UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICALABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS IIPI 136A EXTRACCIN LQUIDOI.OBJETIVOS Determinar los valores del nmero de unidades de transferencia (NOR) y la altura de la unidad de transferencia (HOR) Comparar la altura terica con la altura realYork-Scheibel. II.MARCO TERICO Laextraccinlquido-lquidosegundo lquido miscible, que selectivamente extrae uno o ms de los componentes de lamezcla.Seempleaenlarefinacindeaceiteslubricantesydedisolventes,enla extraccin de productos que contienen azufre y en la obtencin de ceras parafnicas. Ellquidoqueseempleaparaextraerpartedelamezcladebeserinsolubleparalos componentesprimordiales.Despusdeponerencontactoeldisolventeylamezclase obtienendosfaseslquidasquerecibenlosnombresdeextractoyrefinado,comose muestra en la figura 1. METODOS DE EXTRACCION LQUIDOLa extraccin puede ser llevada a cabo exponen.1.Contactosencillo:estformadopor unaunidaddeextraccin.Enl,el disolventeylaalimentacinsepones juntosenlascantidadesqueseestimen convenientesyseseparanlasdosfases formadas. En la figura se da un esquema deestemtodoparaelcasoenquela capadelextractotieneunadensidad inferior a ala del refinado. Este sistema es poco usado prcticamente. 2.Contactomltiple:Unamejoradelprocesoanteriorconsisteendividenvariaspartesytratarlaalimentacinsucesivamenteconcadaunadeellas.Enla figuraserepresentaunsistemadetresunidades.Laextraccindelsolutoesms completaqueenelcasoanteriorypuedeserllevadashastaloslmites aumentandoelnmerodeestadios.Estemtodoeselcorrientementeusadoenel laboratorio.FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II 1 Informe N1 EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO Determinar los valores del nmero de unidades de transferencia (NOR) y la altura de la unidad de transferencia (HOR) para el sistema tolueno-cido acticoComparar la altura terica con la altura real de la columna de extraccinlquido,consisteenponerunamezclalquidaencontactoconun segundo lquido miscible, que selectivamente extrae uno o ms de los componentes de mpleaenlarefinacindeaceiteslubricantesydedisolventes,enla extraccin de productos que contienen azufre y en la obtencin de ceras parafnicas. Ellquidoqueseempleaparaextraerpartedelamezcladebeserinsolubleparalos mordiales.Despusdeponerencontactoeldisolventeylamezclase obtienendosfaseslquidasquerecibenlosnombresdeextractoyrefinado,comose METODOS DE EXTRACCION LQUIDO-LQUIDO:La extraccin puede ser llevada a cabo por alguno de los mtodos que a continuacin se estformadopor unaunidaddeextraccin.Enl,el disolventeylaalimentacinsepones juntosenlascantidadesqueseestimen convenientesyseseparanlasdosfases madas. En la figura se da un esquema deestemtodoparaelcasoenquela capadelextractotieneunadensidad inferior a ala del refinado. Este sistema es poco usado prcticamente.Unamejoradelprocesoanteriorconsisteendividenvariaspartesytratarlaalimentacinsucesivamenteconcadaunadeellas.Enla figuraserepresentaunsistemadetresunidades.Laextraccindelsolutoesms completaqueenelcasoanteriorypuedeserllevadashastaloslmites aumentandoelnmerodeestadios.Estemtodoeselcorrientementeusadoenel Determinar los valores del nmero de unidades de transferencia (NOR) y la altura de cido actico-agua. de la columna de extraccin multietapa consisteenponerunamezclalquidaencontactoconun segundo lquido miscible, que selectivamente extrae uno o ms de los componentes de mpleaenlarefinacindeaceiteslubricantesydedisolventes,enla extraccin de productos que contienen azufre y en la obtencin de ceras parafnicas.Ellquidoqueseempleaparaextraerpartedelamezcladebeserinsolubleparalos mordiales.Despusdeponerencontactoeldisolventeylamezclase obtienendosfaseslquidasquerecibenlosnombresdeextractoyrefinado,comose por alguno de los mtodos que a continuacin se Unamejoradelprocesoanteriorconsisteendividireldisolvente envariaspartesytratarlaalimentacinsucesivamenteconcadaunadeellas.Enla figuraserepresentaunsistemadetresunidades.Laextraccindelsolutoesms completaqueenelcasoanteriorypuedeserllevadashastaloslmitesquesedeseen aumentandoelnmerodeestadios.Estemtodoeselcorrientementeusadoenel UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICALABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS IIPI 136A 3.Contactomltipleencontracorrientealimentacin,ricaensoluto,encontactoconunadisolucinconcentradrefinados`pobresencontactocondisolucionestantomsdiluidascuantomenoresla concentracin de aquellos. FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II 2 Contactomltipleencontracorriente:Elmtodoestbasadoenponerla alimentacin,ricaensoluto,encontactoconunadisolucinconcentradrefinados`pobresencontactocondisolucionestantomsdiluidascuantomenoresla concentracin de aquellos. 4.Contactodiferencialen contracorriente; basadoenladiferenciadedensidad delasdosfasesqueseformconseguirlamarchaen contracorriente,lafasemenosdensa se introduce por la seccin inferior de una columna de torre y la ms pesada por la parte superior. Elmtodoestbasadoenponerla alimentacin,ricaensoluto,encontactoconunadisolucinconcentradadeeste,ulos refinados`pobresencontactocondisolucionestantomsdiluidascuantomenoresla Contactodiferencialen Elmtodoest basadoenladiferenciadedensidad delasdosfasesqueseformanpara conseguirlamarchaen contracorriente,lafasemenosdensa se introduce por la seccin inferior de una columna de torre y la ms pesada por la parte superior.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICALABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS IIPI 136A 5.Extraccinconreflujocomponentesdelaalimentacinespamiscibleconeldisolvente,solamentelpuedeser obtenidopuro,apareciendoenlaotra faseuna mezcla delosdoscomponentes.Elreflujo,quepuedeser aplicadoaunafaseoalasdossimultneamentetiene porobjetocolocaraalafasequese condiciones ms favorables para una mejor separacin del componente a extraer. DISEO Puesto que es diferencial el cambio de concentracin con la altura de cualquiera de los lquidos al pasar a travs del extractor, la altura de la torre selas etapas o pasos, sino en funcin de las unidades de transferencia. El resultado de esparcir el refinado por medio de agitadores, es S por seccin transversal unitariadelatorre.Estasuperficiuna superficie interfacial especfica, por consiguiente: FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II 3 Extraccinconreflujo:Cuandounodelos componentesdelaalimentacinesparcialmente miscibleconeldisolvente,solamentelpuedeser obtenidopuro,apareciendoenlaotra faseuna mezcla delosdoscomponentes.Elreflujo,quepuedeser aplicadoaunafaseoalasdossimultneamentetiene porobjetocolocaraalafasequesetrateenlas condiciones ms favorables para una mejor separacin del componente a extraer.Puesto que es diferencial el cambio de concentracin con la altura de cualquiera de los lquidos al pasar a travs del extractor, la altura de la torre se expresa no en funcin de las etapas o pasos, sino en funcin de las unidades de transferencia. ZdzRefinoR1 mol/(tiempo)(area)x1 fraccion mol de solutoExtractoE2 mol/(tiempo)(area)y2 fraccion mol de solutoE1y1RxEyR2x2El resultado de esparcir el refinado por medio de agitadores, es S por seccin transversal unitariadelatorre.Estasuperficiesedescribeconvenientementecomoelproductode una superficie interfacial especfica, por consiguiente: dS = a dZ Puesto que es diferencial el cambio de concentracin con la altura de cualquiera de los expresa no en funcin de El resultado de esparcir el refinado por medio de agitadores, es S por seccin transversal esedescribeconvenientementecomoelproductode UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 4 La cantidad de soluto en el refino que pasa a la seccin diferencia de la torre que se est considerando es Rx moles/tiempo(rea), por lo tanto la rapidez de transferencia de masa es d(Rx) moles de soluto/tiempo(volumen diferencia). NA=moles de soluto absorbidos/(tiempo)(superficie interfacial) xxFadZR dNiRxA= =11ln) ( Tanto R como x varan de un extremo al otro de la torre, pondremos en funcin de R2 ya que este bsicamente no vara. Por lo tanto. ( ) xdx Rxdx Rxx Rd R dx==||

\|=1 1 1) (222 2 Reemplazando ambas ecuaciones tenemos: [ ] = =12 0) 1 /( ) 1 ( ln ) 1 (xx i RZx x x a FRdxdZ Z Reordenando: =12) )( 1 () 1 (xx i RiMx x x a Fdx x RZ iR iRxx iiMRN H Zx x xdx xa FRZ = =12) )( 1 () 1 ( =12) )( 1 () 1 (xx iiMiRx x xdx xN iM R RiRx a kRa FRH) 1 ( = =La ecuacin NiG puede simplificarse ms todava sustituyendo el promedio aritmtico por el promedio logartmico (1-x)iM ( )[ ] 2) 1 ( ) 1 () 1 /( ) 1 ( ln) 1 ( ) 1 (1x xx xx xxiiiiM + = Que tiene poco error, NiR se vuelve, 121211ln21) ( xxx xdxNxx iiR+= En donde: xi=concentracin de soluto en la interfase FR,kr=coeficientes de transferencia para la fase refinado HtR=altura de la unidad de transferencia del refinado NtR=nmero de las unidades de transferencia del refinado UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 5 (1-x)iM=media logartmica de (1-x) y (1-xi) Laconcentracinenlainterfasequecorrespondeacualquierconcentracinglobaldel refinado x se encuentra mediante la siguiente ecuacin: R EF Fiiyyxx/1111|||

\|= Esta ecuaci6n se grfica, para cualquier valor de (x, y) sobre la curva de operacin, para determinarsuinterseccinconlacurvaenelequilibrioen(xi,yi),igualqueparala absorcin de gases. Como aproximacin, se grafica una lnea recta de pendiente - k,/k, desde (x, y) sobre la lnea de operacin, para obtener la interseccin en (xi, yi). En realidad, se sabe tan poco acerca de los coeficientes de transferencia de masa que lasexpresionesanterioressondepocautilidad.Porrazonesprcticas,aunquenoson estrictamenteaplicablesamenosquelapendientedelacurvaenelequilibriosea constante,generalmenteesnecesariotrabajarconcoeficientesglobalesyunidadesde transferencia globales. M E OEtOEM R ORtORtOE tOE tOR tORy a KEa FEHx a KRa FRHN H N H Z* *) 1 (,) 1 ( = == == = Para el refino:Para el extracto: M R ORtORx a KRa FRH*) 1 ( = = M E OEtOEy a KEa FEH*) 1 ( = = 121211ln21* xxx xdxNxxiOR+= 211211ln21* yyy ydyNyyiOE+= SOLUCIONES DILUIDAS Sepuedesimplificarbastanteelclculodelnmerodeunidadesdetransferenciapara mezclas,diluidas.Porejemplo,cuandolamezclagaseosaestdiluida,elsegundo trmino de la definicin de NtoR se puede despreciar completamente. =12*xxx xdxNtoR Si la curva en el equilibrio en funcin de fracciones mol es lineal, es un rango de x1 y x2 de composiciones, r my x + = *Si las soluciones estn diluidas, tambin la lnea de operacin se puede considerar como una lnea recta UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 6 2 2) ( y y yREx + =De forma que la fuerza motrizx-x* es lineal en y s qy x x + = *En donde q, r y s son constantes. Por lo tanto, la ecuacin de NtoR se transforma en [ ]2 12 12 12112*) /( *) ( ln*) ( *) (*) (*) (lnx x x xx x x xx xx xx xRqEs qydyRENyytoR ==+= MtoRx xx xN*) (2 1= , MtoEy yy yN*) (2 1=Lasexpresionesequivalentesenfuncindeloscoeficientesdetransferenciademasa son: M E M Ry y aZ K x x aZ K y y E x x R ) * ( *) ( ) ( ) (2 1 2 1 = = = SiademsseaplicaelequivalentedelaLeydeHenry,deformaquelacurvade distribucinenelequilibrioseaunalnearectaquepaseatracesdelorigen (m=y*/x=y/x*=cte), se obtiene con un procedimiento similar al que se utiliz previamente, obteniendo: Para el refino:Para el extracto: mERmERmERm y xm y xNtoR((

+||

\|=11//ln1 22 1 RmERmERmEmx ymx yNtoE((

+||

\|=11 ln1 22 1 III.DATOS Y RESULTADOS Identificacin de los componentes Soluto (S): cido actico Disolvente (D): Agua Transportador (T): Tolueno Anlisis de la carga de alimentacin [NaOH]: 0.1 N Indicador: Fenolftalena UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 7 TABLA 1 tem Volumen de la muestra (mL) Volumen usado de NaOH (mL) 11028 Anlisis de la fase de refino y extracto TABLA 2 tem FASE REFINOFASE EXTRACTO Vol. Muestra (mL)NaOH 0.01 N (mL)Vol. Muestra (mL)NaOH 0.1 N (mL) 1120.94.88.5 2111512.5 3100.9514.2 49.80.7515.3 59.40.8515.7 6101517.5 710.41.14.916.4 8101517.7 9101517.3 Propiedades fsicas Datos a la temperatura del laboratorio: 20C SUSTANCIAPM (g/mol) (g/mL) (Pa.s) Tolueno92.1410.86850.00059 Agua18.0150.99650.00102 cido Actico60.0531.0470.0012 Fraccin en peso de cido actico en la alimentacin (# ) = (# )() = () Calculando con los datos de la Tabla 1: (10) = (28)(0.1) = 0.28 Adems, sabemos que: = () Por lo tanto, operando: = (0.028)(0.1) = 60.053 (0.0028) = 0.168 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 8 Si asumimos solucin muy diluida a la salida del extractor: = 0.8685/ Si en la alimentacin, tenemos: = + = 10 Por lo tanto, de las relaciones anteriores: = = 0.8685 (10) = 8.685 De la expresin: = = 0.1688.685 = . Fraccin en peso de cido actico en el refino De los datos de la Tabla 2: = (0.001)(0.01) = 60.053 (0.00001) = 0.00060 Tenemos la relacin: = + =0.00601.047 +0.8685 = 10 = 8.684 De la expresin: = = + =0.000600.00060 +8.680 = . Fraccin en peso de cido actico en el extracto De los datos de la Tabla 2: = (0.0173)(0.1) = 60.053 (0.000173) = 0.1039 Tenemos la relacin: = + =0.10391.047 +0.9965 = 5 = 4.8836 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICALABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS IIPI 136A De la expresin: = Fraccin en peso de cido actico en Flujos de Alimentacin: AlimentacinSolvente Densidad de la AlimentacinFlujo Msico de la AlimentacinFlujo Msico del DisolventeS(L/h) S(g/s)Agua =1.167g/s S = CorrienteFlujo (g/s) Composicin Alimentacin0,84437 Disolvente1.167 ExtractoE RefinadoR FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II 9 = + =0.10390.1039 +4.8836 = Fraccin en peso de cido actico en el solvente = FlujoEscalaL/h Alimentacin23.5 Solvente3.54.2 Densidad de la Alimentacin: = 0.8685 Flujo Msico de la Alimentacin: F(L/h) F(g/s)F =g/s 84437 . 0 F=Flujo Msico del Disolvente S(L/h) Composicin0,0193 0 . . R y2=0.0000691 E x1=0.02083 . S=1.167g/s x2=0 F=0.84437g/s y1=0.0193 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 10 Clculo del Flujo Msico del Extracto y Refinado Balance de Masa Global: R E S F + = + Balance de Masa Ac Actico: R E S F2 1 2 1x y y x + = + R ) 0000691 . 0 ( E ) 02083 . 0 ( ) 2 . 4 )( 0 ( 5) 0.0193)(3. ( + = + (1) h L / 2281 . 3 E = y h L / 4719 . 4 R=CorrienteFlujo (g/s)ComposicinAlimentacin0.84430.0193 Disolvente1.16700 Extracto0.89350.02083 Refinado1.07880.0000691 Nmero de Nmero de Unidades de Transferencia NtOR Lasconcentracionesdelascorrientessondiluidas,sepuedecalcularelNtORdela siguiente expresin: mERmERmERm y xm y xNtoR((

+ ||

\|=11//ln2 22 1 Del Anexo B (Equilibrio de Fases para el Sistema: cido Actico-Tolueno-Agua) m=15 81 . 6 =tORN Fraccin Hueca Dimetro de la Columna d 2 in5,08 cm SeccionTranversal:) 4 / (2d 3,14 in220,258 cm2 Altura de la Columna: realZ 1,33 m133 cm Altura de la Sec Empacada:h 4 in 10,16 cm Volumen del hilo de Empaque: hiloV 10 cm3

Volumen del Empaque: ) 4 / (2h d 12,56 in3205,82 cm3 emphilo empVV V = e 951 . 0 = e UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 11 rea Interfacial Especfica Dimetro del alambre: 0.0002 m Longitud del alambre: ) /( V 42alam. hilo alam. = L m 3 . 318alam. = L rea Interfacial del Empaque: alam. alam. interfacilA L = 2interfacilm 2 . 0 A = rea Interfacial Especfica: emp l interfaciaV / A = a 3 2m / m 72 . 971 = a Fraccin Retenida Volumen retenido: 288 mL Volumen total: 2694 cm3 tot retV / V = x 107 . 0 = x Altura de una Unidad de Transferencia (HtOR) Propiedades Fsicas del Agua(c) y Tolueno(d) Reemplazando en la ecuacin: c 998Kg/m3 d 867Kg/m3 c 0,001003Pa.s d 0,00059Pa.s cD 1,29E-09m2/s dD 2,26E-09m2/s g 9,8m/s2 0,0728N/m ( )( )1 2 1 2x x y y m = 0.52UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 12 ( ) ( ) [ ]|||

\|+((

((

=212121321) 1 ( 06 . 0cc sc cd scctORN m Ng g eax xa K 636 . 29213c=((

g ea 0075 . 021=((

g 912 . 27 ) (21=cd SCN 353 . 17 ) (21=cc SCN 000696 . 0 = a KtOR Flujo de Refino (m/s):) /(dArea R 000124 . 0R= U a k U HtOR tOR/R= m 178 . 0 =tORH Calculo de la altura de la columna: tOR tORN H z = m 21 . 1 = z IV.DISCUSIN DE RESULTADOS 1.Losltimosdatos(extracto)erancercanosperonoigualesporqueeradifcil mantener estables los flujos de la alimentacin y/o solvente. 2.Laalturatericadifieredelatorrerealporquesehizovariasasuncionescomo: asumir soluciones diluidas al salir del extractor. 3.LaecuacindelNtorparasolucionesdiluidasnoseralamsadecuadaporque tanto el flujo de alimentacin con el flujo de extracto y el flujo de solvente con el flujo de refinado son diferentes. 4.Lacomposicindeacidoacticoenextractoesmayoralderefinadoporquela fuerza polar del agua sobre el acido actico es mayor a la fuerza no polar que ejerce el tolueno sobre el acido actico. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA DE PETRLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136A 13 5.La composicin del acido actico en el extracto se va incrementado hasta llegar a un estado estable porque el agua ya no podr extraer mas acido actico, pues existe un grado de solubilidad en ambas fases V.CONCLUSIONES 1.Latensin interfacial es una propiedad muy importante para la rpida coalescencia delasgotitasqueserompenparalograrlatransferenciademasa.Parauna columna York Scheibel se necesitan que existan los procesos de dispersin (que se logran con los agitadores que se encuentran dentro de la columna), que existen en latransferenciademasa,ylacoalescenciaparalahomogenizacindela concentracin en las fases. 2.Unodelosparmetrosquenosehantomadoencuentaenellaboratoriofueel controldelatemperaturayaqueesteesunfactorcrticoparaunsistemaen equilibrioenunaextraccin:unavariacindelatemperaturaocasionaqueel sistemaseamssolubleentreloscomponentes,disminuyendoelreade inmiscibildad del sistema. 3.Lapresinesunavariabledelprocesoqueafectamuypocoalossistemasde extraccin. 4.Laeleccindelsolventeparalaextraccinsoloconsideralaspropiedadesde separacin y selectividad.