FISICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO

FISICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS

PROFESOR: CHAFLOQUE-ELIAS-CARLOS ALBERTO INTEGRANTES : DURAN CORDOVA YOSELIN

20120285G

MAXIMO AVELARDO HUALPA ROMERO

20132033H

HUAMANCAJA-REYES-ROGER LUIS

20082542A

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS


INTRODUCCION Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquidolíquido es una de las alternativas a considerar. Mezclas con temperaturas de ebullición próximas o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, aun operando a vacío, con frecuencia se separan de las impurezas por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidad. Por ejemplo, en la obtención de la penicilina se recupera del caldo de fermentación por extracción con un disolvente, tal como acetato de butilo, después de disminuir el pH para obtener un coeficiente de partición favorable. El disolvente se trata después con una disolución tampón de fosfato para extraer la penicilina del disolvente y obtener una disolución acuosa purificada, a partir de la cual se obtiene eventualmente la penicilina por secado. La extracción también se utiliza para recuperar ácido acético de disoluciones diluidas; la destilación sería posible en este caso, pero la etapa de extracción reduce considerablemente la cantidad de agua que es preciso destilar. La extracción líquido-líquido, a menudo llamada extracción con disolventes, consiste en la separación de los constituyentes de una mezcla líquida por contacto con otro líquido inmiscible (parcial o totalmente inmiscible), por lo tanto, no supone cambio de estado físico. Si los componentes de la mezcla original se distribuyen de forma diferenciada entre las dos fases líquidas, se produce un cierto grado de separación, que puede acentuarse por la combinación de etapas múltiples, tal como ocurre en operaciones como la destilación o la absorción.



EXTRACCIÓN LÍQUIDO – LÍQUIDO La extracción líquido-líquido se basa en el tratamiento de mezclas líquidas con disolventes selectivos con respecto a ciertos componentes, y es una de las operaciones básicas que tienen como fundamento la difusión de materia. En esta operación es esencial que en la mezcla los líquidos y el disolvente sean, al menos, parcialmente inmiscibles. Es conveniente emplear la extracción, si es difícil o imposible separar los componentes de la mezcla por medio de la rectificación o destilación debido a la proximidad de las temperaturas de ebullición, formación de mezclas con ebullición inseparable y estabilidad térmica insuficiente de los componentes. En la actualidad se emplea para depurar los productos del petróleo, extraer el fenol de las aguas amoniacales de la coquificación, en la producción de anilina, para extraer metales raros, en la producción de bromo y yodo, etcétera. En la extracción líquido-líquido, después de poner en contacto el disolvente y la mezcla por tratar, se obtienen dos fases líquidas que reciben el nombre de extracto y refinado, según en ellas predomine el disolvente o la mezcla por tratar respectivamente. Cualquiera de ellas puede ser la fase ligera o la fase pesada, según sean sus densidades respectivas. Se dice que el disolvente es selectivo para aquel componente que se encuentre en mayor proporción en el extracto que en el refinado, y éste puede ser un compuesto puro o una mezcla.

Etapas de un proceso de extracción

Contacto del material por extraer con el disolvente

Separación de las fases formadas

Recuperación del disolvente

Es preciso hacer notar la gran importancia de un mezclado adecuado del disolvente y de la mezcla por tratar, ya que ella y los resultados que puedan conseguirse son los que determinan la viabilidad de un proceso de extracción. Por otra parte, la separación del disolvente puede llevarse a cabo por evaporación o por destilación, según sea su volatilidad y/o la del soluto contenido. En algunos casos también puede lograrse por variaciones de la solubilidad del soluto con la temperatura y en



otras, como operación previa a la destilación, suele hacerse una extracción con un segundo disolvente cuya evaporación exija un consumo menor de energía. Otro aspecto importante es que si bien el empleo de una sustancia disolvente ara mejorar la separación de otra, introduce evidentemente dificultades, la extracción presenta la ventaja de no requerir normalmente temperaturas extremas, por lo que la corrosión del equipo suele ser baja. Proceso: . En esta operación unitaria, las corrientes que se obtienen en el proceso son denominadas dela siguiente manera:

Alimentación o Diluyente: solución a la cual se le va a extraer un componente determinado (soluto). Solvente o Disolvente: líquido que se coloca en contacto con la corriente de alimentación y extrae uno de los componentes (soluto). Extracto: producto rico en solvente y soluto, aunque contiene presencia del diluyente. Residuo o Refinado: líquido residual de donde se separa el soluto y es rico en líquido de alimentación aunque tiene presencia del soluto y solvente.



Características del disolvente de extracción La extracción selectiva de un componente de una mezcla disuelta en un determinado disolvente se puede conseguir añadiendo otro disolvente que cumpla las siguientes condiciones.



Que no sea miscible con el otro disolvente. El agua o una disolución acuosa suele ser uno de los disolventes implicados. El otro disolvente es un disolvente orgánico.



Que el componente deseado sea mucho más soluble en el disolvente de extracción que en el disolvente original.



Que el resto de componentes no sean solubles en el disolvente de extracción.



Que sea suficientemente volátil, de manera que se pueda eliminar fácilmente del producto extraído mediante destilación o evaporación.



Que no sea tóxico ni inflamable, aunque, desgraciadamente hay pocos disolventes que cumplan los dos criterios: hay disolventes relativamente no tóxicos pero inflamables como el hexano, otros no son inflamables pero sí tóxicos como el diclorometano o el cloroformo, y otros son tóxicos e inflamables como el benceno.

Disolventes inmiscibles con el agua: Disolventes utilizados con mayor frecuencia 

Cuanto más polar es el disolvente orgánico, más miscible (soluble) es con el agua.



Por ejemplo, disolventes polares como el metanol, el etanol o la acetona son miscibles con el agua, y por lo tanto, no son adecuados para extracciones líquido-líquido.



Los disolventes orgánicos con baja polaridad como el diclorometano, el éter dietílico, el acetato de etilo, el hexano o el tolueno son los que se suelen utilizar como disolventes orgánicos de extracción.

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FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

Tabla de disolventes de extracción comúnmente utilizados Nombre

Fórmula

Densidad

Punto de

(g/mL)1

ebullición

Peligrosidad

(ºC) Disolventes de extracción menos densos que el agua Éter dietílico

(CH3CH2)2O

0,7

35

Muy inflamable, tóxico

Hexano

C6H14

≈ 0,7

> 60

Inflamable

Benceno

C6H6

0,9

80

Inflamable, tóxico, carcinógeno

Tolueno

C6H5CH3

0,9

111

Inflamable

Acetato de

CH3COOCH2CH3

0,9

78

Inflamable,

etilo

irritante Disolventes de extracción más densos que el agua

Diclorometano CH2Cl2

1,3

41

Tóxico

Cloroformo

CHCl3

1,5

61

Tóxico

Tetracloruro

CCl4

1,6

77

Tóxico

de carbono 1

La densidad del agua es 1,0 g/mL, y la de la disolución acuosa saturada de NaCl

es 1,2 g/mL.



TIPOS DE EXTRACCIÓN

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO SIMPLE Está formado por una unidad de extracción. En él, el disolvente y la alimentación se pones juntos en las cantidades que se estimen convenientes y se separan las dos fases formadas.

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).

Es frecuente obtener mezclas de reacción en disolución o suspensión acuosa (bien porque la reacción se haya llevado a cabo en medio acuoso o bien porque durante el final de reacción se haya añadido una disolución acuosa sobre la mezcla de reacción inicial). En estas situaciones, la extracción del producto de reacción deseado a partir de esta mezcla acuosa se puede conseguir añadiendo un disolvente orgánico adecuado, más o menos denso que el agua, que sea inmiscible con el agua y capaz de solubilizar la máxima cantidad de producto a extraer pero no las impurezas que lo acompañan en la mezcla de reacción. Después de agitar la mezcla de las dos fases para aumentar la superficie de contacto entre ellas y permitir un equilibrio más rápido del producto a extraer entre las dos fases, se producirá una transferencia del producto deseado desde la fase acuosa inicial hacia la fase orgánica, en una cantidad tanto mayor cuanto mayor sea su coeficiente de reparto entre el disolvente orgánico de extracción elegido y el agua. Unos minutos después de la agitación, las dos fases se separan de nuevo, con lo que la fase orgánica que contiene el producto deseado se podrá separar mediante una simple decantación de la fase acuosa conteniendo impurezas. La posición relativa de ambas fases depende de la relación de densidades. Dado que después de esta extracción, la fase acuosa frecuentemente aún contiene cierta cantidad del producto deseado, se suele repetir el proceso de extracción un par de veces más.



Una vez finalizada la operación de extracción, se tiene que recuperar el producto extraído a partir de las fases orgánicas reunidas. Para ello, se tiene que secar la fase orgánica resultante con un agente desecante, filtrar la suspensión resultante y finalmente eliminar el disolvente orgánico de la disolución seca conteniendo el producto extraído por destilación o evaporación.

Aunque normalmente la extracción se utiliza para separar el producto deseado selectivamente de una mezcla, a veces lo que se pretende con la extracción es eliminar impurezas no deseadas de una disolución.

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO CONTINUA La extracción líquido-líquido simple, que es el procedimiento de extracción más utilizado en el laboratorio químico, se suele utilizar siempre que el reparto del compuesto a extraer en el disolvente de extracción es suficientemente favorable. Cuando eso no es así, y la solubilidad del compuesto a extraer en los disolventes de extracción habituales no es muy elevada se suele utilizar otro procedimiento que implica una extracción continua de la fase inicial (normalmente una fase acuosa) con porciones nuevas del disolvente orgánico de extracción. Para evitar utilizar grandes volúmenes de disolvente de extracción, el proceso se hace en un sistema cerrado en el que el disolvente de extracción se calienta en un matraz y los vapores del disolvente se hacen condensar en un refrigerante colocado sobre un tubo o cámara de extracción que contiene la disolución acuosa a extraer. El disolvente condensado caliente se hace pasar a través de la disolución acuosa, para llegar finalmente, con parte del producto extraído, al matraz inicial, donde el disolvente orgánico se vuelve a vaporizar, repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz.



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



EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO MÚLTIPLE CONTRACORRIENTE El método está basado en poner la alimentación, rica en soluto, en contacto con una disolución concentrada de este, o los refinados pobres en contacto con disoluciones tanto mas diluidas cuanto menor es la concentración de aquellos.

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO DIFERENCIAL EN CONTRACORRIENTE El método esta 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 mas pesada por la parte superior.



EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO 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.

Equilibrio Líquido-Líquido La extracción supone el uso de sistemas compuestos por tres sustancias cuando menos; aunque las fases insolubles son predominantemente muy distintas desde el punto de vista químico, en la mayoría de los casos los tres componentes aparecen en cierto grado en las dos fases. a) Regla de las fases: En general, un sistema líquido-líquido tiene tres componentes, A, B y C, y dos fases en equilibrio. Sustituyendo en la regla de las fases, los grados de libertad son 3, y las variables son temperatura, presión y las cuatro concentraciones. (Hay cuatro concentraciones porque sólo es posible especificar dos de las tres concentraciones de fracciones de masa de una fase.) b) Coordenadas triangulares y datos de equilibrio: Las coordenadas triangulares equiláteras se usan con mucha frecuencia para representar los datos de equilibrio



de un sistema de tres componentes, puesto que se tienen tres ejes. Esto se muestra en la Figura 2. Cada uno de los tres vértices representa un componente puro, A, B o C. El punto M representa una mezcla de A, B y C, la distancia perpendicular desde el punto M hasta la base AB representa a la fracción de masa XC de C en la mezcla en el punto M, la distancia a la base CB es la fracción de masa XA de A, y la distancia a la base AC es la fracción de masa XB de B. De esta forma; XA + XB + XC = 0.40 + 0.20 + 0.40 = 1.0

Figura 2: Diagrama Triangular En la Figura 3, se muestra un diagrama de fases común de un par de componentes A y B parcialmente miscibles. Con respecto a la Figura 3, el líquido C se disuelve por completo en A o B. El líquido A es muy poco soluble en B y B es un poco soluble en A. La región de dos fases corresponde a la zona delineada por la curva envolvente. Una mezcla original de composición M se separa en dos fases a y b que están en la línea de unión de equilibrio que pasa a través del punto M. (Se muestran también otras de líneas de unión.) Ambas fases son idénticas en el punto P, que se llama punto de Plait.



Figura 3: Diagrama de fases liquido-líquido en el que los componentes A y B son parcialmente miscibles.

Algunas de las características de un proceso de extracción se pueden ilustrar utilizando la Figura 4. Cuando se añade disolvente a una mezcla de acetona y agua, la composición de la mezcla que resulta está situada sobre una línea recta que une el punto del disolvente puro y el punto correspondiente a la mezcla original. Cuando se añade suficiente cantidad de disolvente para que todas las composiciones estén situadas debajo de la curva en forma de domo, la mezcla se escinde en dos fases. Los puntos que representan las composiciones de las fases pueden unirse por una recta de reparto que pasa a través del punto representativo de la composición global. Para mayor claridad solamente se representan unas pocas rectas de reparto, y las demás se pueden obtener por interpolación. La línea ACE representa las composiciones de la capa de MIK (extracto) y la línea BDE representa las composiciones de la capa de agua (refinado). Al aumentar el contenido global de acetona, las composiciones de las dos fases se acercan entre sí y se hacen iguales en el punto E, que recibe el nombre de punto crítico. Las rectas de reparto de la Figura 4, están inclinadas hacia la izquierda y la fase de extracto es más rica en acetona que la fase de refinado. Esto sugiere que la mayor parte de la acetona



deberá extraerse desde la fase acuosa utilizando solamente una moderada cantidad de disolvente. Si las rectas de reparto fuesen horizontales o estuviesen inclinadas hacia la derecha, la extracción todavía sería posible, pero sería preciso utilizar más disolvente y a que el extracto lina1 no sería tan rico en acetona.

Figura 4: Sistema Acetona-MIK- Agua a 25 °C.



Tabla 1. Coeficientes de Distribución K de sistemas de tres componentes, a distintas condiciones.



Torres de platos perforados

Consiste en torres de varias etapas a contracorriente, tanto con respecto a la capacidad de manejo del líquido como a la eficiencia en la extracción, son muy efectivas, en particular para sistemas de baja tensión interfacial que no requieren agitación mecánica para una buena dispersión. Su efectividad para la transferencia de masa se deriva de que: (1) el mezclado axial de la fase continua está confinado a la región entre

los platos y no se distribuye por toda la torre de etapa a etapa, (2) las gotas de la fase dispersa coleasen y se vuelven a formar en cada

plato, destruyendo así la tendencia a establecer gradientes de concentración dentro de las gotas que persisten en toda la altura de la torre. En la figura 4 que se muestra una torre de diseño sencillo, en donde el arreglo general de los platos y vertederos es muy similar a la torre de contacto gas-líquido, excepto que no se requiere de derramaderos. La figura 4 muestra el arreglo para el líquido ligero disperso. Los líquidos ligeros pasan a través de las perforaciones y las burbujas ascienden a través de la fase continua pesada y coalescen en una capa, que se acumula entre cada plato. El líquido pesado fluye a través de cada plato a través de las gotas ascendentes y pasa a través de los vertederos hacia el plato inferior. Volteando la torre de cabeza, los vertederos se convierten en “tuberías de ascenso”, que llevan al líquido ligero de plato en plato, mientras que el liquido pesado fluye a través de las perforaciones y se dispersa en gotas. Como alternativa, puede dispersarse el líquido pesado en una parte de la torre y el líquido ligero en la otra, mientras que la interfase principal se mantiene en la parte central de la torre. Los platos de flujo transversal de la figura 1 son adecuados para diámetros relativamente pequeños de la torre (hasta aproximadamente 2 m). Para torres mayores, se pueden colocar vertederos múltiples a intervalos a través del plato.


Figura 4.- Torre de Extracción de Platos Perforados




Formación de las gotas

El líquido que se va a dispersar fluye a través de perforaciones de diámetro de 3 a 8 mm, colocadas 12 a 20 mm aparte. Si la gota líquida humedece preferentemente el material del plato, el tamaño de la gota se vuelve incontrolablemente grande; es mejor utilizar pequeñas boquillas que se proyectan desde la superficie, con el fin de evitar esta dificultad. Los orificios pueden perforarse en un plato plano de la forma mostrada en la figura 4; la base se deja en su lugar, de cara a la dirección de formación de la gota.

Si no hay transferencia de masa y si la fase dispersa sale de una perforación en un plato que no está preferentemente humedecido con el líquido disperso, la gota se forma en el orificio y su tamaño será uniforme a una velocidad dada a través del orificio. A cierta velocidad moderada, un chorro de líquido disperso sale del orificio; las gotas se forman al romperse el chorro. Cuando sale un chorro, puede empezarse a calcular la velocidad a través del orificio a, la cual, por la regla de dedo es, no obstante, de 0.1 m/s aproximadamente.

Para velocidades menores de ésta, los tamaños de las gotas se pueden

calcular

principalmente

con

cualquiera

de

dos

correlaciones a, las cuales, por lo general, concuerdan razonablemente bien. Respecto de los fines actuales, las estimaciones son suficientes, o sea, que las diferencias no son importantes y que es útil la figura 4. A velocidades mayores de unos 0.1 m/s, los tamaños de las gotas no son uniformes



Detalle de la Columna de Extracción

Se presenta a continuación el detalle de la columna:



La columna tiene las siguientes relaciones:

Altura:

82 cm

Diámetro:

17 cm

Espesor:

1/32 in

Altura/Diámetro:

4.8

Forma Geométrica:

Cilindro Capacidad

Nominal:

18.612 litros

La parte interior de la columna tiene 8 platos montados en una estructura metálica la cual sostiene los platos apoyándose en el fondo de la torre. Dichos platos hacen que ambos fluidos se mezclen y se pueda transferir compuestos de una fase a la otra. Se muestra en detalle la estructura que tienen los platos.

0.160m

0.170m

Lamina de 1/32 de espesor

Plato

Figura 6.- Detalle del Plato Perforado Los platos reducen la presión con la que los fluidos son impulsados en la columna esto podría reducir significativamente la eficiencia de cada plato para la transferencia de materia. El estudio hidrodinámico de la columna corrobora esta aseveración.



La relación altura diámetro corresponde a 5 que es la de diseño. Una modificación podría cambiar la configuración de los platos, pero también aumentaría la zona de sedimentación del fluido ligero. Simulacio Dinamica de los Fluidos



Variables de la Operación:

Las variables más importantes que deben controlarse son los flujos:

Flujo de solvente: Esta variable mide la rapidez de la entrada de corriente de solvente.

Flujo del extracto: La variable mide la rapidez del extracto.

Flujo de alimentación de la mezcla: La variable independiente es la alimentación de la mezcla.

Flujo de perturbación: Esta dada por el porcentaje de abertura de la válvula. Además podemos identificar otras variables que nos darán mayor precisón para el diseño y/u operación del equipo:

Variables de entrada  Flujo de mezcla de alimentación, (F)  Velocidad de Stoke de la fase continua, (Vt)  Fracción de masa de los componentes de F, (Xaf), (Xbf)  Temperatura de F, (TF)  Presión de F, (PF)  Densidad de la solución F, (ρF)  Viscosidad de F, (μf)  Flujo de solvente, (S)  Velocidad por los agujeros de la fase dispersa, (W0)  Fracción de masa de los componentes de S, (Ycs)  Temperatura de S, (TS)  Presión de S, (PS)



 Densidad de la solución S, (ρS)  Viscosidad de S, (μs)  Numero de Platos, (Np)  Altura de la columna, (H)  Área de la Sección Transversal de la Columna, (AC)  Diámetro de la Columna, (DC)

Perturbaciones  %OPEN de la válvula de la mezcla de alimentación, (%OV1)  Temperatura de F, (TF)  %OPEN de la válvula del solvente, (%OV2)  Temperatura de S, (TS)  %OPEN de la válvula del Extracto, (%OV3)  %OPEN de la válvula del Refino, (%OV4)  Variación de la fracción de masa del soluto en F, (Xaf)



Variables de salida  Fracción de masa de los componentes de R, (Xar), (Xbr), (Ycr)  Temperatura de R, (TR)  Presión de R, (PR)  Densidad de la solución R, (ρR)  Flujo de mezcla del Extracto, (E)  Fracción de masa de los componentes de E, (Yae), (Ybe), (Yce)  Temperatura de E, (TE)  Presión de E, (PE)  Densidad de la solución E, (ρE)  Caída de Presión, (ΔP)  Potencia consumida por las bombas, (Wb)  Eficiencia del extractor, (%EC)



Estudio de Flujos La disposición de los equipos es fundamental para una optima ubicación y funcionamiento del modulo, debe tenerse en cuenta varios aspectos para la operación de separación de líquidos.

VC-1 VB-4 Figura 10.-

Diagrama de Flujos y Equipos para la Operación de

Extracción Líquido –Líquido

Se observa en la figura 10 dos líneas de recirculación que salen de ambos tanques tanto de extracto como de refino mediante un BYPASS hacia las entradas de las bombas. Los pasos son mostrados en las siguientes figuras:




Primer Paso: Inundación de la columna con el fluido pesado VC-1

Alimentación

Columna

Válvula

de

Abierta Válvula Cerrada

Segundo Paso: Ingreso a la columna del fluido ligero. (Luego de esto es recomendable recircular ambos fluidos)

VC-1

Solvente

VB-1

Alimentación

Columna

VB-2

VC-3

de Extracción

Válvul as VC-4

VC-2

B-1

Abiert as




Tercer Paso: Operación a flujo continúo.

VC-1 VB-4 Válvula Cerrada Paso Opcional: Recirculación del extracto y el refino a la columna

Solvente

Columna

Alimentación

VB-1

VC-3

Extracto

de Extracción

VB-2

VB-3

VC-4

VC-2 B-1 Refinado B-2

Recirculación

Válvulas Recirculación Abiertas

VC-1 VB Válvula Cerrada

-4



Control de Procesos Las columnas de extracción líquido – líquido, como la columna de destilación, tienen un sistema de control de nivel para conocer la altura a la cual se encuentra el fluido, sin embargo, la columna de extracción liquido – liquido, se encontrara inundada cuando este en funcionamiento. Se plantea conocer la altura de la interfase, esto nos ayudara a calcular la altura de la zona de intermedia, y así conocer la relación de del solvente con la mezcla de alimentación. Existe un sistema de control de nivel para los productos de fondo y también para los productos de cabeza.

La zona de interfase se forma por la diferencia de densidades que presentan ambas fases, podría utilizarse un tubo exterior que actúa como vía comunicante entre las dos fases para determinar en tiempo real la altura, y así poder apreciar las perturbaciones del proceso.

La variable manipulable es la entrada de la corriente de solvente o extractante (S). La variable controlable es el extracto (E). La variable independiente es la alimentación de la mezcla (F). El caudal del refino (R), cierra el balance de materia de la columna de extracción.

4. TIPOS DE EQUIPOS. Extracción por etapas:  Mezclador – sedimentador 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 platos perforados Estas torres de varias etapas a contracorriente, tanto con respecto a la capacidad de manejo del líquido como a la eficiencia en la extracción, son muy efectivas, en



particular para sistemas de baja tensión inter facial que no requieren agitación mecánica para una buena dispersión. Los líquidos ligeros pasan a través de las perforaciones y las burbujas ascienden a través de la fase continua pesada y coalescen en una capa, que se acumula entre cada plato. El líquido pesado fluye a través de cada plato a través de las gotas ascendentes Y pasa a través de los vertederos hacia el plato inferior. Volteando la torre de cabeza, los vertederos se convierten en "tuberías de ascenso", que llevan al líquido ligero de plato en plato, mientras que el líquido pesado fluye a través de las perforaciones Columnas de bandejas

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 inter facial. Cuando se opera con un régimen de flujo adecuado, las velocidades de extracción en columnas de

 EXTRACTOR SHEIBEL. Recipiente o columna, con relleno de malla o alambre y deflectores, usado en procesos de extracción líquido-líquido. Este es probablemente el más antiguo de los agitadores de columna que se tiene. Funciona en el principio mezclador -



sedimentador. Los agitadores están montados a intervalos fijos sobre un eje vertical central, y envases de malla de alambre están instalados para mejorar la coalescencia y separación de las fases. Los impulsores son del tipo de turbina y las mamparas que os rodean, del tipo de dona, están sujetos por aros verticales de unión, que no se muestran. Los diseños anteriores incluyen empaque de alambre entretejido alternado con secciones que incluyen un impulsor.

Extracción por contacto continuo diferencial:  Torres de pulverización En la torre de pulverización que se muestra en la figura 3.39, el líquido menos denso se introduce por el fondo y se distribuye en pequeñas gotas por medio de las boquillas A.



Las gotas del líquido ligero ascienden a través de la masa de líquido más pesado que desciende por la torre como una corriente continua. Las gotas se recogen en la parte superior y forman la corriente del líquido más ligero que sale por la cima de la torre. El líquido más pesado sale por el fondo de la torre. En la figura 3.39 la fase ligera es la fase dispersa mientras que la más pesada es la continua. Esta forma de operación puede invertirse, pulverizando la corriente más pesada en la cima dela torre para dispersarla en la fase más ligera; en este caso la fase pesada desciende como fase dispersa a través de una corriente continua del líquido más ligero. La elección de la fase dispersa depende de las velocidades de flujo puede dispersarse para obtener una mayor área inter facial, pero, si hay una importante diferencia de viscosidades, puede dispersarse la fase más viscosa con el fin de obtener una mayor velocidad de sedimentación.



 EMBUDOS DE SEPARACIÓN. La fase inferior se saca del embudo abriendo la llave, y se recoge en un Erlenmeyer. Al principio se la separación, la llave se abre completamente y a medida que el volumen de la fase inferior va disminuyendo, se cierra gradualmente hasta que la línea de separación de las fases se aproxima a la llave. Para evitar que las gotas de la fase inferior que han quedado sobre las paredes del embudo se pierdan, girar el embudo ligeramente alrededor de su posición vertical y añadir ese pequeño volumen a la fase anteriormente separada. Si quedara algo de líquido en el vástago del embudo, golpearlo suavemente para que descienda.

 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.



 COLUMNAS PULSADAS La agitación puede también comunicarse por medios externos, tal como ocurre en las columnas pulsadas. Una bomba reciprocante “pulsa” todo el contenido de la columna a intervalos frecuentes, de forma que un rápido movimiento reciprocante de amplitud relativamente pequeña se superpone al flujo ordinario de las fases liquidas, la torre es de empaque ordinario, o bien, de platos perforados especiales. En una torre empacada, la pulsación dispersa los líquidos y suprime la canalización, de manera que mejora de forma considerable el contacto entre las fases. En el comportamiento ideal, la pulsación provoca, la dispersión del líquido ligero en la fase pesada en la carrera ascendente, mientras que la fase pesada se proyecta en forma de chorro en la fase ligera durante la carrera ascendente. En estas condiciones la



eficiencia de las etapas puede ser de 70%. Sin embargo, esto es posible solo cuando los volúmenes de las dos fases son aproximadamente iguales y cuando casi no hay variación de volumen durante la extracción.

 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.



5. APLICACIONES INDUSTRIALES La implantación de la operación de extracción líquido-líquido a gran escala en procesos industriales fue más tardía que el resto de operaciones, destilación y absorción. Sin embargo la importancia del proceso de extracción líquido-líquido ha ido en aumento debido a la creciente demanda de productos sensibles a la temperatura, mayores requerimientos de pureza, equipos más eficientes y la disponibilidad de disolventes más selectivos. La extracción líquido-líquido presenta una amplia aplicación en la industria del petróleo para separar alimentaciones líquidas en función de su naturaleza química más que por su peso molecular o la diferencia de volatilidad. Como ejemplo se tiene la separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos. 5.1. OBTENCIÓN DE DESASFALTADO DE PROPANO Los residuos de destilación a vacío pueden contener gasóleo de alta viscosidad. En ese caso, se puede tratar con un 2do proceso de separación que consiste en usar propano líquido como agente de extracción. Este tipo de gasóleo no puede ser obtenido a través de destilación, justificando, el uso del proceso de desasfaltación con propano, en función del poder del solvente y solubilidad. La desasfaltación con propano se trata de un proceso relativamente simple, formado por tres partes principales: extracción, recuperación de extrato y recuperación de refinado.



5.2. RECUPERACIÓN DE COMPUESTOS AROMÁTICOS. Un método de separación de hidrocarburos aromáticos de hidrocarburos no aromáticos de una corriente de alimentación, cuyo método comprende poner en contacto una corriente de alimentación líquida que contiene una mezcla de hidrocarburos aromáticos y no aromáticos, con el lado denso de la capa activa de una membrana de una poliimida asimétrica tratada con un agente de acondicionamiento que comprende un aceite lubricante, en el que la temperatura de separación está en el intervalo desde 20ºC a 80ºC Existen tres solventes utilizados en la extracción de aromáticos de las materias primas para aceites lubricantes. Los solventes son furfural, fenol y N-metil-2pirrolidona (NMP). El propósito de la extracción con solventes es mejorar el índice de viscosidad (IV), la resistencia a la oxidación y el color del corte base de aceite



lubricante y reducir las tendencias de formar carbón y lodos mediante la separación de la porción aromática de las porciones nafténicas y parafínicas de la materia prima. El furfural es el solvente selectivo más utilizado, por lo tanto, se explicará aquí su proceso.



5.3. REFINACIÓN DE ACEITES LUBRICANTES Y DISOLVENTES.

5.4. EN LA EXTRACCIÓN DE PRODUCTOS QUE CONTIENEN ÁCIDO ACÉTICO. Como sustituto de la destilación o evaporación, cuando las sustancias a separar son químicamente diferentes. Por ejemplo, el ácido acético puede separarse de disoluciones diluidas en agua a costes relativamente elevados por rectificación, sin embargo se puede separar con relativa facilidad y menores costes por extracción seguida de rectificación del extracto.

5.5. EXTRACCIÓN CON FURFURAL



La unidad de extracción con furfural es muy similar a la de desasfaltizado con propano salvo en la sección de recuperación de solvente, que es más compleja. El corte base para el aceite (proveniente de la unidades de vacío y desasfaltizado) se introduce en un extractor continuo contracorriente a una temperatura que es función de la viscosidad de la alimentación; cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la temperatura a utilizar. La unidad de extracción es generalmente una torre empaca con anillos raschig o un contactor de discos rotatorios con un gradiente de temperatura desde cabeza hasta fondo de 30 a 50ºC. La temperatura de cabeza es función de la temperatura de miscibilidad del furfural y del aceite. Está por lo general en el rango de 105 a 150ºC. La fase de aceite es una fase continua, y la fase con furfural disperso pasa a través del aceite. El extracto se recicla con una relación de 0,5:1 para mejorar la eficiencia de extracción. Las relaciones furfural/aceite varían desde 2:1 para cortes livianos hasta 4,5:1 para cortes pesados. Las pérdidas de solvente normalmente son menores a 0,02% en peso de los caudales de refinado y extracto. El furfural se oxida fácilmente por lo tanto se mantienen corrientes de gas inerte en el sistema para reducir la oxidación y la polimerización. Algunas veces se utilizan torres de desaireación para eliminar el oxígeno disuelto en la alimentación. El furfural está sujeto a cracking térmico, por lo que las temperaturas de pared del equipo de intercambio calórico deben controlarse cuidadosamente para evitar polimerización del furfural y ensuciamiento en los intercambiadores. El furfural se elimina de las corrientes de refinado y extracción mediante flasheo y stripping con vapor. El furfural forma un azeótropo con agua y esto genera un sistema único de recuperación de furfural. El furfural se purifica en la torre de furfural destilando por cabeza al azeótropo furfural-agua que condensado se separa en una capa rica en agua y en otra rica en furfural. La capa rica en furfural se recicla a la torre como reflujo y el furfural de la capa rica en agua se separa mediante stripping con vapor. Los vapores de cabeza del stripper, formados por el azeótropo, se condensan y se retornan al separador furfural-agua. El fondo de la torre de furfural es una corriente pura de furfural, que se envía al tanque de furfural solvente. Las variables operativas más importantes de la unidad de extracción con furfural son:



 La relación furfural/aceite  La temperatura de extracción  La relación de reciclo del extracto. La relación furfural/aceite tiene el mayor efecto en la calidad y el rendimiento delrefinado, mientras que la temperatura se selecciona de acuerdo a la viscosidad el aceite y a la temperatura de miscibilidad. La relación de reciclo del extracto determina en cierto punto el punto de rechazo del aceite y el grado de separación de los aromáticos, naftenos y parafinas. 5.6. DESULFURACIÓN DE PRODUCTOS PETROLÍFEROS La extracción líquido-líquido presenta una amplia aplicación en la industria del petróleo para separar alimentaciones líquidas en función de su naturaleza química más que por su peso molecular o la diferencia de volatilidad. Como ejemplo se tiene la separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos.



5.7. PRODUCTOS FARMACÉUTICOS, EJEMPLO EN LA OBTENCIÓN DE LA PENICILINA Para separaciones que no son fáciles o posibles por otras técnicas. Por ejemplo la separación de hidrocarburos aromáticos y parafínicos de pesos moleculares próximos (y por tanto parecidos puntos de ebullición) es muy sencilla por extracción con distintos disolventes, como el dióxido de azufre y dietilen glicol, pero es prácticamente imposible por destilación ya que las presiones de vapor son muy parecidas. Muchos productos farmacéuticos (como la penicilina) se obtienen de mezclas tan complejas, que su separación solo es posible por extracción. La extracción de penicilina se lleva a cabo utilizando disolventes tales como el butil , acetato de amilo o metil isobutil cetona, y el aislamiento de eritromicina utilizando acetato de amilo o pentilo. Técnicas de extracción con disolvente se aplican también para la recuperación de esteroides, la purificación de la vitamina B12 de origen microbiano, y el aislamiento de los alcaloides como la morfina y la codeína de la materia prima vegetal.



5.8. INDUSTRIA ALIMENTARÍA 5.9 OBTENCIÓN DE METALES COSTOSOS, EJM COMO URANIO-VANADIO.

5.10. SEPARACION DE UN DIACETAL DE GLIOXAL POR EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO A CONTRACORRIENTE Procedimiento de separación de un diacetal de glioxal de fórmula (I) (Ver fórmula) en la cual R significa un grupo alquilo-(C1-C4) lineal o ramificado, a partir de una mezcla bruta acuosa que comprende dicho diacetal de glioxal, así como un monoacetal de glioxal de fórmula (II) (Ver fórmula) en la cual R es tal como se ha definido anteriormente, caracterizado porque dicho procedimiento tiene al menos una etapa de extracción líquido-líquido a contracorriente de dicho diacetal de glioxal con ayuda de un disolvente inmiscible en el medio de reacción, con el fin de obtener, por una parte, una fase ligera que contiene dicho diacetal de glioxal y, por otra parte, una fase pesada que comprende los restantes componentes de la mezcla bruta.



OTRAS APLICACIONES SE PUEDEN ENCONTRAR EN:  La industria bioquímica como la separación de antibióticos y la recuperación de proteínas sustratos naturales.  La extracción de metales como la recuperación del cobre de soluciones amoniacales y separaciones de metales poco usuales y de isótopos radiactivos en elementos combustibles gastados.  La industria química inorgánica para recuperar compuestos tales como ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio de soluciones acuosas.  Recuperación de compuestos aromáticos como fenol, anilina o compuestos nitrogenados de las aguas de desecho, ya que constituyen una fuente contaminante.

 Recuperación de productos sensibles al calor  Recuperación de compuestos orgánicos del agua como formaldehido, ácido fórmico y ácido acético.



CONCLUSIONES Para tener una eficiencia en una operación de extracción la clave está en seleccionar el disolvente adecuado, además de no tóxico, barato y fácilmente recuperable un buen disolvente deberá ser inmiscible con los componentes de la alimentación diferentes del soluto y poseer diferente densidad. Debe ser afín con el soluto para que posteriormente sea fácilmente separable por destilación cristalización u otros medios. 1. La extracción líquido-líquido se emplea para mezclas líquidas cuyos componentes cumplen características determinadas que no favorecen la aplicación de una operación más sencilla o menos costosa. 2. La extracción líquido-líquido se encuentra fundamentada en el equilibrio líquidolíquido y los balances de materia y energía correspondiente. 3. El método de extracción varía de acuerdo a las sustancias que se separen y de la capacidad de inversión que se tenga para adquirir los equipos. 4. Las industrias optan por usar métodos (extracción liquido-líquido) que disminuyan sus costos y que cumplan con obtención de buenos resultados.



BIBLIOGRAFÍA Video 1: Explicación del proceso de Extracción líquido - liquido en un laboratorio https://www.youtube.com/watch?v=HmjKQhGcKs8 Video 2: explicación del proceso- teoría https://www.youtube.com/watch?v=hJQQzXG68r0 Video 3: Pulverización de agua https://www.youtube.com/watch?v=tB6ljoGB5Lc  Coulson, J.M. y J.F. Richardson. “Ingeniería Química. Tomo II. Operaciones básicas”. Editorial Reverté, Barcelona, 1988.  Henley, E.J. y Seader, J.D. “Operaciones de separación por etapas de equilibrio en Ingeniería Química”. Reverté, Barcelona. 1988.  Treybal, Robert. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. 1988.  TREYBAL, R. “Extracción en fase líquida”. Primera edición. UTEA. Capítulos 1-10,13.  TREYBAL, R. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Segunda Edición. Editorial McGraw-Hill. Capítulo 10.  http://www.conocimientosweb.net/dcmt/ficha8619.html  http://www.diquima.upm.es/old_diquima/investigacion/proyectos/chevic/cata logo/COLUMNAS/Platos.htm

FISICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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