Informe Extraccion Liquido Liquido 2

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

EXTRACCION LÍQUIDO

Presentado al: Ing. MELGAR MERINO ARTURO MISAEL facilitador Del curso 081D “OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA II”

Realizado por: Hernán Jesús, Sovero Muñoz Luis Javier, Solís Reyes

Alumno del VIII Ciclo de Ingeniería Química

Huancayo, 11 de Diciembre del 2014

Extracción Liquido Líquido OBJETIVO GENERAL

 Estudiar y aprender la extracción Liquido Liquido

OBJETIVOS ESPECIFICOS

 Establecer el campo de utilidad de la extracción Liquido Liquido

 Establecer los tipos de coordenadas usadas en la extracción Liquido Liquido

 Establecer la extracción liquido liquido en una sola etapa

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Extracción Liquido Líquido INTRODUCCION

La extracción líquida-líquida es un proceso para la separación de componentes en solución por su distribución entre dos fases inmiscibles líquidas. Este proceso también se conoce como simplemente extracción líquida o extracción con solvente; sin embargo, el último término puede ser confuso porque esto también se aplica a la lixiviación de una sustancia soluble de un sólido. Ya que la extracción líquida-líquida implica la transferencia de masa de una fase líquida en una segunda fase inmiscible líquida, el proceso puede ser realizado de muchos modos diferentes.

El ejemplo más simple implica la transferencia de un componente de una mezcla binaria en una segunda fase inmiscible líquida. Un ejemplo es la extracción líquida-líquida de una impureza de aguas negras en un solvente orgánico. En algunos casos una reacción química puede ser usada para mejorar la transferencia, un ejemplo es el empleo de una solución acuosa cáustica para extraer fenoles de una corriente de hidrocarburo.

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Extracción Liquido Líquido MARCO TEORICO 1. MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Siempre que se tenga un fluido en reposo o con movimiento en régimen laminar la transferencia de materia se verifica molécula a molécula por difusión molecular análogamente a lo que sucede en el transporte de cantidad de movimiento o energía. Si el régimen del fluido en movimiento es turbulento, la transferencia de materia se verifica mediante un mecanismo de convección natural o forzada, en el que intervienen paquetes de moléculas o enjambres, que al desplazarse van perdiendo su identidad, por lo cual no existe un perfecto paralelismo entre el transporte de propiedad debido al movimiento de enjambres y el correspondiente debido al movimiento de moléculas. La dificultad fundamental con la que nos encontramos es la siguiente:  La resolución de cualquier problema de transferencia de materia implica la evaluación de los perfiles de concentración de los componentes en la mezcla multicomponente, y de los correspondientes de velocidad y temperatura.  En el caso de que el fluido se encuentre en reposo o en régimen laminar o molecular se necesita integrar las ecuaciones de conservación de materia, cantidad de movimiento y energía, a partir de los cuales se obtendrán teóricamente los correspondientes flujos derivados de los mismos y por consiguiente para un área de paso determinada los respectivos caudales.  En el caso de que el fluido se encuentre en régimen turbulento, al no ser posible la integración de las ecuaciones de conservación, aplicables solamente a las variables instantáneas, y no disponiéndose de expresiones teóricas que determinen los flujos de propiedad a partir de los perfiles de concentración de propiedad, se hace necesaria la introducción de los coeficientes de transporte de materia y transmisión de calor así como el factor de rozamiento para el flujo de fluidos.

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2. CAMPOS DE UTILIDAD 2.1. En competencia con otras operaciones de transferencia de masa La extracción compite con otras operaciones de transferencia de masa. Es importante estudiar los costos relativos de las alternativas. Tanto la destilación como la evaporación son métodos directos de separación, donde los dos productos obtenidos son básicamente sustancias puras. Por otra parte la extracción líquida produce nuevas soluciones, que a su vez deben separarse, frecuentemente por destilación o evaporación La extracción compite favorablemente en los siguientes casos: • Para soluciones acuosas diluidas, en las cuales el agua debe evaporarse por destilación, la extracción suele ser más económica, dado que el calor latente de evaporación de la mayoría de los solventes orgánicos es menor que el del agua • Frente a destilación a alto vacío, en procesos a baja temperatura para evitar descomposiciones térmicas. Por ejemplo, los ácidos grasos de cadena larga, pueden separarse de los aceites vegetales más económicamente por extracción con propano líquido que por destilación a vacío. • Frente a cristalizaciones fraccionadas complejas. En el caso de la separación de metales como tántalo y novio, la cristalización fraccionada de los fluoruros dobles con potasio es menos económica que la extracción líquida con soluciones de ácido fluorhídrico con metilisobutil-cetona. 2.2 Como sustituto de métodos químicos Los métodos químicos consumen reactivos y frecuentemente conducen a una purificación posterior de los mismos costosa. La separación de mezclas de metales como uranio vanadio, Afmo. – zirconio, tungsteno - molibdeno, se llevan a cabo más económicamente por extracción líquida 2.3Separaciones que no pueden realizarse por otros métodos Cuando la volatilidad relativa de los componentes de la solución es pequeña, la destilación prácticamente no se puede realizar, como en el caso de hidrocarburos aromáticos y parafínicos de pesos moleculares similares, donde debe realizar su extracción con dietilenglicol.

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Extracción Liquido Líquido Muchos productos farmacéuticos (ej. Penicilina) se producen en mezclas tan complejas que solo la extracción líquida es un método de extracción. Cuando el producto a separar es termo sensible, la extracción líquida es una Alternativa de separación aplicable. 3. EJEMPLOS DE EXTRACCION LÍQUIDO LÍQUIDO Usando un solvente: La solución de ácido. Acético y agua se pone en contacto la solución con acetato de etilo. Gran parte del ácido acético y una pequeña parte del agua se transfieren a la capa del ester. Puesto que las densidades del agua y del acetato de etilo son diferentes, se separan en dos capas. Usando dos solventes: La mezcla de acetona y ácido. Acético se pone en contacto con agua y cloroformo. La acetona es extraída por el cloroformo y el ácido. Acético por el agua En los ejemplos anteriores, las separaciones son físicas, los componentes Permanecen químicamente incambiados.

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Usando dos solventes y un soluto Participan tres componentes: El soluto A El solvente B El solvente C El soluto A forma parte de la mezcla de partida junto con el líquido portador C (alimento). Si la mezcla de partida y el disolvente B se mezclan entre sí, el soluto A pasa al disolvente B. Ha de cumplirse la condición de que la solubilidad del componente A en el disolvente B sea mayor que la del líquido portador C. A su vez, el líquido portador C debería ser prácticamente insoluble en el disolvente B.

La ilustración representada como ejemplo parte del planteamiento ideal en el que el soluto A es absorbido en su totalidad por el disolvente. En realidad queda siempre un resto del soluto en el líquido portador. Además se admite la insolubilidad total del líquido portador en el disolvente. En la práctica siempre se encontrarán partes de cada una de las sustancias en la otra fase. El resultado es que en el proceso de separación real se forman dos fases después de la decantación:  La fase de extracto (principalmente A y B, restos de C)  La fase refina (principalmente C, restos de A y B)

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Para obtener un soluto lo más puro posible, a continuación de la extracción se añade un paso más de separación, generalmente en forma de rectificación, en el que el disolvente se separa del soluto. El disolvente se puede reciclar, estando así disponible de nuevo para la extracción.

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3. RELACIONES DE EQUILIBRIO 4.1Regla de las fases En un sistema líquido - líquido en equilibrio, de n componentes, donde se presentan dos fases, recordando la regla de las fases, el número de grados de libertad del sistema (L) es: L=C–F+2 Donde C es el número de componentes del sistema y F es el número de fases. Para un sistema sencillo de un componente que se transfiere entre dos solventes, el sistema presenta tres grados de libertad. Los sistemas de extracción usualmente operan a presión y temperatura constante, por lo que el sistema presenta un grado de libertad. Por lo tanto, conocida la concentración de un componente en una de las fases, el sistema queda completamente determinado. Durante el estudio de las relaciones de equilibrio de los sistemas gas - líquido, se supuso que el líquido y el gas eran completamente insolubles uno en otro, por lo que fijada la concentración del compuesto que se transfiere en una de las fases, la composición del sistema se determina fácilmente. En los sistemas líquidos – líquido, usualmente los componentes son parcialmente Solubles entre sí, lo que obliga a utilizar formas de representación de los datos De equilibrio más complejas. 4.2 Coordenadas triangulares Las coordenadas triangulares equiláteras se usan con frecuencia para representar datos de equilibrio de tres componentes.

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Fig. 1 Coordenadas en un diagrama triangular (tomado de Geankoplis) Cada uno de los vértices representa un componente puro (A,B,C). El punto M representa una mezcla de A,B y C. La distancia perpendicular a la base AB representa la fracción masa (xC=0.4) de C en la mezcla, y se mide sobre el lado BC. En forma análoga se ubican en el diagrama xA y xB.

Fig. 2 Diagrama de fases para un sistema líquido - líquido, donde A y B son parcialmente miscibles (tomado de Geankoplis)

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Para un sistema de tres componentes, donde dos de ellos (A y B) son parcialmente miscibles, el diagrama triangular correspondiente es

Ejemplos típicos de estos sistemas son:

La región de dos fases de la fig. 2, corresponde a la zona delineada por la curva envolvente. Una mezcla que originalmente tiene una composición representada por el punto M, se separa en dos fases cuyas composiciones quedan representadas por los puntos “a” y “b”, que resultan de la intersección de la línea de unión de equilibrio que pasa por el punto M y la curva envolvente. Cuando la composición original de la mezcla está representada por el punto P, también se separan dos fases, pero con la particularidad que ambas tienen igual composición. A este punto se le llama punto de Plait (pliegue). 4.3. Coordenadas rectangulares La utilización de los diagramas triangulares presenta desventajas en su uso. Por este motivo se han introducido el uso de coordenadas rectangulares para la representación de las condiciones de equilibrio. Veamos el sistema ácido Acético, agua y éter isopropílico. Los datos de equilibrio se pueden presentar bajo la forma de una tabla:

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Extracción Liquido Líquido Datos de equilibrio del sistema líquido- líquido Ac. Acético (C), agua (B) y éter isopropílico (B) a 293K

Se procede a presentar gráficamente

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4.4. Coordenadas de Bancroft Otra forma de representar las condiciones de equilibrio, es definiendo una variable Y como la relación entre el peso de soluto y el peso de disolvente de extracción en el extracto, y una variable X como la relación entre el peso de soluto y el peso de solvente de la alimentación en el refinado. Para el sistema acido. Acético – agua –metil isobutilcetona, la representación en coordenadas Bancroft es:

4.5. Coeficientes de partición y selectividades La fracción en peso del soluto en el extracto (y) dividida la fracción peso del soluto en el refinado (x) se conoce como el coeficiente de reparto(K):

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Extracción Liquido Líquido K=

y x

La selectividad (α) de dos componentes A y C respecto a un disolvente dado, se define como la relación de los coeficientes de reparto:

α=

KA KB

4.6. Efectos de la temperatura y presión en las condiciones de equilibrio Muchas mezclas de líquidos inmiscibles al aumentar la temperatura, alcanzan una temperatura máxima a partir de la cual los componentes son completamente miscibles, lo que hace imposible su posterior separación. En algunos pocos sistemas se presenta una temperatura mínima, por debajo de la cual los componentes son completamente miscibles. Cambios en la presión tienen efectos despreciables sobre las condiciones de Equilibrio. 4.7. Sistemas de multicomponentes Las condiciones de equilibrio de sistemas de cuatro componentes o más se tratan por medios computacionales. En mezclas de cuatro componentes, se pueden realizar estimaciones de las condiciones de proceso, no considerando el componente que presente menor coeficiente de reparto, y tratando a la mezcla como ternaria. 4.8. Elección del disolvente Usualmente se puede seleccionar el líquido que se utilizará como disolvente en la operación de extracción, dentro de un gran número de opciones. Es poco probable que un líquido en particular exhiba todas las propiedades que se consideran deseables para la extracción, por lo que se debe llegar a una solución de compromiso. Las características a tener en cuenta en el momento de la selección son: a. Selectividad. La separación relativa o selectividad (α) de un solvente B para separar los componentes A y C de una solución, mide la relación de concentraciones de A y C en la fase rica en solvente (extracto) respecto a la misma relación en el refinado:

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El poder de separación de un sistema líquido-líquido es gobernado por la desviación de la unidad de α. Una separación relativa de 1.0 no da ninguna separación de los componentes entre las dos fases líquidas. Concentraciones de soluto diluidas generalmente dan los factores de separación relativos altos. b. Recuperabilidad. El solvente de extracción por lo general debe ser recuperado para reutilizarlo en el proceso de extracción.. Ya que la destilación a menudo es la operación usada para su recuperación, la volatilidad relativa del solvente de extracción respecto a los componentes no solventes debería ser muy distinta. c.Coeficiente de partición. La proporción de partición para un soluto A, preferentemente debería ser grande (yA, extracto/xA, refinado) para que una proporción baja de solvente de extracción pueda ser usada. d. Solubilidad del disolvente. Para la separación de una mezcla de dos componentes A y C , se dispone de dos disolventes B y B’ (ver figura 5). Sólo mezclas A-C cuya composición esté entre los puntos A-D pueden separarse mediante el uso del disolvente B o B´ respectivamente, puesto que las mezclas ricas en C no forman dos fases líquidas con los disolventes.

Fig.5 (tomado de R. Treybal)

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e. Capacidad. Es la propiedad que se refiere a la carga de soluto por el peso de disolvente de extracción que puede ser alcanzado en una capa de extracto. f. Densidad. Es necesaria una diferencia en la densidad entre las fases líquidas saturadas, para lograr la separación de las mismas. Cuanto mayor sea esta diferencia tanto mejor se realizará su separación.. La diferencia de densidad disminuye al cero en un punto de Plait. g. Tensión interfacial. Una tensión alta interfacial promueve una rápida coalescencia de las gotas de la emulsión, favoreciendo la separación. Simultáneamente requiere que la agitación mecánica sea alta para producir gotas pequeñas. Generalmente es más importante lograr buenas separaciones por lo que se recomienda trabajar con altas tensiones superficiales. h. Reactividad química. El disolvente debe ser estable e inerte químicamente frente a los demás componentes del sistema y frente a los materiales comunes de construcción de equipos. i.Toxicidad. Debido a la exposición potencial durante la reparación de los equipos o mientras la rotura de las conexiones de transferencia solvente, la toxicidad del disolvente debe ser baja tanto a la inhalación de vapor del solvente como al contacto de la piel. j. Costo. El disolvente debe ser de bajo costo

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5. EXTRACCIÓN DE EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA

En estos sistemas, la corriente que contiene el soluto que se desea extraer (Lo), se pone en contacto con un disolvente adecuado (V2). Ambas corrientes se mezclan íntimamente, alcanzando el equilibrio las corrientes de salida (V1 y L1)

5.1. DEFINICIONES Alimentación (Lo): es la solución que contiene el soluto a extraer, que ingresa al contactor/separador Refinado (LN): es la corriente que egresa del contactor/separador, pobre en soluto y que contiene el resto de los componentes de la alimentación. Disolvente (VN+1): es el solvente inmiscible con el que se realizará la extracción Extracto (V1): es la corriente que egresa del contactor/separador, rica en solvente y en soluto transferido En estas definiciones se utilizaron subíndices que permiten su aplicación en los sistemas de extracción en multietapas.

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5.2. REGLA DEL BRAZO DE LA PALANCA Esta regla resulta de realizar un balance de masa tanto global como de componentes. Sea una alimentación (L), que contiene un producto a extraer A, de composición con vestigios de disolvente C (

x C ), y un tercer componente B. Esta alimentación se la

pone en contacto íntimo con un disolvente (V), rico en C ( (

xA

y A ), formándose una mezcla M de composición

y C ) y con vestigios del soluto

x AM , y CM , que posteriormente

se separará por decantación. Realizando los balances de masa tenemos

V+L=M

[1]

V.

y A + L. x A = M. x AM

[2]

V.

y C + L. x C = M. y CM

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Combinando las ecuaciones [1] con [2] y [1] con [3] se obtiene la composición de la mezcla:

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CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

“Columna de Extracción Líquido – Líquido Diseño y análisis del funcionamiento del equipo” FABRIZZIO VALER GOMEZ, 2009

[ 1]

“Transferencia de Calor y Masa 2” Ing. Jorge Martínez Garreiro Ms. Cs. Dpto Operaciones Unitarias en Ing. Química y de Alimentos- IIQ- Fac. Ingeniería- UDELAR

[ 2]

Extracción líquido – líquido, Universidad autónoma de Madrid, Área de Ingeniería Química

[ 3]

“Ingeniería De Procesos Térmicos, Extracción “ Gunt Hamburg, 2012

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