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Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Química Ingeniería de Ejecución en Procesos Químicos IQ-821-1 Operaciones Unitarias III Profesor: María Esperanza Gálvez Ayudante: Natalia Rojas

Informe Nº5: Extracción Por Solvente en Columna de Contacto Continuo y Contracorriente

Integrantes Luis Díaz Fecha Realización Viernes 28 de Noviembre Fecha Entrega martes 9 de Diciembre

RESUMEN

En el presente informe se planteara el proceso de laboratorio de extracción liquido – liquido por medio de una columna de extracción continua y de configuración en contracorriente para la extracción de Acido Benzoico. Para esta experiencia se lleva a cabo de manera continua y una agitación constante para un sistema Kerosene – Agua –Acido Benzoico, que como primera instancia se introduce como flujo principal mezcla entre kerosene y Ac. Benzoico para tratarlo con solvente (agua). Ya mezclado y obteniendo un tiempo de residencia de 3,16 min y una concentración de 16 gpl del acido, se obtienen muestras que al titularlas con NaOH se pueden obtener las concentraciones extraídas por el proceso. La importancia de este proceso finalmente es obtener los balances de masas pertinentes, para calcular la extracción del Acido benzoico, que es el soluto a extraer. Para este caso en particular la eficiencia de extracción es de un 72,5% y para la columna representa 6 etapas de extracción, deduciendo que es mas efectiva que un sistema de Netapas para un mismo proceso.

OBJETIVOS Objetivos generales:



Realizar balances de materia y evaluar el desempeño de un proceso de extracción en fase líquida en una columna de contacto continuo.

Objetivos específicos:

   

Realizar los balances de materia y representar la línea de operación para el flujo a contracorriente Determinar el número de etapas teóricas a las que equivale la columna de contacto continuo Evaluar el desempeño del sistema mediante el cálculo del % de extracción Determinar el coeficiente global de transferencia de masa basado en el orgánico

MARCO TEORICO TRANSFERENCIA DE MATERIA MECANISMOS 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.

EXTRACCIÓN LIQUIDO – LIQUIDO La extracción líquida, llamada algunas veces extracción con disolventes, es la separación de los componentes de una solución líquida por contacto con otro líquido insoluble. Si las sustancias que componen la solución original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases líquidas, se puede lograr cierto grado de separación, que puede incrementarse mediante el uso de contactos múltiples o su equivalente en la forma de la absorción de gases y la destilación. Por ejemplo, si una solución de ácido acético en agua se agita con un líquido como acetato de etilo, parte del ácido, pero relativamente poca agua, entrará en la fase éster. Puesto que las densidades de la capa acuosa y la del éster son diferentes en el equilibrio, se separarán al cesar la agitación; también se pueden separar por decantación. Puesto que ahora la relación de ácido a agua en la capa de éster es diferente de la relación de la solución original y distinta también de la relación de la solución acuosa residual, se ha logrado cierto grado de separación. Este es un ejemplo de contacto por etapas; puede llevarse a cabo en lotes o en forma continua. El agua residual puede extraerse repetidamente con más éster para reducir más aún el contenido de ácido, o se puede re arreglar una cascada a contracorriente de etapas. Otra posibilidad es utilizar algún tipo de aparato de contacto continuo a contracorriente, en donde no se tienen etapas discretas. La utilización del reflujo, como en la destilación, puede mejorar más aún la separación final. En todas las operaciones de este tipo, la solución que se va a extraer se llama alimentación y disolvente el líquido con el cual se pone en contacto la alimentación. El producto de la operación rico en disolvente se llama extracto; el líquido residual de donde se separó el soluto es el refinado. En procesos más complicados se pueden utilizar dos disolventes para separar los componentes de una alimentación. Por ejemplo, una mezcla de ácido p- y onitrobenzoico puede separarse distribuyendo los ácidos entre cloroformo y agua, que son líquidos insolubles. El cloroformo disuelve preferencialmente al isómero para y el agua al isómero orto. A esto se le llama extracción con doble disolvente o fraccionada.

APLICACIONES DE UTILIDAD Las aplicaciones de la extracción líquida se clasifican en varias categorías: aquellas aplicaciones en 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 separación; 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 diluida 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 extracción 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. 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. El Tántalo y el Niobio se pueden separar mediante una tediosa cristalización fraccionada de los fluoruros dobles con potasio; en contraste, su separación es bastante sencilla por extracción líquida de las soluciones de ácido fluorhídrico con metilisobutilcetona (MIK). 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, hafnio-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 químicasinorgánicas como ácido fosfórico, ácidos bóricos y similares, 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.

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 -penicilina, por ejemplo-, se producen en mezclas tan complejas que sólo la extracción líquida es un método adecuado de separación. MODOS DE OPERACIÓN Son muy variadas las formas a la que se lleva a cabo la extracción líquido-líquido, normalmente se trabaja en forma continua, ya sea por etapas ó contacto continuo. a. Contacto por Etapas.- Puede realizarse de diversas maneras según la forma como el disolvente extractor se mezcla con el líquido alimentado

La extracción líquido – líquido es análoga a la absorción. El disolvente se introduce por el extremo inferior de la columna con una inspección de gotas que ascienden a través de la alimentación que es la fase continua alimentada por el extremo superior de la columna. La columna puede llenarse de anillos cerámicos o algún otro dispositivo, tal como, discos giratorios, platos punzantes ó un anillo giratorio para mezclar en forma continua las dos fases y hacer que se realice la separación, el disolvente contenido en la corriente de extracto y del refinado deben separarse y recircularse para la economía de la operación, y eso se consigue por destilación. EQUILIBRIO LÍQUIDO

La extracción 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. EQUILIBRIO ENTRE DOS FASES LÍQUIDAS MISCIBILIDAD Y COEFICIENTES DE DISTRIBUCIÓN

El agua el MIBK (Metil Isobutil Cetona) son ejemplos de líquidos parcialmente miscibles; serian inmiscibles si una de las fases contuviera una cantidad insignificante de agua y la otra una cantidad despreciable de MIBK. Si se agrega una tercera sustancia a una mezcla liquida de dos fases, se distribuye según su solubilidad relativa en cada fase. Por ejemplo, la acetona es soluble en agua y en cloroformo (dos líquidos casi inmiscibles), pero es mucho más soluble en cloroformo. Si una mezcla de acetona y agua se pone en contacto con cloroformo, una porción sustancial de la acetona entrara a la fase rica en cloroformo. La separación de la acetona y el agua puede lograrse entonces con facilidad, permitiendo que la mezcla repose y se separe en dos fases. Suponemos que A y S son dos líquidos casi inmiscibles y B es un soluto distribuido entre las fases de una mezcla A-S. El coeficiente de distribución (llamado también razón de partición) del componente B, es la proporción de fracción másica de B en la Fase S respecto de la fase A. A continuación se muestra una tabla la cual contiene una lista de los coeficientes de distribución de diversos sistemas líquidos ternarios (tres componentes).

Tabla 1. Coeficientes de Distribución K de sistemas de tres componentes, a distintas condiciones.

DIAGRAMA DE FASES PARA SISTEMAS TERNARIOS El comportamiento de los sistemas ternarios (de tres componentes) parcialmente miscibles puede representarse en un diagrama de fases triangular, el cual puede tomar la forma de triángulo equilátero (como se ve en la figura 3 para H2O-MIBKAcetona a 25° C), o de triangulo rectángulo. Este último es más fácil de construir sobre ejes rectangulares, aunque ambas formas son igualmente fáciles de usar. En ambos casos, cada vértice del triángulo representa un solo componente y las aristas representan soluciones binarias. Por ejemplo, la arista B de la figura 3 representa las soluciones de H2O y acetona. El punto K representa una mezcla que contiene 20.0% en peso de MIBK, 65.0% de acetona y 15.0% de agua. Cualquier mezcla cuya composición caiga en la región A, como el punto K, es un líquido en una sola fase, mientras que cualquier mezcla cuya composición total este dentro de la región B se separará en dos fases. Las líneas que se muestran en la región B (líneas de enlace) conectan las composiciones de las dos fases liquidas en equilibrio entre sí. Por ejemplo, si se combinan MIBK, agua y acetona de modo que se obtenga una mezcla con composición total en el punto M [55.0% en peso de agua, 15% de acetona y 30.0% de MIBK], la mezcla se separa en fases con las composiciones dadas por los puntos L [85% en peso de agua, 12% de acetona, 3% de MIBK] y N [4% en peso de agua, 20% de acetona, 76% de MIBK]. Cuando una mezcla no cae sobre una línea de enlace, es necesario interpolar las r las líneas para determinar la composición de cada fase. La regla de las fases de Gibbs demuestra que en una mezcla de tres componentes que forme dos fases liquidas en el equilibrio, tiene tres grados de libertad. Si la presión (que en cualquier caso ejerce poco efecto sobre las propiedades del líquido) y la temperatura son fijas, queda un grado de libertad. La especificación de la fracción molar de uno de los componentes de ambas. Por ejemplo (haciendo referencia a la figura 3), al especificar que la fracción en peso de acetona es 0.25 en la fase rica en MIBK, se fija la composición de esa fase y la de la fase rica en agua.

BALANCE DE MATERIA DE EXTRACCIÓN EN UNA SOLA ETAPA

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL COLUMNA DE OPERACIÓN

Figura de Columna de Extracción

EQUIPOS    

2 Bombas peristálticas Columna de extracción 2 agitadores Balanza

MATERIALES

        

Probeta 10 ml 2 Probeta de 100 ml 1 Probeta de 1 lt Cronometro Vidrio de reloj 2 Pipetas 1 gotero 2 Peras 2 Pedestales

REACTIVOS UTILIZADOS     

Kerosene Acido Benzoico Agua Fenolftaleína Hidróxido de Sodio

DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA La columna, disponible en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, es una columna agitada de contacto continuo. El componente a extraer es ácido benzoico disuelto en kerosene, el cual será extraído con agua. Las variables de operación que deben manipularse correctamente para el adecuado comportamiento del sistema (transferencia de masa y separación de fases), son los flujos y la velocidad de agitación. La concentración inicial de la solución, debe asegurar que se trabajará en la zona heterogénea. Al inicio del laboratorio se entrega la concentración de la solución a extraer, además, los flujos de la fase acuosa y de la fase orgánica y se ajustará la velocidad de agitación. Las soluciones serán tituladas con NaOH, para obtener la masa de ácido benzoico que se encuentra en el refino y extracto.

DIAGRAMA DE FLUJO DE LA COLUMNA

Figura de Diagrama de Columna

RESULTADOS Tabla 2 Datos Iniciales Dencidad (Ac.Ben+Kerosen) Dencidad NaOH Keroseno Ac. Benzoico PM ac.ben PM NaOH alicuota

0,764 2,13 12 19,2 122,12 40 10

gr/L gr/ml L gr gr/gmol gr/gmol ml

Tabla 3 de Datos de muestras

muestra 1 2

NaOH Organico(ml) Acuoso(ml) 2,200 0,300 2,600 0,600

NaOH Organico(gr) Acuoso(gr) 4,686 9,98118 5,538 11,79594

Tabla 4 mol y Masas del Acido Benzoico de Fase Orgánica y Acuosa NaOH masa Acido Benzoico Acuoso(mol Organico(mol) ) M organico M acuoso 0,117 0,250 14,306358 4,893642 0,138 0,295 16,907514 2,292486 Promedio(g) Ac. Benzoico 15,606936 3,593064 Porcentaje Ac. Benzoico 81% 19%

X1 X2 2,0942408 0,5756136 38 13 Y1 Y2 2,0427926 0 7 Rendimiento de Extracción = 72,5%

BALANCE DE MASA EN EQUIPO

m3=3,593064 kg ac . benzoico extracto m1=15,606936 kg ac benzoico refino m2=9,58792 kg Keroseno m4=20 kg Agua

Para el cálculo de etapas teoricas se utiliza un simulador que arroja el siguiente grafico:

Figura 3 Gráfico De Numero de Etapas con respecto al solvente mínimo

CONCLUSIONES Y DISCUSIONES

Se trabajó con la primeras 2 muestras extraídas de la columna, esto se debe a que las bombas peristálticas son muy sensibles a los movimientos, como en primer lugar se calibró para que ambas tuvieran un flujo equitativo para un tiempo de residencia de 3,16 min, pero arreglo me líneas o mangueras el sintonizador de flujo a partir de la tercera muestra cambio y esto afecto al proceso, ya que hizo que la columna se rebalsara. Otro problema se vio al momento de rebalse de la columna, para resolver este problema se procedió a vaciar la columna, con un pequeño porcentaje de apertura para no estropear el proceso, y esto sucedió porque la manguera de salida de la extracto se estrangulo, entonces por causa de esto y sumado al cambio del flujo de las bombas cambió el tiempo de residencia, por consiguiente, las 3 muestras restantes no son representativas para el proceso.

Para el calculo de etapas teóricas se utilizo un simulador desarrollado por la UPV (España), que genera un grafico solo para el sistema en contracorriente, dando asi 6 etapas teóricas. Se obtuvo un rendimiento de extracción del 72,5% y con el grafico efectuado por un simulador, la columna representa 6 etapas de extracción, esto quiere decir que la columna es mucho mas eficiente si lo comparamos con un equipo de agitación primaria y luego sedimentación, ya que en la teoría se necesitarían mas etapas para extraer y cargar el orgánico que al realizarlo en la columna. Se esperaba un rendimiento de extracción mas bajo, ya que al perder fluido de proceso se infiere que la recuperación seria menor, o también se infiere que al tener estas 2 muestras el porcentaje de extracción es mayor.

RECOMENDACIONES Se recomienda cambiar las bombas peristálticas ya que son difíciles de calibrarlas y además son sensibles a vibraciones, también presentan fugas a la salida de ellas, esto puede afectar el flujo y tiempo de residencia.

Se recomienda analizar bien el sistema en la línea de descarga del orgánico, ya que al estrangularse la columna tiende a rebalsar y esto afecta al proceso en 2 frentes importantes como es el tiempo de residencia y la continuidad del proceso. Se recomienda el uso riguroso de los implementos de seguridad para que en casos de que cualquiera sean los reactivos o en este caso fallas en el sistema, estar preparado para manejar la situación.

BIBLIOGRAFIA 

Robert Treybal, Transferencia de Masa, Editorial Mc Graw Hill, Segunda Edición.



Apuntes de clases, Profesora María Esperanza Gálvez.



Frabrizzio Valer Gómez, Columna de Extracción liquido – liquido, diseño y análisis del equipo, Escuela profesional de ingeniería química, 2009, en línea. Diseñohttp://dspace.universia.net/bitstream/2024/893/1/PROYECTO+PARTE+1.pd f



Simulador de Procesos Liquido – Liquido UPV (España), en línea. https://laboratoriosvirtuales.upv.es/eslabon/asm44/default.aspx

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ANEXOS Ejemplo de cálculos

ρ Ac benzoico: 1,27

ρ

Kerosene: 0,800

gr ml gr ml

ρ Agua: 1

ρ=

m v

gr ml m=ρ∗v

9600 kg Kerosene + 19,2 Kg Ac. Benzoico = 9619,2 kg =9,6192 gr

19,2∗100 96 19,2 = 0.2% Ac benzoico 9600∗100 9619,2

= 99.8% Kerosene

Para obtener la Densidad de Mezcla

1 Xa Xb = + ρ ρ a ρb 1 0.001 996 0.998 = + =0,800519 gr /ml ρ 1.27 0,800 ρ=0,800519

gr ∗12000 ml=96071 gr=9,6071 kg ml

gr ∗1 kg ml H 20=20 000 ml∗1 =20 kg 1000 gr

m1=Kg de Acido benzoico m2=Kg de Kerosene m3=Kg de Acido benzoico m4=Kg de agua

Balance Agua E=S

m4=20 kg

Balance kerosene 9,6071 * 0.998 =

m2=9,58792 kg

m3=3,593064 kg ac . benzoico extracto m1=15,606936 kg ac benzoico refino m2=9,58792 kg Keroseno m4=20 kg Agua

k=

X extracto m3∗( m3 +m4 ) 3,593064∗( 3,593064+20 ) = = =0.21 X refino m1∗( m1+ m2 ) 15.6069∗( 15.6069+9,58852 )

Rendimiento de extracción.

=

2,09424−0,5756 x 100=75,5 2,09424