PROCESOS DE EXTRACCIN LQUIDO-LIQUIDO EN UNA SOLA ETAPA

1.1.- Extraccin simpleLa extraccin lquido-lquido es la operacin de separacin de uno o varios componentes de una mezcla original dando lugar a la aparicin de dos capas inmiscibles de diferentes densidades.

En la extraccin lquido-lquido, ambas fases son qumicamente muy diferentes, lo que conduce a una separacin de los componentes de acuerdo con sus propiedades fsicas y qumicas.

En el siguiente esquema se representa de forma esquemtica una columna de extraccin lquido-lquido, para una mezcla binaria, binarias, es decir, tendremos un componente transferible, C, que pasar de la corriente refinado L, a la corriente extracto V.

Esquema de una columna de extraccin liquido-lquido

La nomenclatura a utilizar ser la siguiente:

A = Caudal de la corriente alimento.L = Caudal genrico de la corriente refinado al atravesar la columna.R = Caudal de la corriente saliente de refinado.So = Caudal de disolvente entrante.V = Caudal genrico de la corriente extracto al atravesar la columna.E = Caudal de la corriente saliente de extracto.h = Altura de la columna.

1.2. Relaciones de equilibrio en la extraccin.-

En general, un sistema lquido-lquido tiene tres componentes, S,B y C, y dos fases en equilibrio.

La corriente refinado tendr al menos el componente C y su portador B. La corriente extracto por recibir el componente transferible C, desde la corriente refinado tendr tambin al menos el componente C y su portador S. Al componente B se le suele denominar, componente portador inerte y al S, componente portador disolvente.

xS + xB + xC = 1.0

Los diagramas que se usan son los de coordenadas triangulares equilteras se usan con mucha frecuencia para representar los datos de equilibrio de un sistema de tres componentes, puesto que se tienen tres ejes. Cada uno de los tres vrtices representa un componente puro, S, B o C.

Un balance total de materia en el elemento dh de la altura de la columna nos lleva a la siguiente ecuacin:

1.3 Caso de insolubilidad total del componente B, inerte y el componente S, disolventeEn este caso tendremos un sistema tipo 3 1 (tres componentes, 1 sistema parcialmente miscible) entre lquido lquido.Se utilizaran razones molares para expresar la concentracin del componente C, as tendremos:

1.3.1 Balance de materia del componente C

Podra expresarse por la siguiente ecuacin:

El mtodo de diseo sera anlogo al desarrollado en absorcin o destilacin

1.4 Caso en el que solo se transfiere el componente de la fase refinado a la fase extracto

1.4.1 Balance de materiaConsidrese el balance de materia total en el elemento de columna de altura dh:

Como dV se debe a la variacin sufrida por la transferencia del componente C, se puede escribir:

Igualando ambas ecuaciones tenemos que:

1.4.2 Ecuaciones de diseoUna vez definidos los coeficientes de transporte tanto individuales como globales del componente C en las fases extracto y refinado: kE , kR , KE , KR o los correspondientes volumtricos kRa, kEa, KEa, KRa las ecuaciones de transferencia son las siguientes:

En funcin de los coeficientes individuales y totales:

Donde:N = Flujo del componente C a travs de la superficie interfacial.

dA = a.S.dha = Superficie interfacial efectiva por unidad de volumen de lecho.S = Seccin transversal de la columna.dh = Diferencial de altura de la columna de relleno.cLt = Concentracin molar total de la fase refinado en el elemento dh de columna.cVt= dem de la fase extracto en el elemento dh de columna.

x = Fraccin molar del componente transferible en la fase refinado.x0 = dem en la interfase.y = Fraccin molar del componente transferible en la fase extracto.y0 = dem en la interfase.xe = Fraccin molar del componente transferible en la fase refinado en equilibrio con la correspondiente del mismo componente en la fase refinado.ye = dem en la fase extracto en equilibrio con la correspondiente del mismo componente en la fase extracto.

Igualando miembro a miembro las ecuaciones de balance de materia y las de transferencia se llegara a las siguientes ecuaciones:

Para la fase extracto y coeficiente individual:

Anlogamente, para la fase extracto y coeficiente global:

El mismo anlisis se debe realizar para la fase de refinado en funcin de los coeficientes individual y global:

Estas Ecuaciones permiten calcular la altura de columna necesaria para verificar la separacin.

Definicin de coeficientes de transferencia de materia modificados mediante las expresiones siguientes:

Aplicando en las anteriores ecuaciones estos valores de los coeficientes corregidos se obtiene:

Donde:

HR= altura de la unidad de transferencia referida a la fase de refinadoHRT= dem global referida a la fase refinado como un todoHE= dem referida a la fase de extractoHET= dem referida a la fase de extracto como un todoNR = Nmero de unidades de transferencia referido a la fase de refinadoNRT= dem global referido a la fase refinado como un todoNE= dem referido a la fase extractoNET= dem global referido a la extracto como un todo

Las anteriores ecuaciones nos dan la altura de la columna donde llevar a cabo la operacin de extraccin lquido-lquido.Si se expresan las concentraciones como razones molares operando de forma anloga se llegara a las siguientes ecuaciones:

1.5 Mtodos de clculo grfico

1.5.1.- Utilizando un diagrama triangular rectangular y un diagrama de distribucin normal:La aplicacin de balances de materia total sobre toda la columna y en parte de la misma nos llevara a la siguiente relacin:

Representacin de una columna de extraccin col las fases de extracto y refinado:

Representacin de un diagrama en coordenadas rectangulares

Este representa un diagrama de fases comn de un par de componentes A y B parcialmente miscibles.

El lquido C se disuelve por completo en A o B. El lquido A es muy poco soluble en B y B es un poco soluble en A.

1.5.1.1.- SISTEMA DE TRES COMPONENTESDos de ellos parcialmente solubles (ms frecuente extraccin lquida)-C es totalmente soluble en A y en B-A y B son dos lquidos parcialmente solubles.-K y L disoluciones lquidas saturadas. Mximos de saturacin de A y B.-Si mezclamos los lquidos A y B en composiciones inferiores a los lmites A y L se nos separaran en dos fases.-Cuanto ms cerca est L y K de los vrtices, ms insolubles son.-J dos mezclas saturadas de composicin L y K. (Dos fases distintas)-Curva LRPEK curva binodal de solubilidad

Efecto de la Temperatura, A medida que aumenta la temperatura A y B son ms solubles.

Efecto de la presin, el efecto de la presin suele ignorarse Excepto para presiones muy elevadas.

1.5.1.2.- EXTRACCIN EN UNA SOLA ETAPA

F estar constituido por el lquido A y el soluto que tenga disuelto C.xF fraccin en peso de C en la alimentacinS disolvente, va a estar compuesto mayoritariamente por el compuesto ByS fraccin en peso de C en el disolvente. Si el disolvente es puro yS = 0Mezclamos F y S, tiene lugar una transferencia de materia hasta el equilibrio parte va al refinado y parte al extracto.y1, x1 composiciones en el equilibrio, son los extremos de las lneas de unin o de repartoy1 fraccin en peso de C en E1 x1 fraccin en peso de C en R1

El diagrama triangular para extraccin en una sola etapa

La lnea de unin que pasa por M, nos va a determinar R1 y E1, que estarn situados en la curva binodal.

BM total F + S = M1 BM ac: F xF + S yS = M1 xM1

BM total M1 = E1 + R1 ; R1 = M1 - E1BM aC M1 xM1 = E1 y1 + (M1 - E1) x1 M1 xM1 = E1 y1 + M1 x1 - E1 x1M1 (xM1 - x1) = E1 (y1 - x1)

x1, y1 los sacaremos del grfico

1.5.1.3.-EXTRACCIN EN VARIAS ETAPAS A CORRIENTE CRUZADABalance Para una etapa n:B. M. total Rn-1 + Sn = En + Rn = Mn B. M. ac Rn-1 xn-1 + Sn yS = Mn xMn = En yn + Rn xn

Diagrama triangular para extraccin a contracorriente cruzada.R1 fase rica en A, R3 refinado finalE1 fase rica en B, E3 Extraccin del compuesto

Ej ) 100 kg de una disolucin de cido actico (C) y agua (A) que contiene 30% de cido, se van a extraer tres veces con ter isoproplico (B) a 20 C; se utilizarn 40 kg de disolvente en cada etapa. Calcular las cantidades y composiciones de las diferentes corrientes. Cunto disolvente se necesitar si se quiere obtener la misma concentracin final del refinado con una sola etapa?Datos del equilibrio a 20 C

Capa acuosaCapa de ter isoproplico% pesocido actico100xAguater isoproplico% pesocido actico100y*Aguater isoproplico0.691.412.896.4213.3025.5036.7044.3046.4098.197.195.591.784.471.158.945.137.11.21.51.61.92.33.44.410.616.50.180.370.791.934.8211.4021.6031.1036.200.50.70.81.01.93.96.910.815.199.398.998.497.193.384.771.558.148.7

Ejemplo 2

100 Kg de cido actico cloroformo de composicin 30 % en peso de cido actico se tratan, en contacto sencillo, con agua a 18 C, a objeto de extraer cido actico.Calclese:a) las cantidades mnima y maxima, de agua a emplear.b) La concentracin mxima que puede alcanzar el cido actico en el producto extraido los datos de equilibrio son los siguientes:

EXTRACCIN CONTINUA CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MLTIPLES:

Las corrientes de extracto y de refinado fluyen acontracorriente de etapa a etapa, y los productos finales son la corriente de extracto que sale de la etapa 1, y la corriente de refinado que sale de la etapa n.

Aplicando un balance de materia se obtienen:

Que se puede expresar tambin de la forma:

Que representado en un diagrama triangular es:

El diagrama triangular nos indica que las rectas que unen F con E1 y Rn con B han de tener un punto comn denominado polo o punto comn de operacin P.Las lneas de operacin PE interceptan en la curva binodal puntos que representan el extracto y el refinado de dos etapas adyacentes.

Una vez situados los puntos F, E1, Rn, M y P, se traza la recta de reparto que pasa por E1 con lo cual localizamos R1 como un primer equilibrio entre el extracto y el refinado. Con lo que se representa extracto y refinado de la primera etapa, despus se traza la recta de operacin PR1, que permite localizar E2, y la recta de reparto que pasa por E2 da R2 la recta de operacin PR2 localiza E3, y as sucesivamente hasta llegar al valor de R correspondiente a Rn.

Ejemplo:Una mezcla de difenilhexano- docosano de composicin 50% en peso se extrae en contracorriente a 45C con furfurol, para reducir la composicin del difenilhexano en el producto refinado a menos del 10%. Si se emplean 800 Kg de furfurol por cada 500Kg de mezcla inicial, calcle el nmero de etapas tericas para efectuar esta separacin.

Los datos son:

Ejemplo 2: Han de separarse benceno y trimetilamina (TMA) en una columna de extraccin lquido-lquido de tres etapas utilizando agua como disolvente. Si los productos de extracto y refinado exentos de disolvente han de contener 70 y 3% en peso de TMA, respectivamente, calclese la composicin de la alimentacin original y la relacin de agua a alimentacin utilizando un diagrama del triangular. No se utiliza reflujo y el disolvente es agua pura.

EQUIPO PARA LIXIVIACIN LQUIDO-SLIDO

Para separar el soluto deseado o eliminar un soluto indeseable de la fase slida, sta se pone en contacto con una fase lquida. Ambas fases entran en contacto intimo y el soluto o los solutos se difunden desde el slido a la fase lquida, lo que permite una separacin de los componentes originales del slido. Este proceso se llama lixiviacin lquido-slido o simplemente, lixiviacin.

Preparacin de los slidos para la lixiviacin:

El mtodo de preparacin del slido depende en alto grado de la proporcin del constituyente soluble presente, de su distribucin en el material slido original, de la naturaleza del slido, que puede estar constituido por clulas vegetales o el material soluble estar totalmente rodeado por una matriz de materia insoluble, y del tamao de partcula original.

Lo que se debe generar es la mayor facilidad de un contacto ntimo entre el solido que contiene el soluto con el lquido solvente.

Tipos de equipo para la lixiviacin:

Equipo de lixiviacin de lecho mvil: (a) extractor de Bollman; (b) extractor de Hildebrandt.

EJERCICIOS: