La separación por extracción de los componentes de una solución puede llevarse a cabo de diferentes maneras.

EXTRACCIÓN EN FASE LÍQUIDA: MÉTODOS

La naturaleza del solvente empleado. Clasificación de

acuerdo a:

La disposición física del equipo empleado.

Comprende a los sistemas ternarios o los que pueden reducirse al equivalente de tres componentes: los dos que han de separarse y el solvente

Según la naturaleza del solvente

Extracción con un solo solvente

Extracción con solvente mixto

Extracción con doble solvente

Extracción con un solo solvente

Solvente es una mezcla de varias sustancias y en el cual las relaciones de solubilidad son de tal naturaleza que no es factible la simplificación a un sistema ternario. Extracción con

solvente mixto Mejorar alguna propiedad de extracción del solvente, como selectividad, capacidad para disolver o alguna propiedad física, como su punto de congelación o su viscosidad.

Extracción con doble solvente

Comprende las disposiciones en que la mezcla a separar (constituida por dos o más componentes) se distribuye entre dos solventes inmiscibles. En este caso, los sistemas contienen por lo menos cuatro componentes.

Tipo de contacto entre la solución que ha de separarse en sus componentes y el solvente

Contacto continuo

Contacto por etapas

Según la disposición física de los equipos

Equipos en que la alimentación y el solvente se ponen en contacto íntimo, se deja que ocurra la extracción y se sedimentan las fases inmiscibles, que se retiran por separado.

Contacto por etapas

Esta operación se puede llevar a cabo por lotes o en flujo continuo.

Si la operación es por lotes, es probable que el mismo equipo sirva para las dos cosas: mezcla y sedimentación.

Si la operación es en flujo continuo la mezcla y la sedimentación se realizarán en distintos equipos.

Contacto continuo

La alimentación y el solvente fluyen en contracorriente, lo que se consigue en virtud de la diferencia entre sus densidades.

Cuando la fuerza impulsora del flujo es la gravedad, los equipos suelen tener forma cilíndrica vertical, de modo que el líquido denso ingresa por el extremo superior mientras que el líquido ligero lo hace por el extremo inferior.

También se puede generar una fuerza centrífuga, en cuyo caso la dirección general del flujo es radial respecto al eje de revolución, el cual puede ser vertical u horizontal.

EQUIPOS PARA LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO – LÍQUIDO

Mezcladores – sedimentadores Columnas extractoras estáticas y con agitación Extractores Centrífugos

Los equipos de extracción líquido – líquido de importancia desde el punto de vista comercial pueden clasificarse en las siguientes categorías:

Mezcladores – sedimentadores

Son generalmente una serie de mezcladores estáticos o con agitación, con etapas de sedimentación colocadas entre los mezcladores.

La agitación puede realizarse por la acción rotatoria de un impulsor, por el empleo de un gas o por agitación de todo el recipiente; siendo frecuente el uso de alguna forma de impulsor rotatorio.

Ingreso Fase pesada

Ingreso Fase ligera

Salida Fase ligera

Salida Fase pesada

Cámara de mezclado

Cámara de sedimentación

Ingreso Fase pesada

Ingreso Fase ligera

Salida Fase ligera

Salida Fase pesada

Cámara de sedimentación

Cámara de mezclado

En cambio, cuando la operación es en flujo continuo, es común que la mezcla y la sedimentación se hagan en equipos separados.

En una operación por lotes, el equipo puede ser un simple recipiente donde la alimentación y el solvente son mezclados y después son sedimentadas las fases producto.

Son mayormente utilizados en la industria metalúrgica dado que los procesos de extracción requieren de un intenso mezclado y un alto tiempo de residencia

Desventajas

Ocupa espacios grandes

Alto costo de instalación

Alto costo de operación

Ventajas

Eficiente

Ambiente de poca altura

Induce a un buen contacto

Se puede usar cualquier número de etapas

En muchos casos de aplicación industrial, la separación que ha de hacerse requiere más de una etapa de extracción. Estas etapas múltiples se pueden conectar para flujo cruzado o flujo en contracorriente.

Son más populares en la industria química. Se consigue el flujo a contracorriente de los dos líquidos en contacto, debido a la diferencia entre sus densidades.

Columnas extractoras en contracorriente

Estas columnas pueden ser estáticas o con agitación.

El líquido denso ingresa por el extremo superior y desciende, mientras que el líquido ligero lo hace por el extremo inferior y asciende.

Columnas estáticas

Columna de riego

Columna de platos perforados

Columnas con relleno (al azar y estructurado)

Columnas con agitación (rotatorias)

Columna con discos rotatorios

Columna Scheibel

Columna Kuhni

Columnas con agitación (reciprocantes)

Columna Karr

Columna pulsatoria

Columnas estáticas

Ventajas

Bajos costos de operación Bajos costos de inversión

Desventajas

Ambiente de gran altura

Dificultad de escalado Menos eficiente que mezclador - sedimentador

Las columnas de riego son los extractores de contacto continuo más simples, donde se dispersa uno de los líquidos en una columna hueca, solamente provista de medios que permiten el ingreso y salida de los líquidos ligeros y densos.

Son muy limitadas dado que sus propiedades de transferencia de masa no permiten un alto grado de separación.

Ingreso líquido denso

Ingreso líquido ligero

Salida líquido denso

Salida líquido ligero

Ingreso líquido ligero

Salida Líquido denso

Ingreso líquido denso

Salida líquido ligero

En las columnas con placas perforadas, se dispersa de manera repetida uno de los líquidos, el cual burbujea a través de los orificios de la placa.

La fase continua fluye a través de las placas perforadas horizontales, y de placa a placa lo hacen por medio de conductos descendentes.

Este tipo de extractores se utilizan mucho en la industria del petróleo y sus derivados.

Ingreso líquido ligero

Salida líquido denso

Ingreso líquido denso

Salida líquido ligero

La operación es necesariamente en flujo continuo y al mismo tiempo las dos fases inmiscibles están en contacto continuo a lo largo de toda la columna.

Las columnas con relleno se caracterizan por proveer altas velocidades de transferencia de masa.

Los rellenos utilizados pueden ser volcados al azar o algún tipo de relleno estructurado.

La presencia del relleno puede aumentar la turbulencia o afectar de otro modo las propiedades del flujo, pero reduce el espacio disponible para el flujo del líquido y como consecuencia estas torres tiene un menor capacidad de flujo por unidad de área de sección transversal, si se comparan con torres de riego.

Se aplican en casi todos los procesos de extracción comerciales, pero son inadecuadas para líquidos que tienen sólidos en suspensión.

Columnas con agitación

Ventajas

Bajos costos de inversión Buena dispersión Se puede usar cualquier número de etapas

Desventajas

Dificultad para separar líquidos con poca diferencia de densidad No permite ratios altos de flujo

Salida líquido ligero Ingreso

líquido denso

Ingreso líquido ligero

Salida líquido denso

Las columnas con discos rotatorios cuentan con dispositivos tales como tabiques en forma de anillo, que dividen al extractor en varios pequeños compartimientos.

Así mismo, cuentan con un eje central sobre el que están dispuestos una serie de discos planos, para cada compartimiento, y que proporcionan la agitación mecánica.

Salida líquido ligero Ingreso

líquido denso

Ingreso líquido ligero

Salida líquido denso

El diámetro de los discos debe ser menor que las aberturas que dejan los tabiques.

Se aplican en casi todos los procesos de extracción de la industria petrolera.

The AP Column consists of a series of mixing chambers in which turbine propellers are mounted on a central shaft. A section of specially designed structured packing elements contained within baffles is located above and below each mixing stage. These sections of packing not only separate the mixing compartments from each other, but also serve to coalesce the dispersed phase between the stages. According to the supplier, this allows the column to create much finer dispersions than can be created in other rotating columns, without a corresponding loss of throughput capacity. The column is suited for applications where a fine dispersion (high interfacial area) is required by process due to either mass transfer or reaction kinetics limitations.

Rotating Impeller column

Salida líquido ligero

Ingreso líquido denso

Ingreso líquido ligero

Salida líquido denso

Impulsor

Malla

La columna extractora Scheibel cuenta con dos diseños.

El primer diseño corresponde a uno de los primeros equipos de contacto continuo con agitación mecánica

La columna consta de una serie de compartimientos alternos agitados con impulsores situados en el centro, con otros llenos de una tela metálica de tejido abierto.

Suited for applications that require a significant number of theoretical stages or where headroom is limited, the Scheibel Column consists of a series of impellers mounted on a central shaft. Each of these impellers is contained within a set of horizontal inner baffles, which direct the mixed fluids rapidly toward the vessel wall. There, horizontal outer baffles provide a settling zone for the light and heavy phases, and also serve to redirect the phases back toward the vessel center. This arrangement of baffles promotes a high degree of radial mixing while minimizing axial mixing.

El segundo diseño, es un diseño más moderno. En este equipo, los tabiques fijos de forma anular están colocados directamente por encima y por debajo del impulsor, además de contar con tabiques en forma de anillo dentro de la columna.

Malla

Tabique anular

Impulsor

Columna Karr : Plato Reciprocante

La columna de platos reciprocantes Karr consiste en una serie de placas perforadas con orificios de gran diámetro y una gran área de sección transversal libre, montados en un eje central reciprocante.

El movimiento reciprocante (movimiento oscilante) imparte energía a los líquidos, creando gotitas y proporcionando así un área interfasial de modo que la transferencia total pueda tomar lugar. A lo largo del eje, junto con las placas perforadas se ubican periódicamente placas que actúan como tabiques que impiden el mezclado axial.

Esto promueve un acercamiento cercano a un flujo en contracorriente verdadero y reduce al mínimo la altura equivalente a una etapa teórica (HETS) de la columna.

Columna pulsatoria

La columna pulsatoria consiste en un cilindro que lleva montado en su interior varios arreglos constituidos por un disco y un anillo, unido al fondo de la columna, se encuentra el pulsador.

Se admite aire comprimido en forma alternada, que mueve el pulsador por medio de un arreglo constituido por una válvula solenoide y un contador de tiempo. Cuando el aire ingresa al pulsador, fuerza el líquido hacia abajo, y este desplazamiento origina que suba el líquido en la columna principal. Cuando el aire sale del pulsador, el proceso se invierte.

Esta continua elevación y caída del líquido a través de los discos y anillos origina turbulencia y por lo tanto formación de las gotitas, de modo que tiene lugar la transferencia de masa.

Son equipos de alta velocidad de rotación que tienen la ventaja de un tiempo muy corto de residencia.

Extractores centrífugos

Ventajas

Puede separar líquidos con poca diferencia de densidad Poco tiempo de residencia Pequeña cantidad de almacenado de líquidos

Desventajas Alto costo de instalación Alto costo de operación y de mantenimiento No se puede utilizar muchas etapas

Equipo Ventajas Desventajas

Mezclador-Sedimentador

Eficiente

Ambiente de poca altura

Induce a un buen contacto

Se puede usar cualquier número de etapas

Ocupa espacios grandes

Alto costo de instalación

Alto costo de operación

Columnas estáticas Bajos costos de inversión

Bajos costos de operación Ambiente de gran altura

Dificultad de escalado Menos eficiente que mezclador-sedimentador

Columnas con agitación

Buena dispersión

Bajos costos de inversión

Se puede usar cualquier número de etapas

Dificultad para separar líquidos con poca diferencia de densidad

No permite ratios altos de flujo

Extractores centrífugos

Puede separar líquidos con poca diferencia de densidad

Poco tiempo de residencia

Pequeña cantidad de almacenado de líquidos

Alto costo de instalación

Alto costo de operación y mantenimiento

No se puede utilizar muchas etapas

Ventajas y desventajas de varios tipos de extractores líquido - líquido

Equipo Ventajas Desventajas

Mixer-Settler Efficient

Low head room

Induces good contacting

Can handle any number of stages

Large floor

High set-up costs

High operation costs

Columns

(without agitation)

Small investment costs

Low operating costs

High head room

Difficult to scale up from lab

Less efficient than mixer-settler

Columns

(with agitation)

Good dispersion

Low investment costs

Can handle any number of stages

Difficult to separate small density differences

Does not tolerate high flow ratios

Centrifugal Extractors

Can separate small density differences

Short holding time

Small liquid inventory

High set-up cost

High operating and maintenance costs

Cannot handle many stages

Ventajas y desventajas de varios tipos de extractores líquido - líquido