Industrias II 1 / 8 Extracción Líquido - Líquido

EXTRACCIÓN LÍQUIDO - LÍQUIDO

La extracción con disolventes es una de las operaciones básicas que tienen como fundamento la difusión de materia. En una mezcla de diferentes sustancias se trata con un líquido que debe disolver preferentemente uno de los componentes. Después de ponerse en contacto, el disolvente y la mezcla a tratar, se obtienen dos fases líquidas que reciben los nombres de extracto y refinado, según que en ellas predomine el disolvente o la mezcla a tratar. Separando de dichas capas el disolvente se obtienen el producto extraído y el producto refinado.

1) EXTRACCIÓN LÍQUIDO – LÍQUIDO. MÉTODOS Y EQUIPOS DE

EXTRACCIÓN

La extracción presenta la ventaja de no requerir normalmente temperaturas extremas, con lo que la corrosión del equipo suele ser baja. El disolvente ejerce el mismo papel que el calor en rectificación y el líquido en absorción.

Métodos:

En cualquier proceso de extracción pueden distinguirse las siguientes partes:Contacto del material a extraer y disolventeSeparación de las fases formadasRecuperación del disolvente

Esto constituye una unidad de extracción

1.- Contacto sencillo

Esta formado por una unidad de extracción. El disolvente y la alimentación se ponen juntas en las cantidades que se estimen convenientes y se separan las dos fases formadas. La cantidad de soluto que pasa al disolvente está determinada por las

relaciones de solubilidad, por la cantidad de disolvente utilizado y por la aproximación al equilibrio (eficacia del estadio). Este sistema no permite una recuperación total del soluto, la concentración del extracto obtenido suele ser baja y la recuperación del disolvente costosa.

La separación del disolvente puede hacerse corrientemente por evaporación o por destilación, según sea su volatilidad y las del soluto contenido.

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2.- Contacto Múltiple (en paralelo)

En este proceso se divide el disolvente en varias partes y se trata la alimentación sucesivamente en cada una de ellas. La extracción del soluto es más completa que en el caso anterior y puede ser llevada hasta los límites que se deseen aumentando el número de estadios. Sin embargo, esto implica que la concentración en las distintas etapas del extracto sea cada vez menor, con el consiguiente aumento del coste en la recuperación del disolvente. Los resultados de la extracción dependen de la cantidad de disolvente utilizado y la forma de llevar a cabo la división de la cantidad total del disolvente.

3.- Contacto Múltiple en contracorriente

El método está basado en poner la alimentación, rica en soluto, en contacto con una disolución concentrada de éste, y las refinadas pobres en contacto con disoluciones tanto más diluidas cuanto menor es la concentración de aquellos. Para ello, la alimentación y el disolvente puro entran en el sistema por los extremos opuestos. Su eficacia es mayor a la de los dos métodos anteriores

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4.- Contacto diferencial en contracorriente

El método esta basado en la diferencia de densidad de dos fases que se forman para conseguir la marcha en contracorriente, la fase menos densa se introduce por la

parte inferior de la columna o torre y la más pesada por la sección superior. Cualquiera de las fases puede ser subdividida convenientemente para pasar a través de las otras; recibe el nombre entonces de fase dispersa.

5.- 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 el colocar a la fase de que se trate en las condiciones más favorables para una mejor separación del componente a extraer. El reflujo del extracto consiste en la devolución de a la columna de una parte de él, que ha sido privada total o parcialmente del disolvente. Con ello, el extracto, que en una columna de extracción ordinaria se pondría en contacto con la alimentación, aquí lo hace con una mezcla más rica en soluto. El reflujo del resinado tiene lugar mezclando parte del refinado que sale de la torre con el disolvente a introducir en ella, y su fin es separar, lo más perfectamente posible, la pequeña porción de soluto que acompaña al otro componente en esta parte de la columna.

El reflujo más utilizado, por presentar mayores ventajas es el del extracto.

Limitaciones: La composición del reflujo debe ser tal que su mezcla con el extracto caiga dentro de la región de dos fases, en otro caso su acción sería nula. Además, su densidad debe ser distinta de la de la fase correspondiente, condiciones ambas que pueden ser aplicadas al reflujo del refinado.

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Equipos de Extracción

1.- Aparatos mezcladores:

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. La superficie debe ser conseguida por medio de la dispersión de una fase en la otra. La separación de las fases puede efectuarse por sedimentación y centrifugación. Los sedimentadores deben tener un tamaño suficiente con el fin de que el tiempo de incidencia en ellos de la suspensión sea el mínimo necesario para que las fases se separen. Es necesario cuidar que tengan una sección recta adecuada con el objeto de evitar turbulencias que impidan u obstaculicen dicha separación.

Se puede utilizar centrifugas continuas con el fin de disminuir la cantidad de sustancia retenida en el sistema, el tiempo de residencia o ambos.

2.- Columnas de extracción:

La extracción diferencial en contra corriente presenta la ventaja inicial sobre la extracción múltiple en contracorriente de que se pueden agrupar varios estadios en la misma unidad constructiva.

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. Los tipos más importantes de columna, son las de pulverización, de rellenos y de platos. Debido a su baja eficiencia, se han ideado otros tipos de placas desviadoras, de planchas perforadas de agitación mecánica y pulsantes

Las columnas que funcionan por gravedad son bastante semejantes en lo que a la circulación de la fase se refiere. En todas ellas la fase de mayor densidad entra por la parte superior de la columna, mientras que la de densidad menos asciende en contracorriente. Una cualquiera ocupa la mayor parte de la columna y recibe el nombre de fase continua, mientras que la otra, que pasa a través, es la fase discontinua.

Una de las características de las columnas de extracción es la presencia de una interfase de separación, de cuya posición en la columna depende que una u otra de las fases (o ambas) construya la fase dispersa.

3.- Extracciones centrifugas:

Aumentan la turbulencia y el grado de contacto por el empleo de elevadas velocidades de rotación.

Extractor Podbielniak (de eje horizontal): Apropiado para fases que tienen una diferencia de densidad muy pequeña, o presentan tendencias a la emulsificación.

Extractor Luwesta (de eje vertical): Para manejar líquidos con sólidos en suspensión.

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2) RESOLUCIÓN GRÁFICA EN CORRIENTES PARALELAS 3 ETAPAS

Método de Cálculo

a) Contacto sencilloDisolvente parcialmente miscible con la alimentación

H Cantidad del refinado obtenidoL Cantidad del extracto obtenidoX Composición del refinadoY Composición del extracto

Balance de Materia

Global H0 + L = H1 +L1

Para el componente A H0 XA0 = H1 XA1 + L1 YA1

Para el componente B H0 XB0 = H1 XB1 + L1 YB1

Para el componente C H0 XB0 +L = H1 XC1 + L1 YC1

Suponiendo que el disolvente no trae ningún componente disuelto:

(XA0 . YB1 – XB0 . YA1)H1 = ----------------------------------- * H0

(XA1 . YB1 – XB1 . YA1)

(XA0 . XB1 – XB0 . XA1)L1 = ----------------------------------- * H0

(YA1 . XB1 – YB1 . XA1)

De aquí obtengo L

Con ello se puede resolver el problema de hallar la cantidad de disolvente necesario y las de extracto y refinación obtenidas a partir de una cantidad determinad de alimentación (H0), pero antes es preciso fijar las componentes de las fases conjugadas. Esto se hace mediante el método grafico.

Diagrama triangular: Se han supuesto constantes la presión y la temperatura (representada por diversas isotermas) los vértices representan a los componentes puros, los lados las mezclas binarias y los pontos del interior las mezclas ternarias. Una propiedad del diagrama es que cuando se

agrega o se sustrae de una mezcla un componente u otra mezcla, el punto representativo de la composición final está en línea recta con los puntos

representativos de las otras dos. En este caso se cumple con la regla de la palanca: T. TS = C SC donde T es la cantidad de sustancia de la mezcla inicial y C es la cantidad del componente que se agrega o sustrae.

F + S = R + EF . XF = R . X + E. Y

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La zona de dos fases es la comprendida bajo la curva abPdf; en ella, cualquier mezcla se separa espontáneamente en dos fases (fases conjugadas) cuyos puntos representativos caen en dicha curva, denominada binodal o interna de saturación. Se suele unir con una recta los puntos correspondientes a las dos fases conjugadas y esta recta recibe el nombre de recta de reparto. El punto en donde las dos fases se transforma en una sola, por aumentar la proporción de A, se denomina punto crítico (P)

Aplicación al contacto sencillo:

X0 : Composición de la alimentación C: Composición del disolvente que se supone puro.S: Mezcla global (mezcla de alimentación-disolvente)

Por encontrarse S dentro de la región de dos fases, esta mezcla no es físicamente posible y se separa en dos, que quedan en equilibrio y cuyas composiciones vendrán dadas por los extremos de la recta de reparto que pasa por dicho punto (X1;Y1)

La posición del punto S se determina por la regla de la palanca:

H0 . XOS = L . SC y XOS + SC = X0CLa cantidad de extracto y de refinado obtenidas se halla aplicando también la

misma regla:

H1 . X1S = L1 . SY1 y H0 + L = H1 . L1

H1 y L1 => salen del balance de material (H0 + L = H1 . L1)X1 y Y1 => salen del diagrama b) Contacto múltiple

Ya que el proceso equivale a una serie de sucesiva de extracciones sencillas en que el refinado obtenido en el estadio anterior se trata con disolvente, el cálculo será una repetición de lo hecho para una de las unidades.

Una generalización de las formulas obtenidas en la extracción sencilla conduce a

Si en lugar de fijar el número de estadios, se suponen conocidas las cantidades de disolvente a utilizar en cada una, no puede utilizarse el método algebraico y es

nXB (i – 1) . YAi – XA (i – 1) . YBi

HN = H0 . XBi . YAi – XA i . YBii = 1

XA (n – 1) . XBn – XAn . XB (n – 1)n

XB (i – 1) . YAi – XA (i – 1) . YBi

LN = . H0 YAn . XBn – XAn . XBn XBi . YAi – XA i . YBii = 1

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preciso recurrir a los procedimientos gráficos: la resolución en el diagrama triangular, cuando se fijan los incrementos de concentración de una fase en cada estadio, se reduceA trazar las rectas de reparto que pasan por los puntos conocidos. El cálculo de las cantidades obtenidas debe hacerse por aplicación de la palanca. Si se conoce la cantidad de disolvente a utilizar en cada estadio, la determinación de la posición del punto representativo de la mezcla global se hace de acuerdo con lo mencionado en la extracción sencilla aplicando sucesivamente el método a los distintos refinados.

c) Contacto múltiple en contracorriente

Disolventes miscibles del diagrama triangular se obtiene el siguiente balance de masas:

H0 X0 + L2 Y2 = H1 X1 + L1 Y1

H1 X1 + L3 Y3 = H2 X2 + L2 Y2

H2 X2 + L Y = H3 X3 + L3 Y3

H0 X0 = L1 Y1 = H1 X1 = L2 Y2 = Hn Xn – Ln+1 Yn+1 = HN XN - LN YN

Esto indica que si se unen los puntos representativos de las composiciones X0 e Y1, X1 e Y2,… de acuerdo con las propiedades del diagrama triangular, todas las rectas tienen un punto en común P (punto de operación) que represente la mezcla hipotética, prescindiendo del signo, de las composiciones citadas.

Pueden presentarse bastantes casos en este tipo de contacto los más corrientes y a los que pueden reducirse los demás son:

1) Conocidas las cuatro composiciones extremas, inicial y final de cada fase, hallar el número de unidades necesarias

2) Dadas 3 de las composiciones finales y el número de estadios, calcular el resto de las composiciones.

Conociendo las composiciones extremas, el punto de operación (P) queda definido por las rectas que pasan por X0 e Y1, y por XN e YN+1. La marcha para el calculo del número de estadios es el siguiente:

Por Y1 se traza la recta de reparto correspondiente, lo que determina X1; como Y2 debe estar en la recta X1P se une X1 con P y la intersección con la curva binodal define Y2. Se repite el proceso el número de veces necesario

En donde se ha prescindido del subíndice A común a todas las composiciones.

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hasta que la composición del extremo del refinado de una recta de reparto, sea igual o menor que la composición final XN a alcanzar. El número de estadios es el de rectas de reparto que es necesario trazar.