Extraccion liquido-liquido

EXTRACCIÓN LÍQUIDO LÍQUIDO

Consideraciones Generales: 







Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar. Utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de Volatilidad Los aromáticos no pueden separarse por destilación debido a que se solapan los puntos de ebullición. Los aromáticos se extraen del reformado catalítico utilizando un disolvente polar de alta temperatura de ebullición y después se destila el extracto para dar benceno, tolueno y xilenos puros que se utilizan como productos químicos intermedios. Cuestiones tales como etapas ideales, eficacia de las etapas, relación mínima entre las dos corrientes y tamaño del equipo tienen la misma importancia en extracción que en destilación.

Consideraciones Generales: 





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Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar. Utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de Volatilidad Los aromáticos no pueden separarse por destilación debido a que se solapan los puntos de ebullición. Los aromáticos se extraen del reformado catalítico utilizando un disolvente polar de alta temperatura de ebullición y después se destila el extracto para dar benceno, tolueno y xilenos puros que se utilizan como productos químicos intermedios. Cuestiones tales como etapas ideales, eficacia de las etapas, relación mínima entre las dos corrientes y tamaño del equipo tienen la misma importancia en extracción que en destilación.

Conceptos: 





Operación básica de separación de los componentes de una mezcla líquida mediante transferencia de materia a otro disolvente inmiscible o parcialmente inmiscible con ella y de distinta naturaleza. En la extracción líquido-líquido (extracción con disolventes) se separan los componentes de una mezcla líquida por medio del contacto con otro líquido inmiscible o parcialmente miscible. Los componentes se distribuyen de forma selectiva entre las dos fases líquidas permitiendo su separación. DISOLVENTE (Disolvente B)

ALIMENTACIÓN

REFINADO

(Disolvente A + soluto)

(Disolvente A )

EXTRACCIÓN

EXTRACTO (Disolvente B + soluto)

Conceptos: Corrientes implicadas:    Alimentación: 

Disolución cuyos componentes se

desea separar. Líquido utilizado para separar el componente deseado.

   Disolvente: 

  Refinado:    Extracto: 

Corriente de alimentación ya tratada. Disolución con el soluto recuperado.

Conceptos: 

El caso más sencillo (o al que simplificamos otros problemas más complejos) es la de un sistema ternario compuesto por:   

Soluto (A), que es el que nos interesa separar El disolvente (B), el líquido que añadimos a la mezcla inicial Diluyente o líquido portador (C), el que acompaña al soluto en la mezcla inicial.

El diluyente y el disolvente como mucho son parcialmente miscibles y son los componentes mayoritarios de las dos fases formadas

Conceptos: 1° - Etapa de contacto íntimo entre las fases: Se produce la transferencia de soluto de la mezcla original al disolvente, hasta alcanzar el equilibrio entre las fases.   2º - Etapa de separación de las fases: Se obtiene el refinado y el extracto. 

Tipo de contacto

- Continuo - Discontinuo

Modo de mezcla

- Agitación mecánica - Circulación de los fluidos

Ejemplo: 















Algunas veces la extracción por disolvente se usa como una alternativa a la separación por destilación o evaporación. Por ejemplo, el ácido acético se separa del agua por destilación o por extracción con disolvente, usando un disolvente orgánico. Después de esta operación, el producto resultante (disolvente orgánico-ácido acético) se destila. La selección de destilación o extracción con disolvente depende en gran parte, de los costos relativos. La concentración de ácido acético es un ejemplo que muestra las características típicas de esta operación. Se trata de obtener ácido acético glacial (pureza mínima del 99,8% en peso) a partir de una solución acuosa que contiene 22% en peso de ácido. Se usa una columna tipo RDC (Rotating Disk Contactor), en la que se efectúa la extracción con acetato de etilo en contracorriente. El ácido pasa mayoritariamente a la fase orgánica y sale de la columna en la corriente que se conoce como extracto. La corriente acuosa que sale por el fondo, el refinado, es fundamentalmente el diluyente con el soluto que no se ha extraído.

Extracción líquido-líquido y unidades auxiliares en la obtención de ácido acético glacial

Elementos comunes equipos de Extracción L-L 

en

En el proceso se encuentran elementos comunes a otras unidades (equipos) de extracción líquido  –  líquido:  La elección de la extracción frente a otras alternativas, como la destilación.  Se requieren otras unidades de separación adicionales (en este caso destilaciones)  Es necesario hacer un aporte de disolvente para compensar las pérdidas en el producto.  Puede existir generación de agua residual, que con la pérdida de solventes constituyen un problema ambiental. Coste adicional de tratamiento de efluentes.  Las separaciones adicionales, reducen la ventaja económica de la extracción L-L

Extracción L-L vs Destilación: La Extracción L-L es preferida frente a la destilación en los siguientes casos:  Componentes diluidos con alto punto de ebullición  Componentes relativamente diluidos que se degradan a alta  Componentes temperatura  Separaciones por características químicas frente a volatilidad relativa  Azeótropos o sistemas con puntos de ebullición muy próximos

Tipos de Sistemas: 





Una notación conveniente para clasificar las mezclas empleadas en extracción liquido-líquido es C/N, donde C es el número de componentes y N el número de parejas parcialmente miscibles. Las mezclas 3/1, 3/2 y 3/3 son denominadas por algunos autores como “Tipo I, Tipo II y Tipo III”. Un sistema 3/1, con solamente una pareja parcialmente miscible, es furfural-etilenglicol-agua, donde la pareja parcialmente miscible es furfural-agua.

Tipos de sistemas 



En otro tipo de sistemas menos habitual hay dos parejas de componentes que son parcialmente miscibles. Estos sistemas pueden tener distintas formas. Un ejemplo se presenta a continuación, en el cual las curvas de saturación y de reparto son continuas.

Dos pares de componentes parcialmente miscibles

Tipos de sistemas Tipo 2: Dos pares de componentes son parcialmente miscibles

Representación gráfica en diagrama triangular rectangular de los datos de equilibrio para un sistema de tipo 2: P y P' son los puntos de conjunción o nodales de las dos curvas binodales que presenta el sistema

Tipos de sistemas Tipo 3: Los tres pares de componentes son parcialmente miscibles (carecen de interés en las operaciones de extracción)

Los tres sistemas B-C, B-S y C-S son parcialmente miscibles y dispone de tres curvas binodales con los puntos de conjunción P' y P, P respectivamente

Los tres sistemas B-C, B-S y C-S son parcialmente miscibles. Presenta: una región trifásica:  MNK y tres regiones bifásicas: GKNJ, G'MNJ', G''MKJ", y tres regiones monofásicas:  JUBGK,  JNJ'S y G'MG1'C.

Efecto de la Presión y la Temperatura 



A mayor T, la solubilidad mutua aumenta, pudiéndose llegar a un punto donde solo queda una sola fase líquida. También puede influir en la inclinación de las curvas de reparto

Equilibrios y composiciones de las fases 







En sistemas donde hay varias fases líquidas, los componentes se reparten de forma desigual en el equilibrio (lo cual se explota para su separación). Al mezclar una solución de ácido acético con acetato de etilo, debido a su inmiscibilidad, se forman dos fases. De la fase acuosa se transfiere ácido y muy poca agua a la fase orgánica, con lo cual hemos conseguido modificar la relación de componentes en la solución acuosa. Para sistemas ternarios es posible representar los datos de equilibrio en distintos tipos de diagramas, en los que se pueden realizar cálculos de forma gráfica.

Tipos de Diagramas 







En extracción el tipo más común de sistema es el de tres componentes con dos parcialmente miscibles, siendo el soluto totalmente miscible con los dos. Las curvas de reparto tienen una inclinación que favorece la concentración de soluto en una de las fases. La inclinación varía según el rango de composiciones. Pero generalmente no suele cambiar el sentido de la inclinación. En algunos sistemas (benceno-agua-isopropanol) si ocurre, pasando por una recta horizontal. Este fenómeno se llama solutropía.

Dos componentes parcialmente miscibles

Diagramas Triangulares Equiláteros 







El furfural se utiliza como un disolvente para separar el soluto (etilenglicol) a partir una solución acuosa. Agua y furfural son bastante inmiscibles. Etilenglicol es totalmente miscible tanto con agua como con furfural. La fase rica en furfural recibe el nombre de extracto, y la fase rica en agua el de refinado.

Diagramas Triangulares Equiláteros 







En el diagrama encontramos una curva en forma de campana, que es el lugar geométrico de las concentraciones de las fases en equilibrio (curva de saturación) Los puntos al interior de la curva representan mezclas que forman dos fases, mientras que los que están fuera representan mezclas con una sola fase. La curva está dividida en dos por un punto crítico, en el que las composiciones de las dos fases se igualan, desapareciendo el equilibrio bifásico. Por debajo de este punto, las rectas de reparto unen las composiciones de las fases en equilibrio.

Diagrama Triangular Rectangular  

 



Es similar al anterior Se ha cambiado la escala. Es de más fácil lectura Se muestran las concentraciones de dos cualesquiera de los tres componentes. Normalmente se utilizan el soluto y el disolvente.

Equilibrio L/L Relación entre diagramas triangulares

Curvas de reparto







Representaciones en coordenadas rectangulares de las concentraciones del soluto en ambas fases. La relación de coordenadas para cada punto de la curva es un coeficiente de distribución KDi = YEi/XRi. Las curvas x-y o X-Y se pueden utilizar para interpolar rectas de reparto

INTERPOLACIÓN DE RECTAS DE REPARTO (mediante el uso de la curva conjugada)

Diagrama de Janecke Se representa en abscisas la concentración de soluto en base libre de disolvente y en ordenadas la del disolvente en base libre de disolvente.  Ordenada: S = furfural/(agua + glicol)  Abscisa glicol/(agua + glicol) 

Selección del disolvente 

Coeficiente de distribución

Valores mayores que 1 son deseables, ya que implican que se requiere menos disolvente para llevar a cabo la operación 

Selectividad

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.  

Insolubilidad del disolvente Recuperabilidad

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

Se seleccionarán aquellos disolventes con densidad lo más distinta posible a la mezcla a extraer

Selección del disolvente 

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. 

Reactividad y corrosividad

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, coste 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. 

Características de un buen solvente Tensión interfacial moderada

Alta selectividad

•

Fácil de regenerar

•

•

Baja viscosidad

•

Baja solubilidad alimentación •

con

la

Diferencia importante entre la densidad del solvente y la de la alimentación •

No debe ser muy corrosivo

•

Baja inflamabilidad toxicidad •

Bajo costo y disponibilidad •

de

y fácil

Métodos de Extracción 1. 2. 3. 4. 5.

Contacto Sencillo Contacto Múltiple en corriente directa Contacto Múltiple en contracorriente Contacto Diferencial en contracorriente Extracción con reflujo

En todos ellos, se realizan los siguientes pasos: a. Contacto del material a extraer con el solvente b. Separación de las fases formadas c. Recuperación del solvente 

Si en una etapa de extracción el contacto es lo suficientemente íntimo para que se alcance el equilibrio, aquella recibe el nombre de ideal o teórica. Prácticamente, el número de unidades a emplear suele ser superior al de etapas teóricos requeridos

MÉTODOS DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO: 1. 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 en las cantidades que se estimen convenientes y se separan las dos fases formadas La cantidad de soluto que pasa al disolvente está determinada por las relaciones de solubilidad, por la cantidad de disolvente utilizado y por la 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 de mezcla (obtener la  Etapa 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 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

Problema Calcúlese la composición de las fases en equilibrio que se forman cuando una solución del 45% en peso de glicol (G) y 55% en peso de agua (W) se pone en contacto con su mismo peso de furfural (F) a 25°C y 101 kPa. Extract, E

Furfural, S 100g, 100%C

Equilibrium Stage Feed, F 100g, 45%B, 55% A

Refinate, R

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 producir una separación de fases Solvente Máximo: Mayor cantidad de solvente “S”  que puede agregarse al sistema sin que coalescan las fases.

Contacto Múltiple 







Dividir el disolvente en varias partes y tratar la alimentación  sucesivamente con cada una de ellas

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

Contacto múltiple

Contacto Múltiple





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



Caudal de Ro y su composición: X Co, XDo. Caudal de Eo y su composición: y Co, YDo. Composición del refinado final: XC nf

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

Contacto Múltiple 

Conociendo Eo 









Como en el caso de una sola etapa el punto M1 se localiza en la recta que une Eo con Ro, en el punto de abscisa z C1 Las composiciones (xC1 e yC1) y caudales de E1 y Rl se determinan como en el caso de contacto sencillo, localizando la recta de reparto que pasa por M1. Si xC1, es mayor que xCnf, es evidente que se requiere al menos una etapa más. Determinar la fracción de etapa (caso de que no se llegue exactamente a xCnf)

También podría determinarse (ajustarse) la cantidad de disolvente en la última etapa para conseguir, en dicha etapa, exactamente la composición de refinado especificada

Contacto Múltiple 

Si se conoce EoT (cálculo iterativo): 









Suponer un número de etapas Conocido n, se puede determinar la cantidad de disolvente que entraría en cada una de ellas (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 caso contrario, habrá que repetir el procedimiento hasta hacer coincidir el número de etapas supuesto y calculado

Extracción en varias etapas a contracorriente

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

Extracción en varias etapas a contracorriente

Extracción en contracorriente

Se pueden presentar dos tipos t ipos de problemas. cálculo del número de etapas para una  El separación especificada  El cálculo de la separación conocido el número de etapas (y lógicamente las cantidades y composiciones alimentadas).  El primer caso corresponde a un problema de diseño y el segundo a simulación 

Extracción en contracorriente Diseño: 

Datos que se conocerán:   

Alimento Ro, xCo, xDo Disolvente Eo, yCo, yDo Composición del refinado final especificada xCn

Extracción en contracorriente - E1 y Rn no están en equilibrio. No salen de la misma etapa. - Pero son corrientes de equilibrio (deben ubicarse en la curva de equilibrio). - Rn se puede ubicar en la curva, pues se conoce su composición (es dato) Se puede ubicar el punto correspondiente a E1 (línea que une RnM)

Ei+1 y Ri están alineados con   se encuentra en la intersección de las rectas E1Ro y EoRn



Extracción en contracorriente Todas las corrientes indicadas se obtienen del siguiente modo: 



 

Empezando por E1, se determina la corriente R1 en 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 se repite hasta que se rebase la composición de la corriente de refinado final especificada. La fracción de etapa, caso de no alcanzarse exactamente, se determina análogamente al caso anterior.

Extracción en contracorriente

Relaciones de 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 aumentando la cantidad de disolvente, las rectas se cortarán en la parte superior del diagrama, por ejemplo en ’’’ Cuando M se sitúa sobre la rama 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 a cabo la extracción planteada

Relaciones de caudales máxima y mínima  











Cálculo de (Eo)min fijado Ro

si en un momento dado una recta operativa coincide con una recta de 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 los puntos Eo, Rn y Ro, se traza la línea EoRn y se prolongan las rectas 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 él La recta de reparto que corte más abajo a la recta EoRn nos dará el min (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 recta minRo con la curva de solubilidad)

Problema Para un nuevo proceso, se desea estudiar en una primera aproximación un diagrama de flujo simplificado como el de la figura:

En el proceso, mucho más complejo que el representado, una solución acuosa de sales se pone en contacto en contracorriente con alcohol amílico para extraer ácido clorhídrico, de forma que al retirarse de la fase acuosa, se desplace la reacción de interés. Para regenerar el disolvente, se reextrae el ácido con agua de manera que se pueda alcanzar en la solución acuosa de salida una concentración del 10%, lo que permite su utilización en otra planta.

En la simplificación que se realiza, la unidad de extracción-reacción se simula con una convencional de extracción líquido-líquido del ácido en la que todo aquello que no es alcohol o clorhídrico se representa por un componente que es fundamentalmente agua. La reextracción es verdaderamente una operación de extracción líquido-líquido. En estas condiciones se dispone de datos experimentales a 30 y 90 ºC que se han representado como de equilibrio líquido-líquido en diagramas triangulares y curvas de reparto. El cálculo se hará para una alimentación de 220 t/h de una solución acuosa con un 10% de HCl y 1,3% de alcohol. Se considerará que se consigue el objetivo de la extracción cuando la composición de clorhídrico en la fase acuosa se reduce al menos a la mitad. Se quiere conocer:  Temperaturas de trabajo en las unidades de extracción y reextracción.  Número de etapas de equilibrio en cada unidad.  Datos de composiciones, temperaturas y caudales para todas las corriente numeradas en una tabla de balance de materia. (La corriente 8 es alcohol amílico puro.)

Curvas de reparto:

Datos de equilibrio a 90ºC:

Datos de equilibrio a 30ºC:

RE-ECTRACCIÓN: No es posible conseguir la especificación con las condiciones dadas, ya que la composición en equilibrio de la fase orgánica para la solución acuosa de HCl del 10% es superior a la de la alimentación (fijarse en la línea verde, curva de reparto que parte del 10% de HCl, la composición en equilibrio es ligeramente superior a la de la alimentación)

Para lograr el 10% necesitamos una alimentación más cargada en HCl. Establezcamos la condición de tener un 3% en la corriente 4

Hacer re-cálculo en la extracción (similar a lo hecho en re-extracción)  Recalcular la fase de re-extracción  Al comparar las corrientes 5 y 3 vemos que la diferencia en los caudales másicos de cada componente es inferior al 1%. Con fines prácticos relativos al problema, podemos aceptar como solución 