Lixiviación

4.2 Lixiviación

La lixiviación es una operación sólido - líquido de extracción por solvente, en la cual algunas sustancias presentes, en un sólido son retiradas o extraídas mediante la acción de un solvente líquido que empapa al sólido y disuelve las sustancias que van a ser extraídas. Esta operación reviste características muy peculiares. Para que exista un buen contacto entre las dos fases, es necesario que el sólido sea muy permeable, o bien, que esté tan finamente dividido, que el área de contacto sea bastante alta. Por eso es muy importante la preparación del sólido que va a ser lixiviado. Lo más conveniente es buscar la reducción del tamaño de las partículas del sólido mediante cortado, triturado, molienda u otro método cuya escogencia dependerá de cada caso o circunstancia particular. La lixiviación es una de las operaciones unitarias más antiguas utilizadas en la industria. El ejemplo más común de lixiviación lo encontramos en la preparación casera del café. Los granos de café una vez triturados y molidos se introducen en un colador de tela al cual se le vierte agua caliente que extrae las sustancias solubles. El tinto o extracto resultante se recoge en un recipiente previsto para tal fin. En la industria la lixiviación la encontramos en muchos procesos. Algunos ejemplos son: la extracción de azúcar de remolacha con agua, la extracción de aceites vegetales de semillas de algodón, ajonjolí, soya, maní y lino mediante el uso de solventes orgánicos derivados del petróleo, la preparación industrial del café, té y la extracción de algunos jugos. El azúcar se separa por lixiviación de la remolacha con agua caliente; los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas, como las de soya y algodón mediante lixiviación con disolventes orgánicos; el tanino se disuelve a partir de raíces y hojas de plantas. El té y el café se preparan mediante técnicas y equipo muy similares a los utilizados en las verdaderas operaciones de lixiviación. Además, los precipitados químicos con frecuencia se lavan de sus aguas madres adheridas mediante técnicas y equipo muy similares a los utilizados en las verdaderas operaciones de lixiviación, como en el lavado de licor de sosa cáustica del carbonato de calcio precipitado después de la reacción entre óxido de calcio y carbonato de sodio.

4.1.1 Fundamentos de la extracción sólido  – líquido (importancia, características del solvente, equipos de extracción, equilibrio).

La extracción sólido líquido o lixiviación es una operación para separar los constituyentes solubles de un sólido inerte con un solvente.

El proceso completo de extracción suele comprender la recuperación por separado del solvente y del soluto. El éxito de una lixiviación y la técnica que se va a utilizar dependen con mucha frecuencia de cualquier tratamiento anterior que se le pueda dar al sólido. En algunos casos, las pequeñas partículas del material soluble están completamente rodeadas de una matriz de materia insoluble. Entonces, el disolvente se debe difundir en la masa y la solución resultante se debe difundir hacia el exterior antes de poder lograr una separación. Esto es lo que sucede con muchos materiales metalúrgicos. La trituración y molienda de estos sólidos acelerará bastante la acción de lixiviación, porque las porciones solubles son entonces más accesibles al disolvente. Los cuerpos vegetales y animales tienen una estructura celular, los productos naturales que se van a lixiviar a partir de estos materiales se encuentran generalmente dentro de las células. Si las paredes celulares permanecen intactas después de la exposición a un disolvente adecuado, entonces en la acción de lixiviación interviene la ósmosis del soluto a través de las paredes celulares. Éste puede ser un proceso lento. Sin embargo, moler el material lo suficientemente pequeño como para liberar el contenido de las células es poco práctico y algunas veces indeseable. La velocidad de extracción es afectada por los siguientes factores: · Temperatura · Concentración del solvente · Tamaño de las partículas

· Porosidad · Agitación  Al aumentar la temperatura se aumenta la velocidad porque la solubilidad es mayor, el aumento de temperatura es muy usado en procesos de reacción química. La temperatura máxima para cada sistema está limitada por: el punto de ebullición del solvente, el punto de degradación del producto o del solvente, solubilidad de impurezas y por economía. La concentración del solvente es importante para soluciones acuosas, debido a la saturación y a la existencia de reacciones químicas, es de poca importancia cuando la extracción es controlada por difusión. La reducción de partículas tiene gran importancia, porque aumenta el área de contacto y disminuye el tiempo necesario para la extracción, sobre todo para sólidos de baja porosidad. La porosidad permite que el líquido penetre a través de los canales formados por los poros dentro del sólido, aumentando así el área activa para la extracción. La agitación da una mayor eficiencia en la extracción debido a que disminuye la película de fluido que cubre la superficie del sólido en reposo y que actúa como una resistencia a la difusión. El equipo puede ser de etapas o de contacto continuo; algunas industrias requieren un tipo especial de equipo, pero en general las dos técnicas usadas son: rociar el líquido sobre el sólido o sumergir el sólido completamente en el líquido, el equipo usado en cada caso depende mucho de la forma física de los sólidos y del costo. Partículas trituradas (grandes) son tratadas en lechos fijos por métodos de percolación. Partículas molidas (finamente divididas) son puestas en suspensión en tanques llenos de solvente por medio de agitación.

Selección del Solven te a utilizar

El solvente empleado debe solubilizar al soluto (agua----azúcar, alcohol-pectina y gomas, solventes orgánicos---grasas y aceites). El solvente ideal es el agua (bajo costo, no tóxica, no inflamable, no corrosiva), sin embargo no siempre tiene una capacidad de extracción adecuada. El solvente empleado debe tener el mayor coeficiente de transferencia de masa posible.

 Al aumentar la temperatura del proceso aumenta la solubilidad del soluto en el solvente aumenta el coeficiente de difusión del solvente en las partículas de sólido lo que provoca una mayor velocidad de extracción Sin embargo, temperaturas muy elevadas pueden deteriorar el producto o provocar la evaporación del solvente. Se debe encontrar la temperatura más adecuada para cada caso en particular. Tam añ o d e p ar tícu la d el s ólid o

Las partículas pequeñas crean una mayor área interfacial entre el sólido y el líquido y una distancia más corta para que el soluto se difunda a través de la partícula y alcance la superficie, Pero si el tamaño de partícula es demasiado pequeño, se forman conglomerados que impiden la circulación de solvente entre las partículas y dificultan su separación del solvente provocando que las partículas de sólido puedan ser arrastradas con el solvente.

Equipo s de extracción

Se clasifican en dos categorías principales según el tipo de contacto: • Los que realizan la lixiviación por percolación. • Aquellos en que las partículas sólidas se dispersan en un líquido y,

posteriormente, se separan de él. Para la percolación existen dos tipos: •Percoladores por cargas •Percoladores continuos Percoladores por cargas

Se trata de un gran tanque circular o rectangular de fondo falso. Los sólidos que se van a lixiviar se dejan caer al tanque hasta una profundidad uniforme. Se rocían con un disolvente hasta que su contenido de soluto se reduce hasta un mínimo y a continuación se excavan. El flujo en contracorriente del disolvente a través de una serie de tanques es habitual, entrando nuevo disolvente al tanque que contiene el material más agotado.  Algunos tanques funcionan a presión, para contener disolventes volátiles o incrementar el índice de percolación. Una serie de tanques a presión que funcionan con flujo de disolvente en contracorriente se denomina batería de difusión.

Los sólidos gruesos se lixivian, también, mediante la percolación en equipos de lecho móvil, incluyendo clasificadores basculantes de plataforma sencilla o Percoladores por cargas Se trata de un gran tanque circular o rectangular de fondo falso. Los sólidos que se van a lixiviar se dejan caer al tanque hasta una profundidad uniforme. Se rocían con un disolvente hasta que su contenido de soluto se reduce hasta un mínimo y a continuación se excavan. El flujo en contracorriente del disolvente a través de una serie de tanques es habitual, entrando nuevo disolvente al tanque que contiene el material más agotado. Algunos tanques funcionan a presión, para contener disolventes volátiles o incrementar el índice de percolación. Una serie de tanques a presión que funcionan con flujo de disolvente en contracorriente se denomina batería de difusión. P er c o l a d o r e s c o n t i n u o s

Los sólidos gruesos se lixivian, también, mediante la percolación en equipos de lecho móvil, incluyendo clasificadores basculantes de plataforma sencilla o múltiple, equipos de contacto mediante cestos y transportadores horizontales de bandas. Estos son: -Extractor tipo Bollman -Extractor tipo Rotocel -Percolador de banda sinfín -Extractor tipo Kennedy E x t r ac t o r t i p o B o l l m a n

Este tipo de extractor es muy peculiar, ya que cuando trabajamos con sólidos resulta muy difícil operar de forma continua, sin embargo este tipo de extractor lo permite. Es una unidad elevadora de cestas diseñada para manejar de 2.000 a 20.000 kg/h de sólidos desmenuzables. Los cubetos (cestas) con el fondo perforado se colocan en una banda con movimiento sinfín. Los sólidos secos, alimentados a los cestos que descienden, se rocían con disolvente parcialmente enriquecido. Al elevarse, los cestos, en la otra sección de la unidad, los sólidos se rocían con disolvente puro en contracorriente. Los

sólidos agotados se descargan de los cestos, en la parte superior de la unidad, a un transportador de palas; y el disolvente enriquecido se impulsa desde el fondo de la unidad.

Extractor tipo Rotocel

Está formado por compartimentos en forma de sectores anulares, con pisos permeables al líquido que giran alrededor de un eje central. Los compartimentos pasan de forma sucesiva por el punto de alimentación, por un conjunto de rociadores de disolvente, una sección de drenaje y una de descarga (donde el fondo tiene una abertura para descargar los sólidos extraídos). La zona de descarga es contigua al sector o zona de alimentación. La extracción en contracorriente se logra con la alimentación de disolvente fresco, únicamente en el último compartimento anterior a la descarga, y lavando los sólidos en cada compartimento con el efluente recirculado que procede del compartimento siguiente.

Perc olad or d e band a sin fín

Es similar al Rotocel, pero la alimentación, la pulverización de disolvente, el drenaje y los puntos de descarga son lineales en vez de circulares.Algunos ejemplos son el extractor del tipo Smet de banda (sin compartimentos) y el de tipo Lurgi de banda con bastidores (con compartimentos).

E x t r ac t o r t i p o K e n n e d y

En este equipo, el disolvente fluye por gravedad de cámara a cámara, en contracorriente con el movimiento de los sólidos. Está compuesto por una serie lineal de cámaras horizontales a través de las cuales se desplazan, en sucesión, los sólidos a lixiviar por medio de un impulsor, de velocidad lenta. Existe la posibilidad de efectuar drenajes entre las etapas cuando el impulsor provoca la elevación de los sólidos por encima del nivel de líquido antes de vaciarlos en la siguiente cámara.

En aquellos en que las partículas sólidas se dispersan en un líquido y, posteriormente, se separan de él, se dan dos tipos: •Lixiviación de una dispersión de sólido. •Lixiviación continua de las dispersiones de sólidos

Lixiviación de una dispersión de sólido Dentro de este tipo explicaremos varios equipos tales como: -Tanques agitados por cargas -Tanques Pachuca 

Tanques agitados por cargas

Estos tanques son agitados mediante impulsores coaxiales (turbinas, paletas o hélices) que se utilizan habitualmente para la disolución por cargas de sólidos en líquidos. Lixiviación de una dispersión de sólido: Tanques agitados por cargas La principal función del agitador es proporcionar disolvente no agotado a las partículas de material durante el período que se encuentran en el tanque y circular suavemente los sólidos a través del fondo del tanque o suspenderlos simplemente por encima del fondo. Después de producida la lixiviación se pueden separar los sólidos mediante el asentamiento y la decantación, o con filtros externos, centrífugas o espesadores. Lixiviación de una dispersión de sólido: Tanques Pachuca Los minerales de oro, uranio y otros metales se lixivian con frecuencia por cargas en grandes recipientes agitados, mediante aire, que se conocen como

tanques Pachuca. Un tanque típico es un cilindro vertical con la sección de fondo cónica.  Antes de descargar el aire en la superficie del líquido, el aire en el interior provoca una importante circulación, con un sustancial flujo de la mezcla que, posteriormente, desciende por la parte interior del recipiente. Lixiviación continua de las dispersiones de sólidos

Dentro de este tipo explicaremos varios equipos tales como: -El extractor tipo Bonotto vertical de platos -El extractor tipo Hildebrandt de inmersión total

Extractor tipo Bon otto vertical de platos

Consiste en una columna dividida en compartimentos cilíndricos mediante la disposición de platos horizontales espaciados a distancias iguales. Cada plato tiene una abertura radial (rendija) colocada a 180° con respecto a las aberturas de los platos situados inmediatamente por encima y por debajo y que se limpian mediante un raspador radial giratorio. Alternativamente, los platos pueden montarse sobre un eje coaxial y rotar sobre palas estacionarias. Los sólidos caen como una cortina en el disolvente que fluye hacia arriba por la torre. Los sólidos son retirados por el fondo del equipo mediante un tornillo sinfín y un compactador.

Extractor tipo inm ersión total

Hildebrandt

de

En este equipo, La superficie helicoidal se perfora, para que el disolvente pueda atravesar la hélice en contracorriente. Los tornillos sinfín están diseñados de modo que permitan la compactación de los sólidos durante su paso por la unidad. Existen ciertas posibilidades de que se produzcan pérdidas de disolvente y un flujo excesivo de alimentación, por lo que el funcionamiento más adecuado está limitado a sólidos ligeros y permeables.

Equilibrio

En la lixiviación, siempre que esté presente una cantidad suficiente de solvente para disolver todo el soluto que entra con el sólido y no exista adsorción del soluto por el sólido, el equilibrio se alcanza cuando el soluto se disuelve por completo y la concentración de la solución que se forma es uniforme. Tal condición puede alcanzarse fácilmente o con dificultad, dependiendo de la estructura del sólido. Estos factores se consideran al tratar la eficiencia de las etapas. Ahora se supondrá que se cumplen las condiciones necesarias para que se alcance el equilibrio. Por tanto, la concentración del líquido retenido por el sólido que sale de una etapa cualquiera es la misma que la del líquido que sobrefluye de la misma etapa. La relación de equilibrio es simplemente  X e = y. El equilibrio se alcanza cuando el soluto se disuelve por completo y la concentración de la disolución es uniforme.

Línea de operación

La ecuación de la línea de operación se obtiene aplicando balances de materia a la parte de la cascada que contiene las n primeras unidades, tal como se representa por medio de la superficie de control indicada por las líneas de trazos discontinuos en la figura 23.2. Estos balances son Solución total: Vn+1 +La = Va + Ln Soluto: Vn+1 + Y n+1 + LaXa = LnXn + VaYa Despejando Y n+1  se obtiene la ecuación de la línea de operación, que es la misma que se ha deducido para el caso general de una cascada de etapas de equilibrio [ecuación (20.7)]:

Como es habitual, la línea de operación pasa por los puntos (Xa, Ya) Y (Xb, Yb) y, si las velocidades de flujo son constantes, la pendiente es L / V.  Flujo inferior (o refinado) constante y variable

Han de considerarse dos casos. Si la densidad y la viscosidad de la solución varían en forma considerable con la concentración de soluto, los sólidos procedentes de las etapas con numeración más baja pueden retener más líquido que los de las etapas con numeración más alta . Por tanto, tal como indica la ecuación (23.3), la pendiente de la línea de operación variará de una unidad a otra. Sin embargo, si la masa de la solución retenida por el sólido es independiente de la concentración, Ln es constante y la línea de operación es recta. Esta condición recibe el nombre de flujo inferior (o flujo refinado) de solución constante. Si el flujo inferior es constante, también lo es el flujo superior (extracto o sobreflujo). El flujo inferior constante y variable se dan en consideraciones separadas.

4.2.2. Lixiviación en una etapa

En la lixiviación de una sola etapa no existe un punto de recirculación en el proceso puesto que no se la intención agotar el residuo o este no nos permite llevar a cabo multiples etapas En la lixiviación en una sola etapa de aceite de soya extraído de escama de soya con hexano, 100 kg de soya que contienen 20% de aceite en peso se tratan con 100 kg de hexano. El valor de N para la corriente inferior de suspensión es esencialmente constante e igual a 1.5 kg de sólido insoluble/kg de solución retenida. Calcule las cantidades y las composiciones de la corriente de derrame VI y de la suspensión LI que

F lu jo del proceso y balance de materi a para li xi viación en una sola etapa: a) f lu jo del proceso, b) balance de materia.

Solución: El diagrama de flujo del proceso las variables del proceso de valor

conocido son: El flujo de entrada de disolvente V2 = 100 kg, XA2= 0 XC2 = 1 Para la corriente de entrada de la suspensión, B = 100(1.0 - 0.2) = 80 kg de solido insoluble, Lo=100(1 -0.8) = 20 kg A, No = 80/20 = 4.0 kg sólido/kg solución, yAo = 1. Para calcular la ubicación de M, sustituyendo en las ecuaciones:

Y despejando: Lo + V2 =20 + 100= 120kg=M Lo YA0 + V2XA2 = 20(1.0) + 100(0)= 120 XAM

Por consiguiente XAM = 0.167. B = NoLo = 4.0(20)= 80 = Nm(120) NM= 0.667

En la figura se grafíca el punto M junto con V2 y Lo. Se traza la línea de unión vertical localizando los puntos LI y VI en equilibrio entre sí. Entonces, NI = 1.5, yAl = 0.167, xA 1 = 0.167. Sustituyendo en (12.9-4) y (12.9-6) y despejando o usando la regla del brazo de la palanca, LI = 53.3 kg y VI = 66. 7 kg.

4.2.3. Lixiviación en etapa múltiple Con objeto de “agotar el residuo” y que el extracto salga con mayor

concentración de soluto, se utiliza lixiviación de múltiples etapas a contra corriente.  Al igual que en la lixiviación de una sola etapa, se consideran 4 flujos o corrientes: f= alimentación e= extracto w= residuo s= solvente

El número de etapas requeridas para cada caso en particular, se determina mediante Métodos Gráficos.  Además, normalmente se tienen más de 4 incógnitas y como solo se dispone de 4 ecuaciones de Balance Global de Masa, debe recurrirse a Métodos Gráficos para su solución. Para este sistema, se debe considerar los mismos balances que en la extracción en una etapa, con la diferencia de que ahora se tratan de varias etapas, con los respectivos flujos de entrada y salida.

Conclusión Unidad 3 La cristalización es una operación de transferencia de materia en la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en un fundido). Destaca sobre otros procesos de separación por su potencial para combinar purificación y producción de partículas en un solo proceso. En bastantes ocasiones se puede recuperar un producto con una pureza mayor del 99% en una única etapa de cristalización, separación y lavado. Controlando las condiciones del proceso se obtiene un producto sólido constituido por partículas discretas de tamaño y forma adecuados para ser directamente empaquetado y vendido (el mercado actual reclama productos con propiedades específicas).

Precisa menos energía para la separación que la destilación u otros métodos empleados habitualmente y puede realizarse a temperaturas relativamente bajas.

Unidad 4 La lixiviación, o extracción sólido-líquido, es un proceso en el que un  disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido.  Algunos ejemplos de esta operación unitaria son: la extracción de azúcar de remolacha con agua, la extracción de aceites vegetales de semillas de algodón, ajonjolí, soya, cacahuate y lino mediante el uso de solventes orgánicos derivados del petróleo, la preparación industrial del café, té y la extracción de algunos jugos. Bibliografía https://eva.fing.edu.uy/pluginfile.php/43380/mod_resource/content/0/08_Extracc ion/Transparencias_Solido_Liquido_am.pdf http://www.uhu.es/prochem/wiki/index.php/Lixiviaci%C3%B3n Procesos de transporte y operaciones unitarias. C. Geankoplis. Tercera edición