n1-nR*xE*yD*xDR*x-2.

nnn1nREDR-1.

Balance global de materia en el decantador

Despejando Rn de la ecuación 1 y sustituyéndolo en la expresión 2 obtenemos En.

nn

nnnn

n

xy

)x(xmME

EM*xE*yD*xDR*xnnnnnn1-n1-n

Aplicando balance de materia para la etapa n, se llega a las siguientes expresiones.


D

SI

DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA CANTIDAD DE REFINADO EN LA ETAPA N

nn

mnn

NN

NN

x-y

x-y

RE

ME

M

R

n

n

nnNN xm-yME

nxm

Rn-1

ny

nx

nnNN x-yRE

EJERCICIO DE ETAPAS MULTIPLES EN CORRIENTE DIRECTA

De una harina de pescado que contiene el aceite que ha de extraerse con benceno operando en múltiples etapas en corriente directa. Experimentalmente se a encontrado que la disolución retenida por el sólido inerte es función de la composición de la disolución, de acuerdo a los datos de las dos primeras columnas de la tabla. Al sistema de extracción, que consta de tres etapas, entran 1000 Kg/hr de alimentación que contienen 40% en peso de aceite y la cantidad de benceno en cada etapa es de 750 Kg/hr.Calcúlese:1.- composición global de los extractos2.- flujos másicos de extracto y refina en cada etapa


Kg de aceite/Kg

de disolución

Kg de disolución/Kg

de Higado exento de

aceite

Kg de aceite/Kg

higado exento de aceite

KG BENCEN

O/Kg higado

exento de aceite

TOTAL=(Kg DE DISOLUCIÓN+Kg

de HIGADO EXENTO DE

ACEITE)/Kg de HIGADO EXENTO

DE ACEITE

Kg Aceite/Kg(aceite+benceno+higadexe

nto de aceite)

Kg benceno/Kg(aceite+benceno+hig

adexento de aceite)

0 0,5 0 0,5 1,5 0 0,3333333330,1 0,505 0,0505 0,4545 1,505 0,033554817 0,3019933550,2 0,515 0,103 0,412 1,515 0,067986799 0,2719471950,3 0,53 0,159 0,371 1,53 0,103921569 0,242483660,4 0,55 0,22 0,33 1,55 0,141935484 0,2129032260,5 0,571 0,2855 0,2855 1,571 0,181731381 0,1817313810,6 0,595 0,357 0,238 1,595 0,223824451 0,1492163010,7 0,62 0,434 0,186 1,62 0,267901235 0,114814815

DATOS EXPERIMENTALES DE LA MEZCLA BENCENO-ACEITE-HIGADO

Se grafican los datos experimentales dadorSe ubica el punto de alimentación F,xf y de disolvente S1, Xs1 de la primera

etapa en la grafica.Se traza la línea de alimentación de la etapa Ise realiza un balance de materia en la etapa I y se determina xm1Balance de materia total, mezclador: 1.- F+S1=M1 Balance de materia en el componente aceite: 2.- F*xf+S1*xs=M1*xm1Se sustituye 1 en 2 y se despeja xm1

0,23

hr

Kg7501000

hr

Kg750*01000*0,4

SF

S*xSF*xxm -4.

SF*xm1S*xSF*x -3.

11

11

F

1f

ETAPA 1

x y%ACEITE % BENCENO

0 33,33,36 30,26,8 27,2

10,39 24,214,19 21,318,17 18,1722,4 14,9226,8 11,48

xm1

y1

x1

F,xf

D,xS

0,23

hr

Kg7501000

hr

Kg750*01000*0,4

SF

S*xSF*xxm -4.

SF*xm1S*xSF*x -3.

11

11

F

1f

De la grafica se obtiene x1= 0,65; y1=0,35

hr

Kg921

0,1220,35

0,230,35

hr

Kg1750

x1y1

)xmM1(yR

hr

Kg829

0,1220,35

0,122)(0,23

hr

Kg1750

x1y1

)xM1(xmE

111

111

0,067

hr

Kg750921

hr

Kg750*0921*0,122

SR

S*xSR*xxm -4.

SR*xm2S*xSR*x -3.

21

212

12

21

2211

hr

Kg

0,0350,1

0,0670,1

hr

Kg1671

x2y2

)xmM2(yR

hr

Kg

0,0350,1

0,035)(0,067

hr

Kg1671

x2y2

)xM2(xmE

222

222

4,848

6,822

Trazar la alimentación de la etapa 2, R1S2Se determina xm2

Se traza la línea que parta de inerte puro y para por xm2, para determinar E2 Y R2De la grafica se obtiene x2= 0,035; y2=0,1Se determina extracto y refinado de la etapa 2 haciendo un balance en el mezclador

Trazar la línea de alimentación de la etapa 3

ETAPA 2

xm1

y1

x1

xm2

y2

x2

D,xS

F,xf

0,067

hr

Kg750921

hrKg

750*0921*0,122

SR

S*xSR*xxm -4.

SR*xm2S*xSR*x -3.

21

212

12

21

2211

hr

Kg

0,0350,1

0,0670,1

hr

Kg1671

x2y2

)xmM2(yR

hr

Kg

0,0350,1

0,035)(0,067

hr

Kg1671

x2y2

)xM2(xmE

222

222

4,848

6,822


ETAPA 3

Trazar la alimentación de la etapa 3, R2S3Se determina xm3Se traza la línea que parta de inerte puro y para por xm3, para determinar

E3 Y R3De la grafica se obtiene x3= 0,01; y3=0,036Se determina extracto y refinado de la etapa 3 haciendo un balance en el

mezclador

0,02

hr

Kg7508

hr

Kg750*0848,4*0,035

SR

S*xSR*xxm -4.

SR*xm3S*xSR*x -3.

32

3323

32332

2

2

4,48

hr

Kg

0,010,036

0,020,036

hr

Kg1598,4

x3y3

)xmM3(yR

hr

Kg

0,010,036

0,01)(0,02

hr

Kg1598,4

x3y3

)xM3(xmE

333

333

6,983

8,614

xm1

y1

x1

xm2

y2

x2

xm3

x3

y3

0,02

hr

Kg7508

hr

Kg750*0848,4*0,035

SR

S*xSR*xxm -4.

SR*xm3S*xSR*x -3.

32

3323

32332

2

2

4,48

hr

Kg

0,010,036

0,020,036

hr

Kg1598,4

x3y3

)xmM3(yR

hr

Kg

0,010,036

0,01)(0,02

hr

Kg1598,4

x3y3

)xM3(xmE

333

333

6,983

8,614


D,xS

F,xf

COMPOSICIÓN GLOBAL DE LOS EXTRACTOS OBTENIDOS

0,17E3E2E1

y3*E3y2*E2y1*E1

Ei

yi*EiYG 3i

1i

3i

1i

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