Extraccion liquido liquido

September 19, 2017 | Author: Daniel Murillo | Category: Distillation, Solvent, Solubility, Mixture, Physical Chemistry
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EXTRACCION LIQUIDO - LIQUIDO 1. Defina el proceso de extracción liquido - liquido.

La extracción (separación) líquido-líquido, también conocida como extracción con solventes (como el tiner) o extracción con disolventes, es un proceso químico empleado para separar una mezcla utilizando la diferencia de solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles (por ejemplo, agua y cloroformo, o éter etílico y agua). 2. Identifica el agente de separación y el principio de separación en el proceso de extracción liquido -liquido. En este tipo de operaciones, la solución a ser extraída se denomina alimento o refinado inicial, y el liquido con el que se pone en contacto disolvente. La fase rica en disolvente se denomina fase extracto y el liquido residual de donde se ha eliminado el soluto se denomina refinado. En la extracción líquido-líquido, el principio de separación son las solubilidades diferentes en dos fases liquidas. 3. Para cuales procesos es alternativo este proceso, y bajo qué condiciones, es decir, cuando se prefiere a otros.     

Para cualquier circunstancia en que la destilación es inadecuada para ser utilizada. Separación de líquidos con puntos de ebullición próximos, volatilidades relativas cercanas a la unidad. Isómeros. Separación de mezclas que forman azeótropos. Separación de sustancias sensibles al calor. En sustitución de destilaciones en alto vacío, evaporaciones, cristalizaciones costosas. Se prefiere a otros cuando no se cumplen estas condiciones.

4. Identifique aplicaciones industriales de este proceso. Según Treybal, como se clasifican estas aplicaciones. Explique         

Separación de compuestos inorgánicos como ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio. Recuperación de compuestos aromáticos. Refinación de aceites lubricantes y disolventes En la extracción de productos que contienen azufre. Obtención de ceras parafínicas Desulfuración de productos petrolíferos Productos farmacéuticos Ejemplo en la obtención de la penicilina Industria alimentaría Obtención de metales costosos, Ej como uranio-vanadio.

Según Treybal se clasifican en: aquellas aplicaciones en la que la extracción esta en competencia directa con otros métodos de separación y aquellas aplicaciones en que es el único método adecuado. 

En competencia con otras operaciones de transferencia de masa:

Aquí, los costos relativos son importantes. La destilación y la evaporación son métodos directos de separaci6n; los productos obtenidos están formados básicamente de sustancias puras. Por otra parte, la extracción líquida produce nuevas soluciones, que a su vez deben separarse, frecuentemente por destilación o evaporación. Por ejemplo, es difícil separar, por destilación, al ácido acético de una solución di- luida con agua; en cambio, 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 destilaci6n, la extracci6n es más económica; especialmente, porque el calor de evaporación de la mayoría de los disolventes orgánicos es sustancialmente menor que el del agua. La extracción también puede resultar aconsejable como alternativa frente a la destilación al alto vacío, a temperaturas muy bajas, para evitar la descomposición térmica. Como por ejemplo, los ácidos grasos de cadena larga pueden separarse de los aceites vegetales mediante destilación al alto vacío, pero se separan en forma más económica por extracción con propano líquido. 

Como un sustituto de métodos químicos:

Los métodos químicos consumen reactivos y con frecuencia conducen a una costosa eliminación de los subproductos químicos. La extracción líquida, que no provoca gastos químicos o eliminación de subproductos, puede ser menos costosa. La separación de metales como uraniovanadio, hafmio-zirconio, tungsteno-molibdeno y los productos de fisión de los procesos de energía atómica, se llevan a cabo más económicamente por extracción liquida. Aun los metales menos costosos como cobre y sustancias químicas inorgánicas como ácido fosf6rico, ácido bórico etc, se pueden purificar de manera económica mediante extracción líquida, a pesar de que el costo de recuperación del disolvente debe incluirse en las cuentas finales. 

Para separaciones que por ahora no se pueden realizar por otros métodos:

En la destilación, en donde la fase vapor se crea a partir del líquido por adición de calor, el vapor y el líquido están compuestos necesariamente de las mismas sustancias; por lo tanto, son muy similares químicamente. Entonces, las separaciones producidas dependen de las presiones de vapor de las sustancias. En contraste, en el caso de la extracción líquida, los componentes principales de las dos fases son muy distintos químicamente; por esto, son posibles las separaciones de acuerdo con el tipo químico. Por ejemplo, los hidrocarburos aromáticos y parafínicos de aproximado peso molecular no se pueden separar por destilación, ya que sus

presiones de vapor son casi iguales; sin embargo, pueden separarse fácilmente por extracción con distintos disolventes, como dióxido de azufre líquido, dietilenglicol o sulfolano. (Es importante observar que la destilación extractiva también es útil en estas operaciones, pero es simplemente la extracción de la fase vapor con un disolvente, mientras que la destilación líquida es la extracción de la fase Líquida. Con frecuencia, los mismos disolventes son útiles en los dos casos, como era de esperarse.) Muchos productos farmacéuticos, se producen en mezclas tan complejas que sólo la extracción líquida es un método adecuado de separación.

5. En qué consiste una separación en ELL, y cuando se le denomina etapa teórica? Son siempre ideales las aplicaciones industriales? Podemos hablar de eficiencia? Explique Es un proceso químico empleado para separar una mezcla utilizando la diferencia de solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles. Se denomina etapa teórica o de equilibrio al efecto de mezclar íntimamente dos líquidos inmiscibles hasta alcanzar las concentraciones de equilibrio y, después, se separan físicamente las dos fases en dos capas claras. No son siempre ideales las aplicaciones industriales y claro está que se habla de eficiencia cuando se utiliza este método. Por ejemplo, en las torres de 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 interfacial que no requieren agitación mecánica para una buena dispersión. 6. En ELL, que es el coeficiente de distribución o coeficientes de reparto? El coeficiente de reparto (K) de una sustancia, también llamado coeficiente de distribución (D), o coeficiente de partición (P), es el cociente o razón entre las concentraciones de esa sustancia en las dos fases de la mezcla formada por dos disolventes inmiscibles en equilibrio. Por tanto, ese coeficiente mide la solubilidad diferencial de una sustancia en esos dos disolventes.

Donde [sustancia]1 es la concentración de la sustancia en el primer disolvente y, análogamente [sustancia]2 es la concentración de la misma sustancia en el otro disolvente.

7. Qué tipo de coordenados se utilizan ampliamente en la literatura de ingeniería química para describir los estados de equilibrios en ELL? 

Coordenadas triangulares equiláteras: Estas coordenadas se utilizan extensamente en la bibliografía química para describir gráficamente sobre un diagrama de fases las concentraciones en sistemas ternarios. Las escalas coordenadas de los triángulos equiláteros siempre son, por necesidad, las mismas; para poder expandir una escala de concentración con relación a la otra, se pueden utilizar entonces coordenadas rectangulares. Una de las propiedades de un triángulo rectángulo es que la suma de las distancias perpendiculares desde cualquier punto dentro del triángulo hasta cualquiera de los tres lados, es igual a la altura del triángulo. Por lo tanto, sea la altura la composición al 100% y las distancias a los tres lados los porcentajes o fracciones de los tres componentes. Cada vértice del triángulo representa uno de los componentes puros. Este análisis se limita a aquellos tipos de sistemas que aparecen con mayor frecuencia en las operaciones de extracción líquida. La extracción liquido-liquido 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. Se va a utilizar el siguiente esquema de notación para describir las concentraciones y cantidades de estas mezclas ternarias, con el fin de analizar tanto el equilibrio como los balances de materia. 

Esquema de notación: 1. A y B ion líquidos puros básicamente insolubles; C es el soluto distribuido. Las mezclas que se van a separar por extracción están compuestas de A y C; B es el disolvente de extracción. 2. Se utilizará la misma letra para indicar la cantidad de una solución o mezcla y la ubicación de la mezcla en el diagrama de fases. Las cantidades se miden por libras en las operaciones por lotes y en masa y tiempo en las operaciones continuas. Entonces, E= masa y tiempo de solución E, un extracto, que se muestra en un diagrama de fase como el punto E. R= masa y tiempo de solución R, un refinado, que se muestra en un diagrama de fases como el punto R. B= masa y tiempo de disolvente B. 3. Los subíndices identifican la solución o mezcla a la cual se refieren 4. los términos de concentración. Las etapas se identifican mediante números. 8. En un diagrama ternario en las coordenadas que está investigando, que representan: los vértices, los lados del triangulo, un punto dentro del triangulo.  Vértices: Componentes puros, es decir al 100%.

 Lados: Representan mezclas binarias de 2 componentes.  Un punto dentro del triangulo es el porcentaje de concentración la mezcla constituida por los 3 componentes. 9. Que es la curva binodal? Experimentalmente, explica como la obtendrías para un sistema que tu creas puedas estudiar en el laboratorio de operaciones unitarias. La curva binodal o curva de equilibrio es la que representa el límite entre las regiones de miscibilidad parcial liquido - liquido y la de miscibilidad total. Para un sistema Cloroformo - Acido Acético - Agua lo que primero se hace es hallar las densidades de los tres componentes, luego se ponen en contacto mezclas binarias (agua - acido acético) de concentraciones 10, 20, 40 y 60% en peso con cloroformo como se indica a continuación: a 20 gramos de mezcla líquida binaria colocada en un embudo de decantación de 50 ml se adiciona cloroformo, que se ha colocado previamente en una bureta de 10 ml, hasta que aparezca turbidez (aparición de dos fases), lo que indica que esta mezcla ternaria estaría representada en el diagrama triangular en un punto situado sobre la curva binodal, en la línea que une los puntos representativos de la mezcla binaria inicial y del disolvente.

10. Como se obtienen y como se denominan los productos en una ELL, y básicamente como se definen técnicamente? En los sistemas de interés para la extracción liquido - liquido, los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Es decir, su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formación de dos fases. Además, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro. Para representar este comportamiento, y

poder conocer si a una determinada mezcla le corresponde una o dos fases, los diagramas triangulares liquido - liquido presentan la denominada cura binodal o de solubilidad. Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estará constituida por una sola fase. Por el contrario a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases. Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta de reparto pasa por el punto de mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indican la concentración de las dos fases en equilibrio. Los productos obtenidos son:  Extracto rico en disolvente  Extracto pobre en disolvente  Refinado 11. Que es una recta de reparto? Como se obtienen? Una recta de reparto es la que relaciona la composición de las dos fases en equilibrio con la composición de la mezcla total.

Acetona 0,0 1,0 0,1

0,9

0,2 0,3

agu a

Mezcla

0,7

0,4

0,6

0,5

Fase 1

a ton ace

Para obtener la recta de reparto se traza una paralela desde la fase 1 hacia la fase 2 dentro de la curva binodal. Una vez trazada esta recta se puede hallar el punto M o punto de Mezcla.

Curva de solubilidad

0,8

0,5

0,6

Fase 2

0,4

0,7

0,3

0,8

0,2

0,9

0,1

1,0

0,0

H2O 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 MIC MIC

12. De que dependen las pendientes de las rectas de reparto? Las pendientes de las rectas de reparto dependen básicamente de las concentraciones y de la naturaleza de la mezcla. Por lo general para cualquier sistema no son paralelas. 13. Que es el punto de pliegue y que representa? El punto P o punto de pliegue, es la última de las líneas de unión y el punto en donde se encuentran las curvas de solubilidad del componente más rico en A y rico en B, generalmente no se encuentra en el valor máximo de C sobre la curva de solubilidad. 14. Que es el diagrama de distribución de equilibrio y qué utilidad tiene? El diagrama de distribución de equilibrio es el diagrama en donde se representa la mezcla de 3 componentes. La utilidad que tiene este tipo de diagrama es proporcionar la información necesaria para hallar tanto el equilibrio en un sistema ternario como los producto que se obtienen y el punto de mezcla.

15. Que es la selectividad y de que depende? La selectividad nos indica la efectividad del disolvente para separar los componentes de la disolución de partida. Para que la separación sea posible la selectividad debe ser distinta de uno, y cuanto más distinta de la unidad sea, mas fácil será la separación. De este parámetro dependerá el numero de etapas necesarias para una separación dada. Depende generalmente de la naturaleza de la sustancia a separar. 16. Que es un sistema solutropico? Un sistema solutropico se produce cuando las líneas de interconexión no son paralelas y por lo general cambian de pendiente lentamente en una dirección al cambiar la concentración. Los casos en los que se da una inversión en el sentido de la pendiente, son también comunes y estos sistemas son llamados solutrópicos como el sistema Benceno-Piridina-Agua. 17. Explique el efecto de la temperatura en este proceso La temperatura de operación tiene efectos en este proceso, ya que puede desnaturalizar el principio activo, además afecta a parámetros como: viscosidad y solubilidad. 18. De qué manera hay que tomar en cuenta el coeficiente de reparto en la elección del disolvente?

La composición del soluto en el extracto partido de la composición del soluto en el refinado y*/x no tiene porque ser mayor que 1 Cuanto mayor sea su valor menos cantidad de disolvente se requiere para llevar a cabo la separación.

19. Porque es importante considerar para la elección del disolvente la insolubilidad, recuperabilidad, densidad, tensión interfacial, reactividad química, viscosidad, toxicidad, presión de vapor, punto de congelamiento, inflamabilidad y costos? - Insolubilidad del disolvente: Cuanto mayor sea la insolubilidad del disolvente y del componente mayoritario del refinado , que no se desea extraer, mas fácil resultara la operación de extracción. - Recuperabilidad: Puesto que siempre habrá que recuperar el disolvente para su reutilización, y ordinariamente tal recuperación se realiza por rectificación, resultara indispensable que el disolvente no forme azeótropos con los componentes del sistema y, a ser posible, que las volatilidades relativas de estos respecto a aquel sean lo más alejadas posible de la unidad. - Densidad: Evidentemente resulta indispensable que las densidades de las fases en equilibrio sean distintas para que sea viable la extracción. - Tensión interfacial: Cuanto mayor sea la tensión interfacial entre las fases extracto y refinado con mayor facilidad coalesceran sus emulsiones y con mayor dificultad se conseguirá su mutua dispersión. - 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: Todas estas propiedades deben tenerse en cuenta y deben ser lo más bajas posibles, para facilitar el manejo y almacenamiento de los disolventes. 20. Esquematice una etapa de separación en ELL, con sus elementos constituyentes, y plantea los balances de materiales de los que se puede disponer.

21. Describa el funcionamiento de los sistemas de platos y torres agitadas, y torres de roció, para llevar a cabo una extracción. Esquematice estos equipos. Torres de platos. 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 interfacial. Cuando se opera con un régimen de flujo adecuado, las velocidades de extracción en columnas de platos perforados son elevadas debido a que las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a formar en cada etapa. Esto favorece la destrucción de gradientes de concentración que se pueden formar cuando las gotas pasan sin perturbación a través de toda la columna. Las columnas de platos perforados para extracción están sometidas a las mismas limitaciones que las columnas de destilación: inundación, arrastre y goteo. Con frecuencia se presentan problemas adicionales como la formación de suciedad que sobrenada y que se origina por la presencia de pequeñas cantidades de impurezas.

Columnas con agitación. Los equipos de agitación con columna se componen de un agitador juntamente con su brazo soporte y una columna donde se ubica el sistema de elevación hidráulico. El equipo dispone de una base de apoyo. La columna de elevación está diseñada para incorporar un agitador normalizado de INOXPA u otros, con una brida máxima de Ø250 mm. Este equipo permite intercambiar el agitador en función de la mezcla a realizar y evita disponer de un agitador por depósito, optimizando así los costes de fabricación. Los agitadores pueden ser de tipo Cowles, mixer, áncora, hélice, palas, etc.

Torres de roció. Permiten contacto diferenciales , y en ellas el mezclado y la sedimentación proceden con régimen continuo y simultaneo (C8).

22. Según Treybal explica el funcionamiento de los sedimentadores en las baterías de extracción y esquematiza un sistema en cascada agitadores sedimentadores. 

Funcionamiento de los sedimentadores

En la extracción continua, la dispersión que sale del mezclador debe pasarse a un sedimentador o decantador, en donde ocurre cuando menos la ruptura primaria. El diseño más sencillo, es tal vez el más común: para evitar quela dispersión entrante disturbe excesivamente el contenido del tanque, se usa la mampara de entrada del tipo de “cerca de estacas”. De este modo, las gotas se sedimentan en la parte principal del tanque, en donde la velocidad debe ser lo suficientemente baja para prevenir turbulencias. A flujos mayores para un tanque dado, mayor espesor de la banda de dispersión; al final, por las salidas sale una dispersión no sedimentada, que por supuesto debe evitarse. Aunque se ha efectuado una gran cantidad de estudios fundamentales, los métodos de diseño todavía son empíricos y arbitrarios. Hay tres aproximaciones al diseño: a) Que haya el tiempo suficiente de residencia con base en las observaciones de laboratorio sobre la sedimentación. b) El cálculo del flujo para producir un espesor adecuado de la banda de dispersión. c) El cálculo del tiempo de asentamiento de las gotas individuales a través de un líquido claro por arriba y abajo de la banda de dispersión. El extractor de Treybal: Son en realidad una pila vertical de mezcladores - sedimentadores. Los mezcladores están en una línea vertical y los impulsores para las etapas sobre un eje común. Estos extractores no solo mezclan, sino que también bombean, de forma que los flujos obtenidos son grandes. Como no hay mezclado axial, las rapideces de transferencia de masa son elevadas. Cascadas de mezclador-sedimentador: Un mezclador-sedimentador, es un aparato de una etapa, que generalmente consiste en dos partes: un mezclador para poner en contact o las dos fases líquidas y lograr la transferencia de masa y un sedimentador para separarlas mecánicamente. La operación puede ser continua o por lotes. Los mezcladores son de dos tipos: mezcladores de flujo y tanques de mezclado. Los mezcladores de flujo, o mezcladores de línea; son aparatos de volumen muy pequeño colocados en una línea de tubos, como una serie de orificios o boquillas de alimentación, a través de los cuales se bombean a corriente paralela los dos líquidos

que se van a poner en contacto. L a pérdida de energía mecánica que correspond e a la caída de presión se utiliza parcialmente para que los líquidos se dispersen uno en el otro. Entonces, la dispersí6n resultante se pasa al sedimentador. Estos aparatos sólo son útiles para operaci6n continu a. Sus aplicaciones son limitadas: el grado de dispersión producida para cierto aparato depende del flujo; además, puede esperarse que la transferencia de masa sea muy pequeña, puesto que el área interfacial específica decae con rapidez al descender la corriente del mezclador y puesto que el tiempo de retención es muy corto. Una planta de extracción continua en multi etapas constará del número requerido de etapas arregladas de acuerdo con el diagrama de flujo deseado. Cada etapa estará formada, al menos, por un mezclador y un sedimentador, como en la planta a contracorriente. Los líquidos se bombean de una etapa a la siguiente, pero a veces se puede arreglar el flujo por gravedad si se posee suficiente espacio. Se han diseflado muchos arreglos para reducir la cantidad de tuberías entre las etapas y el costo correspondiente. Es uno de ellos: los tanques de mezclado están sumergidos en los grandes tanques sedimentadores circulares, los líquidos pesados fluyen por gravedad, los líquidos ligeros por empuje del aire y la recirculación del líquido ligero ‘sedimentado hacia el mezclador se logra por un sobre flujo. Los mezcladores y sedimentadores tienen una sección transversal rectangular; de ahí el nombre de “caja”; están arreglados en posiciones alternadas para las etapas adyacentes, como se muestra en la vista plana de la figura 10.43. Otro arreglo coloca las etapas una encima de la otra, en una pila vertical, con los impulsores de mezclado sobre una barra común; este re arreglo utiliza a los impulsores no sólo como aparatos mezcladores, sino también como bombas.

Figura 1: Diagrama del sedimentador a contracorriente en tres etapas. 23. Construya el grafico de los sistemas ternarios mostrados en: Piridina - cloro benceno - agua indicado en los ejercicios propuestos de Treybal capitulo 10; propano - acido oleico - aceite de semilla de algodón del mismo texto; sistema del ejemplo resuelto 7.7 del texto de Ocon Tojo; del ejemplo resuelto 7.9 del

texto de Ocon Tojo; el problema propuesto 7.11 del texto de Ocon Tojo; y del problema propuesto 7.31 del texto de Ocon Tojo.

 Ejercicio propuesto de Treybal capitulo 10: PIRIDINA - CLORO - BENCENO



Ejercicio propuesto de Treybal capitulo 10:



Sistema del ejercicio resuelto 7.7 Ocon-Tojo



Sistema del ejercicio resuelto 7.9 Ocon-Tojo



Sistema del ejercicio propuesto 7.11 Ocon-Tojo

100kg de una mezcla ácido acético-cloroformo de composición 35% en peso de ácido acético, se extraen con agua en contacto múltiple en corriente directa a 18°C, para obtener un producto refinado que contenga menos del 3% en peso del ácido acético. Los datos de equilibrio para este sistema se dan en el ejemplo 7.5. Fase pesada, % peso CHCl3 Agua CH3COOH 99,01 0,99 0,00 91,85 1,38 6,77 80,00 2,28 17,72 70,13 4,12 25,75 67,15 5,20 27,65 59,99 7,93 32,08 55,81 9,53 34,61



CHCl3 0,84 1,21 7,30 15,11 18,33 25,20 28,85

Fase ligera, % peso Agua CH3COOH 99,16 0,00 73,69 15,10 48,58 44,12 34,71 50,18 31,11 50,56 25,39 49,41 23,28 47,87

Sistema del ejercicio propuesto 7.31 Ocon-Tojo

Una disolución acusa de ácido butírico de composición 30% en peso de ácido butírico se extra en contracorriente con 1-Hexanol a 30°C, separándose un refinado de concentración 1% en peso de ácido butírico. Los datos de equilibrio para este sistema son: Fase del extracto Ácido Agua Hexanol butírico 9,00 8,00 83,00 16,20 8,20 75,60 23,00 9,00 68,00 39,00 11,40 49,60 46,40 13,20 40,04 54,10 16,90 29,00 39,60 58,10 2,30

Fase del refinado Ácido Agua Hexanol butírico 0,90 98,5 0,60 1,70 97,70 0,60 2,60 96,80 0,60 5,10 94,25 0,65 6,50 92,85 0,65 8,30 91,00 0,70 39,60 58,10 2,30

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