República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Instituto Universitario de Tecnología “Alonso Gamero” Laboratorio de Procesos Químicos Operaciones Unitarias II
PRACTICA Nº 4
EXTRACCION LÍQUIDO – LÍQUIDO
Participantes: Facilitador: Ing. Juan Carlos Rojas
Camacho, Ángel López, Lilibeth Pereira, Romer Raffe, Carlos Reyes; Aleannys Reyes, María Salas, Anny
Santa Ana de Coro, Enero de 2013
INTRODUCCIÓN La extracción liquido-liquido, comúnmente conocida como extracción con disolvente; es un proceso de separación de los componentes en una
solución,
mediante su distribución en dos fases liquidas inmiscibles. Esta operación ha sido empleada en esta práctica para lograr separar un soluto deseado o eliminar un soluto indeseable de una determinada solución, aprovechando las diferencias de solubilidades de los componentes presentes de la mezcla presentes en el disolvente añadido.
Debido a que la extracción líquido-líquido involucra transferencia de masa
de una fase líquida a una segunda fase líquida inmiscible, el proceso se puede realizar en varias formas. El ejemplo más simple involucra la transferencia de una mezcla de dos compuestos a una segunda fase líquida inmiscible. Un ejemplo es la extracción líquido-líquido de una impureza contenida en el agua de desperdicio mediante un disolvente orgánico.
La extracción liquido-liquido es utilizada principalmente cuando la destilación no es práctica o su empleo resulta demasiado costoso; Esta representa una solución ventajosa respecto a la destilación ya que permite extraer varias sustancias que tengan un grupo funcional parecido; de allí que la extracción depende del coeficiente de reparto el cual establece que
“Cuando un soluto es disuelto en dos líquidos
inmiscibles en contacto entre sí, dicho soluto se distribuirá en cada uno de los líquidos en proporción a la solubilidad en cada uno de ellos”.
ModifaR!!!!!!
BASES TEORICAS 1. Extracción Líquido – Líquido:
La extracción líquido-líquido, consiste en poner una mezcla líquida en contacto con un segundo líquido miscible, que selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla.
La separación de un constituyente de una mezcla liquida (disolución Liquido) por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve preferentemente a uno de los constituyente de la disolución original, dando lugar a la aparición de dos capas líquidas inmiscibles de diferentes densidades, donde se puede lograr cierto grado de separación, donde pueden incrementarse mediante el uso de contacto múltiples o su equivalente en la forma de la absorción de gases y la destilación.
El solvente de extracción usado debe ser insoluble o soluble solamente a un grado limitado en la solución que se va a extraer (parcialmente soluble). El soluto a extraer deberá tener una elevada afinidad por el solvente de extracción.
La extracción líquido-líquido se realiza mediante dos pasos básicos: 1) La mezcla intima del solvente de extractor con la solución a la que se le va a aplicar la extracción y 2) la separación de la solución mezclada en dos fases líquidas inmiscibles. En la Extracción liquido – liquido el factor que determina la cantidad de soluto en las dos fases liquida es el Coeficiente de Distribución y en general, la diferente distribución de los componentes de la mezcla tratada entre las dos fases en equilibrio constituye la base para alcanzar la separación deseada.
En todas las operaciones de este tipo, la solución que se va a extraer se llama alimentación y disolvente, el líquido con el cual se pone en contacto la alimentación. El producto rico en disolvente se conoce como Extracto y el líquido residual de donde se separó el soluto es el refinado.
Extracto: La fase liquida que contiene la concentración más pequeña de alimentación.
Refinado: La otra fase líquida que contiene una concentración mayor del líquido de alimentación y una concentración de solvente.
Solvente: es selectivo para el componente de la alimentación que aparece en mayor proporción en el extracto, en comparación tanto con el refinado como con la alimentación original.
Por Ejemplo: Si una solución de ácido acético en agua se agita con un líquido como acetato de etilo, parte de ácido, pero relativamente poca agua, entrará en la fase éter. Puesto que las densidades de la capa acuosa y la del éter son diferentes en el equilibrio, se separan al cesar la agitación.
También se puede separar por decantación puesto que ahora la relación de ácido a agua en la capa de éter es diferente de la capa de éter es diferente de la relación de la solución de la solución acuosa residual, se ha logrado cierto grado de separación.
El agua residual puede extraerse repetidamente con más éter para reducir más aún el contenido de ácido, o se puede reacomodar una cascada a contracorriente.
La capa o fase que contiene mayor concentración de disolvente (S) y menor concentración de líquido de alimentación se designa como capa Extracto. La otra capa, que posee mayor concentración de líquido de alimentación y menor de
disolvente se llama Refinado. Durante la operación, cualquiera de las capas puede ser la superior o la inferior, según sean las densidades relativas.
La extracción puede suponer solamente procesos físicos de separación por disolución o reacciones químicas entre las sustancias extraídas y el disolvente u otras materias que contenga el disolvente.
2. Ventajas sobre su aplicación La extracción líquido – líquido, se utiliza principalmente cuando la destilación no es práctica o su empleo es demasiado costoso, los casos más frecuentes de su empleo se presentan cuando sus componentes a separar pueden ser sensibles a la temperatura, siendo entonces la destilación un proceso eficaz. Es por lo anterior, que la extracción líquido – líquido, presenta ciertas ventajas con respecto a la extracción por destilación. Estas ventajas son: Las instalaciones son más sencillas. Existe la posibilidad de separar componentes sensibles al calor. Cuando existen componentes de naturaleza química similar a la selectividad del disolvente, permitiendo la separación de componentes imposibles de separar basándose solo en el punto de ebullición. La extracción líquido – líquido, representa una solución ventajosa con relación a la destilación porque permite extraer varias sustancias que tengan un grupo funcional parecido. Para no utilizar la destilación con arrastre de vapor se emplea este método. El Fundamento de la extracción líquido – líquido requiere que los dos líquidos no sean miscibles, por ello la extracción depende del coeficiente de reparto. Cuando un soluto se disuelve en dos líquidos no miscibles en contacto entre sí, dicho soluto se
distribuirá en cada uno de los líquidos en proporción a la solubilidad en cada uno de ellos.
3. Aplicación La extracción líquido – líquido se aplica por lo general en casos done: Los componentes de la solución son relativamente poco volátiles. Los componentes poseen prácticamente las mismas volatilidades que la
separación por destilación. Los componentes son sensibles a las temperaturas necesarias para su
separación. El componente deseado, de menor volatilidad, se encuentra en la solución en
cantidades relativamente pequeñas. Respecto a otras Operaciones de Transferencia de Masa: Los costos relativos son importantes. La destilación y la evaporación son métodos directos de separación, los productos obtenidos están formados básicamente de sustancias puras. Por otra parte, la extracción líquido - liquido produce nuevas soluciones, que su vez deben separarse, por métodos directos. Es difícil separar por destilación, al ácido acético de una solución diluida con agua; en cambios, puede separarse con relativa facilidad mediante la extracción con un disolvente adecuado y la destilación posterior del extracto. En particular, para las soluciones más diluidas en las cuales el agua debe evaporarse por destilación, la extracción resulta ser más económica. La extracción también resulta aconsejable como opción frente a la destilación al alto vació, a temperatura muy baja para evitar la descomposición térmica. En la separación de líquidos con puntos de ebullición cercanos
En sustitución de la destilación de alto vacío, en sustitución de una evaporación costosa y la cristalización fraccionada.
4. Aplicaciones en la Industria
Farmacéuticos: Recuperación de materiales activos de baños de fermentación y purificación de vitaminas
Químicos: Separación de olefinas, parafinas e isómeros estructurados
Industria Metálica: Producción de cobre y recuperación de elementos de tierras raras.
Procesamiento de Polímeros: recuperación de Caprolactama (materia prima) para la fabricación de nylon y separación de catalizadores de productos de reacción.
Tratamiento de efluentes: Remoción de fenol de agua de desecho y recuperación de ácido acético de soluciones diluidas.
Alimentos: Descafeinado del café y té y separación de aceites esenciales (aromas y fragancias).
Petróleo: Mejoramiento de la calidad de aceites lubricantes y separación de aromáticos y alifáticos (Benceno, Tolueno, y Xilenos).
5. Características para la Selección de un Buen Solvente: Las características más importantes de los disolventes, con miras a su selección para un proceso de extracción son las siguientes:
Coeficiente de distribución, k j
Se define como: ⁄
Aunque no es necesario que este coeficiente sea mayor que la unidad, valores mayores son deseables, ya que implican que se requiere menos disolvente para llevar a cabo la operación.
Selectividad
La efectividad de un disolvente a los efectos de separación de los componentes i, j de una cierta mezcla, vendrá expresada por el valor de la concentración relativa de los mismos en las fases extracto y refinado, es decir, por el valor de la relación:
⁄ ⁄ (
)
En el sistema de que se trate. Para que la separación sea posible esta selectividad debe ser distinta de uno, y cuanto más distinta de la unidad sea, más fácil será la separación. De este parámetro dependerá el número de etapas necesarias para una separación dada.
Insolubilidad del Solvente
Cuanto mayor sea la insolubilidad del disolvente y del componente mayoritario del refinado, que no se desea extraer, más fácil resultará la operación de extracción.
Recuperabilidad
Puesto que siempre habrá que recuperar el disolvente para su reutilización, y ordinariamente tal recuperación se realiza por rectificación, resultará indispensable que el disolvente no forme azeótropos con los componentes del sistema y, a ser posible, que las volatilidades relativas de éstos respecto aquél sean lo más alejadas posible de la unidad. Es conveniente que las sustancias que se encuentren en menor
cantidad en el extracto fueran las más volátiles. De ser el disolvente el que debe volatilizarse, debe procurarse que su calor latente sea lo menor posible.
Densidad
Evidentemente, resulta indispensable que las densidades de las fases en equilibrio sean distintas para que sea viable la extracción. La operación se desarrollará más fácilmente cuanto mayor sea la diferencia de densidades. Así pues se seleccionarán aquellos disolventes con densidad lo más distinta posible a la mezcla a extraer.
Tensión Interfacial
Cuanto mayor sea la tensión superficial entre las fases extracto y refinado con mayor facilidad coalescerán sus emulsiones y con mayor dificultad se conseguirá su mutua dispersión. Normalmente la etapa más lenta es de coalescencia y separación de fases, la mezcla se puede favorecer aplicando energía mecánica, por ello se suelen preferir disolventes que proporcionen altas tensiones interfaciales.
Reactividad y Corrosividad
Los disolventes deben ser químicamente estables, es decir, inertes tanto respecto a los componentes del sistema, como respecto a los materiales de construcción de las instalaciones.
Viscosidad, presión de vapor, inflamabilidad, temperatura de congelación, costo y toxicidad. Todas estas propiedades deben tenerse en cuenta y deben ser lo más bajas posible, para facilitar el manejo y almacenamiento de los disolventes.
5. Tipos de Sistemas de Mayor Uso:
De Tres Líquidos Parcialmente solubles
Este es el tipo de sistema que se encuentra más comúnmente en la extracción. Por ejemplo: Agua (A) – Cloroformo (B), Acetona (C) Benceno (A) _ Agua (B) – ácido Acético(C) Agua (A)- Etílico (B)- Ácido Acético(C)
Las coordenadas triangulares se utilizan como isotermas, o diagramas a temperatura constante.
Cuanto más insolubles son los líquidos A y B, más cerca de los vértices del triángulo se encontraran L y K.
Una mezcla binarias J, en cualquier punto entre L y K, se separan en dos fase líquida insolubles de composición en L y K, ya que las cantidades relativas de las fases dependen de la posición de J.
La curva LRPEK es la curva binodal de solubilidad, que indica el cambio en solubilidad de las fases ricas en A y B al agregar C.
Una mezcla fuera de esta curva será una solución homogénea de una fase líquida. Una mezcla ternaria por debajo de la curva, como M, forma dos fase líquidas insolubles saturadas de composiciones en el equilibrio, indicadas por R (rico en A) y E (rico en B). La línea RE que une estas composiciones en el equilibrio es una línea de unión, que necesariamente debe pasar a través del punto M que representa la mezcla como un todo.
Hay un número infinito de líneas de unión en la región de dos fases, pero sólo se muestran una cuantas. Rara vez son paralelas.
El Punto de pliegue, (P), la última de las líneas de unión y el punto en donde se encuentran las curvas de solubilidad del rico en A y rico en B, generalmente no se encuentra en el valor máximo de C sobre la curva de solubilidad.
El porcentaje de C en la solución E es claramente mayor que en R; se dice que en este caso la distribución de C favorece la fase rica en B.
Representación del equilibrio en sistemas de tres componentes tipo I
Un equilibrio líquido-líquido ternario tipo I de la clasificación de Treybal se corresponde a un sistema como el que se representa en la figura 2, con un par de componentes parcialmente miscibles. La representación se hace a presión y temperatura constante y se representa la curva de solubilidad, curva de equilibrio o curva binodal (que separa las regiones de una y dos fases) y las rectas de reparto. Una mezcla tal como la M en la región de dos fases, es inestable y se desdobla en las fases E y R en equilibrio (recta de reparto). Una mezcla tal como la H, es estable ya que se encuentra en la región de una fase. Este diagrama se suele acompañar con un diagrama y / x donde se representa la composición de soluto (o de otro componente) en la fase extracto frente a su composición en la fase refinado. El punto de pliegue P se corresponde, lógicamente con un punto sobre la recta y = x, tal como se muestra en la figura 2. Este punto separa la curva binodal en dos zonas, la correspondiente al extracto (rica en disolvente B), y la correspondiente al refinado (rica en componente A).
6.
Diagrama de flujo del Proceso de Extracción Líquido – Líquido
Extracto (E)
Alimentación (F)
Ye We
Xf
Ys , Yorg Ws
Xr Wr
Solvente (Kerosene)
Refinado (Kerosene)
7. Tablas de Datos
Tabla N° 1: Datos Teóricos. Variable
Valor
Unidad
Peso Molecular del Ácido Benzoico
122
g/mol
Peso Molecular del agua
18
g/mol
del agua
1
g/mL
del Solvente
0,79
g/mL
Diámetro
40
mm
Fuente: Geankopli, 1999
Tabla N° 2: Datos del sistema de Equilibrio ácido benzoico - kerosene a temperatura ambiente Fase Acuosa (X)
Fase Orgánica (Y)
0
0
0,0002
0,00015
0,0004
0,00047
0,0006
0,00090
0,0008
0,00145
0,0010
0,00212
0,0012
0,00288
0,0014
0,00377
0,0016
0,00477
0,0018
0,00612
Fuente: Guía práctica de Laboratorio
Tabla N° 2: Datos Experimentales Variable
Valor
Unidad
Alimentación (F)
12
L
Solvente
30
L
Tiempo de Operación
0,42
h
Volumen gastado de NaOH en Sln Ac
0,1
mL
Volumen gastado de NaOH en R
6,16
mL
VXA
22,35
mL
Masa del Refinado
7,424
Kg
Masa del Extracto
19, 540
Kg
Concentración de NaOH
0,0098
N
Fuente: Datos extraídos durante la fase experimental en el Laboratorio.
Tabla N° 3: Datos de Curva de Equilibrio Variable
Valor
XR 1
2,56.10-4
XR 2
8,80.10-5
XR 3
4,00.10-5
YE 1
2,36.10-4
YE 2
5,60.10-5
YE 3
2,40.10-5
Y’
3,02.10-4
Y’’
8,40.10-5
Y’’’
4,00.10-5
Fuente: Valores determinados mediante la Curva de Equilibrio
Tabla N° 4: Datos con Resultados de Cálculos Experimentales Variable
Valor
Unidad
Flujo Másico (WF)
28,571
Kg/h
Flujo Másico (WR)
17,676
Kg/h
Flujo Másico (WE)
46,524
Kg/h
Flujo Másico (WS)
56,428
Kg/h
XF
9,418.10-4
XR
2,946.10-4
XAC
2,391.10-6
Área de Sección Transversal (S)
1256,64
mm2
Reflujo Másico del Extracto (R)
0,0141
Kg/h.mm2
% Rendimiento
68,72
%
YS
6,911.10-6
YE
2,527.10-4
* Y org
4,000.10-6
m
0,313
Y’
3,017.10-4
Etapas Teóricas (N) Analíticamente
1,755
Y
0,296
0.999
Etapas Teóricas (N) Graficamente
1,7
Fuente: Datos determinados mediante procedimientos matemáticos (ver Apéndice 1)
*El valor de Yorg se obtiene entrando al grafico del diagrama de equilibrio con el valor de XAC = 2,391.10-6
8. Análisis de los Resultados El proceso de extracción líquido-líquido se describe mediante la obtención de los flujos y fracciones molares de las fases liquidas extracto y refinado que se obtienen del mismo.
Teóricamente se conoce que la corriente del refinado posee mayor densidad que el solvente extractor, en este caso agua debido a que es rica en el portador de soluto, afirmación que se comprueba en los datos prácticos reportados anteriormente. Las fracciones másicas en el refinado y extracto se calcularon partiendo de las cantidades de ácido benzoico (AB) y kerosene presentes, para el cual se obtuvo un porcentaje de Rendimiento de 68,72%, lo cual es lógico debido a que solo se manejó un dato promedio de extracción. En el refinado se obtuvo un valor de 2,946x10-4, mientras que la fracción acuosa arrojo un valor de 2,391x10-6 que al entrar a la curva de equilibrio del sistema ABkerosene a temperatura ambiente, el valor de la fracción orgánica fue de 4,00x10-6, lo cual es un valore bastante despreciable de la cantidad de AB correspondiente a trazas de soluto arrastradas en el proceso de extracción. La fracción másica del AB en el solvente, cuyo resultado fue igual a: 6,911x10-6 hace referencia al AB, considerando la fracción orgánica presente en la misma. Teóricamente, esta fracción es rica en el soluto deseado.
A pesar que el rendimiento del proceso fue de 68,72% del proceso, este puede aumentar dependiendo del sistema tratado y de las características del solvente extractor usado.
En cuanto al cálculo del reflujo másico del extracto por sección transversal, se obtuvo un valor de 0,01406 Kg/h.mm2, resultado esperado teóricamente para obtener la separación del AB y el flujo de solvente.
El número de Etapas Teóricas, gráficamente fue de 1.7, determinándose también de manera analítica, obteniéndose 1.755, es decir, no hubo diferencia significante entre ambos métodos.
La curva de equilibrio se realizó con datos reportados en la
guía práctica de laboratorio, y la recta de operación partiendo de las fracciones molares de extracto y refinado, por lo que se pudo verificar el proceso de extracción liquido – líquido gráficamente.
CONCLUSIONES
A pesar de no haber efectuado de manera práctica la actividad de laboratorio, se logró reforzar los conocimientos previos de la etapa técnica, mediante la aplicación de los cálculos necesarios para el proceso de extracción liquido-liquido.
Se determinó la fracción másica del ácido benzoico en la alimentación, solvente, refinado y a su vez, los flujo másico del extracto y refinado.
Se logró calcular el flujo másico del refinado por sección transversal de la columna, así como el número de etapas teóricas por el método gráfico y analítico, aplicando las ecuaciones de Kremser –brown-Souders.
La Recta de Operación, se efectuó a partir de las relaciones molares de los componentes presentes.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Geankoplis, C. (1999). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Editorial Continental, Tercera Edición.
Perry, R. (1998). Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw Hill, 7ma edición. Tomo 1.
Seader, J. (2000). Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en Ingeniería Química. Editorial Reverte.
Treybal, R. (2002). Operaciones de Transferencia de Masa. 2da Edición. Mc. Graw Hill.
APENDICE A - 1.1 Determinación de los Flujos Másicos
⁄ Nota: el resto de los Flujos másicos (WR, WR y WR) se determinaron de la misma manera.
A - 1.2. Determinación de XF
⁄ ⁄
Nota: XR, XAC se determinaron de la misma manera.
A - 1.3. Determinación del Área de Sección Transversal (S)
A - 1.4. Determinación del Reflujo Másico de Extracto por Sección Transversal (S)
⁄
⁄
A - 1.5. Determinación del Porcentaje de Rendimiento (% Rend)
A - 1.6. Determinación de YS
⁄
⁄ ⁄
A - 1.7. Determinación de YE
⁄ ⁄
A - 1.8. Determinación de la Pendiente de la Curva de Equilibrio
A - 1.9. Determinación de la Y’
A - 1.10. Determinación del Número de Etapas (N) Teóricas (Analíticamente) ’ ( ⁄ )
(
) ( ⁄ )
(
( ⁄ ))
(
⁄
)
(
⁄
)
(
) (
(
))
⁄
A - 1.10. Determinación del Número de Etapas (N) Teóricas (Gráficamente)
( ) ( ) (
)
(
)
Nota: con los valores de Y = 0,296 y se ingresa al grafico para determinar N
ANEXOS Anexo A Curva de Equilibrio de sistema Ácido benzoico – Kerosene
Anexo B Gráfico para determinar el Número de Etapas Teóricas
