Universidad Simón Bolívar Departamento Departamento de Termodinámica Termodinámica y Fenómenos de Transferencia Profesora Sabrina Di Scipio
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Realizado Por: Alessandro Trigilio
Sartenejas, Octubre 2007
¿Cuándo usar extracción líquido – líquido? 1. Para evitar el deterioro térmico del producto. 2. Si los compuestos tienen volatilidades relativas muy cercanas, es decir que una separación por destilación requeriría un elevado número de platos. 3. Para evitar condiciones extremas de P y T, que encarecen o hacen peligroso el proceso. 4. Cuando existen diferencias notables de densidad entre la alimentación y el solvente. 5. Cuando los componentes de la mezcla forman azeótropos.
Generalmente se trata de un proceso isotérmico, sin embargo es posible utilizar una T diferente en cada plato con la finalidad de aumentar aumentar la solubilidad.
Características del Proceso: Alimentación líquida (soluto más solvente) Agente de separación másico (solvente) Productos líquidos: refinado (rico en diluente) y extracto (rico en solvente)
Solvente S (C)
Alimentación F A+C
Refinado A+C (B)
Extracto B+C (A)
Selección del solvente Se debe tomar en cuenta el coeficiente de distribución k . k i
composición de i en extracto
yi
comp composi osició ción n de de i en en refi refina nado do
xi
Interesa obtener más soluto en el extracto que en el refinado, por lo tanto k C
1.
Se define otro parámetro llamado selectividad: concentración soluto en extracto
yC
concentración soluto en refinado conc concen entra traci ción ón dil dilue uent nte e en extra extracto cto
xC y A
concentración diluente en extracto
x A
debe ser mayor que 1 para que ocurra la separación y el soluto se recupere mayoritariamente mayoritariamente en el extracto. Si
1 no hay separación.
Otras características que debe tener el solvente: Ser recuperable Tener baja volatilidad para que no se pierda en las etapas posteriores a la separación Baja viscosidad para bombearlo fácilmente Inerte químicamente Bajo costo Alta diferencia de densidad con la alimentación No tóxico, no corrosivo, no inflamable Debe separarse fácilmente del soluto
Nomenclatura:
R E
Refinado (flujo másico)
xi
Fracción másica de i en R
yi
Fracción másica de i en E
Y y E ' R '
Fracción másica de C en R
Extracto (flujo másico)
Fracción másica de C en E Extracto sin incluir el solvente Refinado sin incluir el solvente
X
Fracción másica de soluto en base libre de solvente en el refinado C / A
C
Y
Fracción másica de soluto en base libre de solvente en el extracto C / A
C
1
X
Fracción másica del diluente libre de solvente en el refinado A / A
1 Y
Fracción másica del diluente libre de solvente en el refinado A / A
C
1 Y
Fracción másica del diluente libre de solvente en el extracto A / A
C
N E
Fracción másica de solvente en base libre de solvente en el extracto
B / A
N R
C
Fracción
solvente
en
Flujo másico de solvente en base libre de solvente (si el solvente es puro S '
0)
refinado B / A
F ' S '
C
másica
de
solvente
en
base
libre
de
el
C
Flujo másico de alimentación en base libre de solvente
Para resolver problemas de extracción se pueden utilizar dos tipos de diagramas: triangulares y de Janecke.
DIAGRAMA TRIANGULAR:
En el punto crítico el extracto y el refinado tienen igual concentración de soluto Si se supone que
F es equimolar C
F
S
F xF
E
R
S xS x M
M
Punto de de Me Mezcla
M xM
F xF F
F
S
xM
1 fase
S xS S
2 fases
F , S y M están alineados. R, E y M están alineados. E y R están sobre la curva de solubilidad.
B
A
DIAGRAMA DE JANECKE:
N Se puede considerar como una modificación del diagrama de Ponchon – Savarit, donde el solvente (B) puede considerarse como la entalpía en destilación. Las coordenadas coordenadas se definen en base libre de solvente.
Kg B kg (A+C)
Extracto Refinado
Extracto Refinado X,Y
Kg C kg (A+C)
masa de solvente
N
X
Y
masa masa de soluto soluto masa masa de disol disolve vente nte
Kg C R Kg A C Kg C E Kg A C
Balance Global:
F
S
E
R
F' S'
En base libre de solvente:
M E ' R ' M '
Balance en soluto
F ' XF
S ' YS
E ' YE
Balance en solvente
F ' NF
S ' NS
E ' NE
F
Si F no contiene solvente Si el solvente es puro
S'
F ' y N F
0 , Ys
R' XR
M ' X M
R' NR
M ' N M
0
0 , N S
Tipo I: Dos pares de compuestos totalmente solubles y uno parcialmente soluble
C
N
Extracto Refinado
Refinado Extracto A
B X,Y
Tipo II: Dos pares de compuestos parcialmente solubles y uno totalmente soluble
C
N Refinado Extracto
Extracto Refinado
B
A
X,Y
Tipo III: Tres pares de compuestos parcialmente parcialmente solubles.
C
A
B
EXTRACCIÓN EN UNA SOLA ETAPA
S R1 M1 F E1 Mezclador
F
S
F x f
M1
Sedimentador
E1
S ys
R1
M1 xM ,1
E1 y E,1
R1 xR,1 C
x M ,1
F x f
S ys
S
F
F
E1
Balance en base libre de solvente M
F' S'
M1 '
E1 ' R1 ' A
R1
Balance en soluto
F ' XF X M ,1
S ' YS
M1 ' X M ,1
F ' XF X F
E1 ' YE,1
R1 ' X R ,1
S ' YS Y S
Balance en solvente
F ' NF
S ' NS
M1 ' N M ,1
E '1 N E,1
R1 ' N R, 1
S B
N M ,1
F ' NF
S ' N S
F ' S '
S'
Mmax: max. cantidad de solvente
N
E1
M
Mmin: min. cantidad cantidad de solv R1
F X,Y
C
F
Solvente mínimo
E1
M
A
R1
Solvente máximo
S B
Para el caso de solvente puro: Sto: F ' X F
S ' YS M1 ' X M ,1
E1 ' YE ,1
Ste: F ' N F
S ' N S
E '1 N E ,1
X M ,1
F
F ' X F F '
F'
N M ,1
M1 ' N M ,1
X F
N M ,1
F ' N F F'
R1 ' X R,1 R1 ' N R,1
S
F '
S '
S / F
E1 '
N
M'
R1'
F ' N F
F X,Y
S
EXTRACCIÓN EN CONTRACORRIENTE
1
R1 y E 2 en operación Balance global: F
S
E1
F x f
x M
RN
S
EN, yN
M
S ys
M xM
F x f
S ys
Reordenando el balance global:
E1
Ep+1, yp+1
R1 y E 1 en equilibrio
R N
Balance por componente:
F
N
Ep, yp
E2, y2
R
S
F
RN, xN
RN-1, xN-1
p
2
E1, y1
Rp , x p
Rp-1, xp-1
R1, x1
F, xF
E1 y E,1
RN x N ,1
S, yS
C
F
E1
R1
E2
R2
E3
R3 RN
A
F
E4
E 1 y R
N s se intersectan en R
Para el diagrama de Janecke: Sto:
F ' XF
S ' YS
M ' X M
Ste:
F ' NF
S ' NS
F' S'
R N ' E1 '
M'
F ' E1 '
R N ' S '
R'
M ' N M
S B
R
N
E4 ' E3 ' E2 '
E1 '
M'
RN' R4' R3' R2'
R1'
F X,Y
R
Solvente mínimo necesario:
Se extienden las rectas de equilibrio hasta la recta formada por R N y S , y el punto de intersección más cercano a S define el de equilibrio que corta con la alimentación.
Rmin . Generalmente esto ocurre con la línea
C
F
E1max M Mmax Mreal
E1
B R
Rmin
Para el caso en que la composición del soluto es mayor en el refinado que en el extracto:
x M ,max
F xF F
S ys S min
Hace falta una relación del tipo S
# S min
Para el caso de solvente puro, Con S se determina el X M , real : x M
F xF F
S
En el diagrama de Janecke, se traza la recta que une R N y S . Se ubica la alimentación. Se trazan las líneas de equilibrio hasta intersectar con la recta R N S . La línea que de el corte más a la izquierda determina el Rmin . Generalmente esa línea de equilibrio es la que pasa por la alimentación. Con la unión de
Rmin y F en el corte de la curva del
extracto hallo E 1,max . Luego se unen R N y E 1,max y donde corte a la recta FS hallo
x M ,max .
Veamos ahora el caso en que la composición de soluto es menor en el refinado que en el extracto.
C
E1max F E1
Mmax Mreal RN Rmin
B
A
Etapas mínimas: Las etapas mínimas se encuentran cuando se utilizan rectas de operación verticales u horizontales, según sea el caso.
E1 '
N
F
RN A
E1
RN' B
F X,Y
EXTRACCIÓN EN CONTRACORRIENTE CON REFLUJO:
E1 SE (B)
E2
Separador Solvente
En+1
En
n
1 E0
Ep
Ep+1
Rn
Rf
Rf-1
N
Rp-1
RN-1
Rp
F XF
D XD
Balance global
S
F
D
S E
En base libre
S' F'
D'
F ' XF
S ' YS
F ' NF
S ' NS
RN
S E '
R N
M '
RN ' X R, N RN ' N R , N
D' XD
SE ' YS , E
D' XD
SE N S , E
S E
Tenemos que definir puntos pivote: E1 SE (B)
Separador Solvente
Zona de fondo: desde p hasta N
R ' p
1
S'
R ' p
1
Ep '
E0 R0 D XD
E p ' RN ' RN ' S '
R
flujo neto de salida del fondo
Zona del tope: desde n hasta el separador s eparador Hago primero un balance en el separador
E1 '
R0 '
E1 ' R0 '
S E ' D'
D ' E '
flujo de salida para el tope
S
EN
p
f
Rn-1
R1
R0
Ef+1
Ef
RN
E1 ' Y1 X
R0 ' X R,0 E1 ' Y1
E
E X
E
R0 ' X R,0
E1 '
E1 ' N E ,1
D' XD
R0 '
R0 ' N R,0
D' ND
SE ' N S, E
E N
E
S E
N
D ' N D E
S E ' N S , E
D '
S E '
Zona del tope: Desde n hasta el tope R0 ' Em
E1 ' RN '
1
E1 ' R0 '
Em
1'
RN '
S ' R N '
E p ' Rp 1 '
S ' YS
RN ' X R, N
S ' NS
RN ' N R, N
E
R
R X R (si el solvente es puro X R, N R N R
S
S N
R
R N ' N R , N S
R N '
Del balance en el separador y de la l a regla de la palanca:
R
R0
R0 '
N
E
N E ,1
D
D'
N E ,1
N R,0
R N
RN ' 1
N R , N
X
R)
X D y Y E ,1 son iguales porque todo el A C que sale de cantidad que en D . Los puntos
E , R y F están alineados.
RN'
E'1 SE'
E 1 va a ser la misma
Separador Solvente L0
S'
R0 F',XF
D',XD
Balance global: F '
S'
R N ' D ' S E '
M '
Haciendo un balance en la zona seleccionada:
Balance en todo el equipo:
Coordenadas:
R X R, N , N
F ' S ' R0 '
R N ' E1 '
M '
F' S'
R N ' E1 ' R0 '
M'
F' S'
R N '
F' S'
R N ' D '
F' S'
R N ' D
F'
R N ' S '
F'
R
SE '
D'
E
R
F ' X F , N F E X D , N
E
Se realizara el diagrama asumiendo conocidos lo siguiente:
X D, F ', X f , N f , X R, N , R0 / D
E
M'
YE1
N
M' RN' XD=XR0 XRN'
F,XF
E6
N
X,Y
E5 E4 E3 E2 E1
RN' R6 R5 R4 R3
R2
R1
R0 XD=XR0
R
X,Y
El punto de mezcla M:
F' S'
M N
R N '
E
F N F F'
S '
S
M'
S F
F
F '
Reflujo mínimo:
Se toma la línea de reparto que de un E min más arriba. Por lo general esta es la línea que pasa por F .
N
F
XD
X,Y
Etapas mínimas:
E1
N
R0 XRN
XD
X,Y
EXTRACCIÓN CON DOS ALIMENTACIONES:
N
F
1 Em-1
E2
E1, y1
EN F1 XF1
Balance global:
F1 ' F2 ' S ' F M ' S '
F M '
R N ' E1 '
RN ' E1 '
F1 ' F 2 '
F M ' X F , M
F1 ' X F ,1
RN,XRN
RN-1
Rm
R1
F2, x F2
F2 ' X F , 2
M'
M'
S1,YS
F M ' X F , M
S ' YS
R N ' X R, N
E1 ' Y1
M ' X M
F M ' N F ,M
S ' NS
RN ' N R, N
E1 ' N E,1
M ' N M
F M ', M ', S ' recta
Puntos alineados:
R N ', E1 ', M ' recta recta F1 ', F2 ', F M ' relación Balance por zonas:
Zona 1: Por debajo de la alimentación (entre n y N) Rn
1'
S'
E N ' RN ' F M ' S '
Del balance global:
RN
1'
EN '
RN ' E1 '
RN ' S ' F M ' E1 '
1
RN ' S ' 1
Zona 1: Por debajo de la alimentación (entre m y 1) F2 ' Em
1'
F2 ' E1 '
E1 ' Rm '
Rm ' Em 1 '
Del balance global:
F1 ' F2 ' S '
R N ' E1 '
F1 ' F2 ' E1 '
R N ' S '
F 1 ' Datos conocidos: Alineados:
2
2
1
F1 ', F2 ', X F , X F , 2 , S ', N S , Ys , X R, N , N F ,1, N F , 2
E1, F M ', 1 E1, F2 ',
Hallando 1
2 y F1 ', 1,
2
Hallar 2
S' E1
N
M'
RN' XRN
1
2
F1' FM'
F2'
XD
X,Y
C
F2 FM E1 F1 2
RN A
S
1
B
