Contacto de Equilibrio en Una y Multiples Estapas

 

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA TECNOLÓGICA DE LOS ANDES

CONTACTO DE EQUILIBRIO EN UNA Y MÚLTIPLES ETAPAS DOCENTE : ING. Yesica Yesica Alvarado Ramos   CURSO : PROCESOS UNIT UNITARIOS-A ARIOS-A ESTUDIANTES: • APARCO DEL POZO, Wendy Maloney • PALOMINO CCOICCA, Adriana • PRADO CCACCYA, María Angélica • VILLCAS SALAZAR. Daysi

 

CONTACTO DE EQUILIBRIO EN UNA Y MULTIPLES ETAPAS Es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la la disolución de uno o varios componentes de una mezcla -líquido o sólido- en un un disolvente selectivo. selectivo. Se hace la distinción entre entre la extracción sólido-líquido y la extracción líquido-líquido según que la materia a extraer esté en un sólido o en un líquido. En este último caso el disolvente debe ser inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto. La extracción sólido-líquido se conoce también como lixiviación o lavado, según la aplicación a la que se la destine. destine. Si se pretende un compuesto sólido selixiviación. habla de lavado, sieliminar el compuesto extraído no es deseado el valiosode seun denomina

 

MÉTODOS DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO1.LÍQUIDO: Contacto Sencillo

2. Contacto en corriente directa

 

3. Contacto Múltiple en contracorriente

4. Contacto Diferencial en contracorriente

 

5. Extracción con reflujo

 

Contacto Sencillo  Una unidad de extracción  Disolvente y

alimentación se ponen juntos juntos en las cantidades que se estimen convenientes y se separan las dos fases formadas soluto que pasa pasa al disolvente disolvente está determinada por las relaciones de  La cantidad de soluto solubilidad, por la cantidad de disolvente utilizado y por la aproximación aproximación al equilibrio (eficacia de la etapa). 

Este sistema es poco usado, pues no  permite una recuperación total del soluto.



La concentración del extracto obtenido suele ser baja y la recuperación del disolvente costosa. Puede ser discontinuo o continuo (mezcladores-sedimentadores)



 

CÁLCULOS Contacto Sencillo:   Etapa 1. Localizar las corrientes de alimentación y de solvente puro 2. Definir M, el punto mezcla (obtener la   Etapa de composición global de M) F + S = M = E + R   Etapa 3. Si M está en la región de dos fases, la mezcla se separará en la fase de extracto E y la fase de refinado R, cuyas composiciones estarán dadas por la línea de reparto que pase pase por M.  Etapa 4. Se aplica la regla de la palanca para obtener los flujos de E y R.  Etapa 5.

La composición del extracto exento de disolvente se obtiene prolongando la línea que pasa por el punto E

 

Extracción en una sola etapa

 

Extracción en una sola etapa (en un triángulo rectángulo)

 

Extracción en una sola etapa (en un diagrama de Janecke)

 

Contacto Sencillo

 

Solvente Mínimo y Máximo Solvente Mínimo: Menor cantidad de solvente “S” capaz de pprroducir una separación de fases Máximo: Mayor cantidad de solvente “S” que puede  Solvente agregarse al sistema sin que coalescan las fases. 

 

Contacto Múltiple 

Dividir el

disolvente en varias  sucesivamente con cada una de ellas

partes

y tratar

la

alimentación



La extracción del soluto es más completa que en el caso anterior anterior y puede ser llevada llevada

hasta los límites límites que se se deseen aumentando el número de etapas. La concentración concentración en las distintas distintas capas del extracto es cada vez menor, con el consiguiente aumento aumento de coste en la recuperación recuperación del disolvente.  Los resultados de la extracción dependen de la la cantidad de disolvente disolvente utilizada y de la forma de llevar a cabo la división división de la cantidad total de disolvente. 

 

Contacto múltiple

 

Contacto Múltiple

Determinar el número de etapas para conseguir conseguir una separación dada (obtener un refinado final con una determinada determinada concentración de soluto, soluto, o extraer extraer una determinada cantidad cantidad del mismo mismo en las corrientes de extracto) extracto)  Conociendo los siguientes datos: 

Caudal de Ro y su composición: XCo, XDo. Caudal de Eo y su composición: yCo, YDo. Composición del refinado final: XCnf 

  

 Se

puede plantear el problema de dos formas distintas distintas dependiendo de que se conozca la cantidad total de disolvente (EoT) o la cantidad alimentada a cada etapa (Eo).

 

Eo Contacto Múltiple Como en el caso de una sola etapa el punto M1 se localiza en la recta que une

 Conociendo 

Eo con Ro, en el punto de abscisa zC1  Las composiciones (xC1 e yC1) y caudales de E1 y R l se determinan como en el caso de contacto sencillo, localizando la recta de reparto que pasa por M 1.  Si xC1, es mayor que x Cnf , es evidente que se requiere al menos una etapa más.  Determinar la fracción de etapa (caso de que no se llegue exactamente a xCnf )



Túltima ambiénetapa podría determinarse la cantidad de disolvente en la paradeterminars conseguir,een(ajustarse) dicha etapa, exactamente la composición de refinado especificada

 

Contacto Múltiple  Si

se conoce EoT (cálculo iterativo):

 Suponer un número de etapas.

Conocido n, se determinar la cantidad de disolvente disolvente que entraría en cada unapuede de ellas (Eo=EoT/n). (Eo=EoT/n).  Utilizar el proceso descrito en el apartado anterior.  Si el número de etapas calculado coincide con el supuesto, se habrá encontrado la solución. 

 En casoelcontrario, contrari o, coincidir número

habrá quesupuesto repetir elyprocedimie repetir procedimiento de etapas calculado nto hasta hacer calculado

 

Extracción en varias etapas a contracorriente

 Dado que Δ R es constante en cada etapa, entonces el Refinado de la etapa “n” y el extracto de la etapa “n+1” se encuentran sobre sobre una recta que pasa por por el punto Δ R.

 

Extracción en varias etapas a contracorriente

 

Extracción en contracorrie contracorriente nte

 Se pueden presentar dos tipos de problemas.  El cálculo del número de etapas etapas para una separación 

especificada especificada

El cálculo cálculo delaslacantidades separación separación conocido el número núm ero de etapas (y lógicamente cant idades y composiciones alimentadas).  El primer caso corresponde a un problema de diseño y el segundo a simulación

 

Extracción en contracorrient contracorrientee Diseño:  Datos

que se conocerán:

 Alimento Ro, xCo, xDo  Disolvente Eo, yCo, yDo  Composición del refinado

final especificada especificada xCn

 

Extracción en contracorrie contracorriente nte -E1 y Rn no están en equilibrio. No salen salen de la

misma etapa. -Pero son son corrientes corrientes de equilibrio (deben ubicarse en la curva de equilibrio). puede ubicar en la curva, curva, pues se conoce su -Rn se puede composición (es dato) -Se puede ubicar el punto correspondiente a E1 (línea que une RnM)

Ei+1 y Ri están alineados con 

 see encuentra en la in  s intersección de



las rectas E 1 Ro y E o Rn

 

Extracción en contracorrient contracorrientee Todas las corrientes indicadas se obtienen del siguiente modo: Empezando por E1, se determina la corriente R1en  equilibrio.  La corriente E2 se sitúa en la intersección de la recta R1 con la curva de solubilidad (en la zona del extracto).  El punto R2 se determina por el equilibrio con E2. 

 Este

proceso sefinal proceso repite hasta que seLa rebase la composición la la corriente corrie de refinado especificada. especifica da.se fracción de etapa, etapa,decaso de nte no alcanzarse exactamente, se determin determinaa análogamente al caso anterior. anterior.

 

Extracción en contracorrient contracorrientee

 

 Relacione  Relacioness de caudales caudales máxima y mínima Cálculo de (Eo)max

Si para un valor dado de Ro se va aumentando Eo, el punto M se irá aproximando a Eo.  La posición del polo  se va desplazando  llegará un momento (M”) en el que las rectas  EoRn y E”1Ro serán paralelas y el punto   se situará en el infinito  Si se sigue sigue aumentando la cantidad de disolvente, las rectas se cortarán cortarán en la parte parte superior del diagrama, por ejemplo en ’’’  Cuando M se sitúa sobre la rama superior superior de la curva de 

equilibrio (M*), coincidirá con el punto representativo de Eo  En ese momento, el caudal de la fase extracto será el máximo teóricamente permisible.  Una cantidad mayor de Eo supondría que no podría llevarse llevarse a cabo la extracción planteada

 

 Relacioness de caudales caudales máxima y mínima mínima  Relacione ●  Cálculo de (Eo)min fijado Ro ● soperativa i en uncoincide momentocondaduna o unrecta a recde ta reparto, el número de etapas de equilibrio resultaría infinito. ● El cálculo de (Eo)min se basa en determinar cuando se produce esa circunstancia. ● Se sitúan EoRn los puntos Eo, Rn ylas Ro,rectas se traza la línea y se prolongan de reparto hasta que la cortan. ● Esto sólo debe hacerse con las que se encuentran a la izquierda de Ro y la que  pasa por el. ● La reparto nos que corte la recta rectade EoRn dará más el abajo min a (generalmente, es precisamente la que  pasa por Ro la que produce esta circunstancia) ● Con ese se puede situar (E1)min (sobre la intersección de la d)recta minRo con la curva de solubilida solubilidad)

 

unidad de extracción-reacción extracción-reacción se simula con En la simplificación simplificación que se realiza, la unidad una convencional convencional de extracción extracción líquido-líquido líquido-líquido del ácido en la que todo aquello aquello que no es alcohol o clorhídrico se representa por un componente que es fundamentalmente fundamen talmente agua. La reextracción es verdaderamen verdaderamente te una una operación de extracción líquido-líqu líquido-líquido. ido. En estas estas condiciones condiciones se se dispone dispone de datos datos experimentales a 30 y 90 ºC que que se han han representado representado como de de equilibrio líquido-líquido líquido-líquido en diagramas triangulares y curvas de reparto reparto.. El cálculo se yhará hará paradeuna alimentació alimentación n siderará de 220 t/h unconsigue a soluciónel acuosa ulan 10% de HCl 1,3% alcohol. Se considerará con quedeseuna que objetivocon de un extracción cuando cuando la composición de de clorhídrico en la fase acuosa se reduce reduce al menos a la mitad. Se quiere conocer: extracción ón y reextracc reextracción. ión.  Temperaturas de trabajo en las unidades de extracci  Número de etapas etapas de equilibrio en cada unidad.  Datos de composiciones composiciones,, temperaturas temperaturas y caudales

para todas las corriente numeradas en una tabla de balance de materia. (La corriente 8 es alcohol amílico  puro.)

 

Contacto múltiple en contracorrien contracorriente te con reflujo

 

Ejercicio de contacto de equilibrio en una etapa

Una mezcla gaseosa a 1.0 atm de presión absoluta que contiene aire y CO 2, se pone en contacto en un mezclador continuo de una etapa con aire puro a 293 K. Las dos corrientes de salida de gas y líquido alcanzan el equilibrio. El gasto del gas de entrada es 100 kg mol/h, con una fracción mol de CO 2 de Y  A2 = 0.20. El gasto del líquido de entrada entrada es de 300 kg k g mol de agua/h. Calcule las cantidades y composiciones de d e las dos fases de salida. Suponer que el agua no se vaporiza a la fase gaseosa.

 

Solución: En este caso se realiza el diagrama correspondiente es:

● El flujo de de agua inerte en este caso ● Las dos fases de entrada son: ● Ln+1 corriente líquida (composición Xn+1) =300kg*mol/h ● Vn+1 corriente gaseosa (composición Yn-1) =80kg*mol/h (1-Yn-1) = 100(1-0.2) ● Las dos fases de salida son: ● Ln corriente líquida (composición Xn) ● Vn corriente gaseosa (composición ( composición Yn)

 

realizando un balance de co2 (A), de la ecuación tenemos:

( 300 ●   ) ( 0 ) + ( 100 ) ( 0.2 )=( 300 ) ( x n ) + ( 100 )( y n )

 

Sustituyendo esta relación en equilibrio de la ley de Henry en el  balance del interior, interior, tenemos:

●  ● Por lo tanto:  = 0.20 ●  Calculando el gasto de salida, tenemos:

 

Ejercicio de contacto de equilibrio en múltiples etapas Una mescla de difenilhexano-docosano de composición 45% en peso se extrae a una corriente directa a 45 °C con furfural para reducir la concentración del difenilhexano en el producto refinado menos el delnúmero 5%. Si de se etapas emplean 8000kg de efectuar forfural por 5000kg de mescla inicialalcalcule teóricas para la cada separación indicada. Los datos de equilibrio para este sistema son furf fu rfur ural al

dife di feni nilh lhex exan ano o

Doco Do cosa sano no

Furf Fu rfur ural al

Dife Di feni nilh lhex exan ano o

doco do cosa sano no

0.04

0

0.96

0.5

0.423

0.077

0.05

0.11

0.84

0.6

0.356

0.044

0.07

0.26

0.67

0.7

0.274

0.026

0.1

0.375

0.525

0.8

0.185

0.015

0.2

0.474

0.326

0.9

0.09

0.01

0.3

0.487

0.213

0.993

0

0.007

0.4

0.468

0.132

 

Solución: se realiza el diagrama correspondiente

 Balance De Materia Por Soluto:

F+S = 5000 Kg + 8000Kg  M= 13,000Kg

Ys=0

 



Con base en el grafico

Xr1 = 0.22 Ye1= 0.147   

Balance general

  F+ S= M  M= 13,000 kg  

 

 

Balance de soluto (E1) (Ye1) +(R1) (Xr1) = (M)(Xm1) (E1) (0.147) + (R1) (0.22) = (13,000Kg) (0.17) = 2,210kg

E1 =8,904.1 =8,904.111 kg R1= 4,095.89kg

  ⸫

 

 

En la segunda etapa   Ys = 0

 

 Con base en el grafico  Xr2= 0,0847  Ye2= 0.0673   Balance general F2+S2 = M2 8,000 kg + 4,095.89 Kg = 12,095.9 Kg   Balance de soluto   (E2) (Ye2) +(R2) (Xr2) = (M)(Xm2) (E2) (0.0673) + (R2) (0.0847) = (12,095.9Kg) (0.0744) = 901.095kg  

E2 = 7,093.55 kg R1= 5,002.3 kg

  ⸫

 

 

En una tercera etapa

 

En base en el gráfico:  

Xr3= 0.0361 Ye3= 0.0257

Balance general F3+ S3 = M3 

8,000 kg + 5,002.35 Kg = 13,002.4 Kg  M3= 13,002.4 Kg 

Balance de soluto (E3) (Ye3) +(R3) (Xr3) = (M)(Xm3) (E3) (0.0257) + (R3) (0.0361) = (13,002.4Kg) (0.0325) = 422.578kg  

E3 =4,500 kg R3= 8,501.57kg

  ⸫

  La concentración final de la corriente de refinado Xr3=0,0361 < 0,05  3 etapas

  ⸫