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La extracción es una operación unitaria de transferencia de masa basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla líquida o que forman parte de un solidó en un disolvente selectivo.
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Fabrizzio Valer Gómez
CAPITULO 2. EXTRACCIÓN
Operaciones Unitarias Extracción
CAPITULO 2. EXTRACCIÓN
2.1 Introducción
La extracción es una operación unitaria de transferencia de masa basada en
la disolución de uno o varios componentes de una mezcla líquida o que
forman parte de un solidó en un disolvente selectivo.
2.2 Diferencias entre extracción
2.2.1 Extracción Líquido-Líquido
La extracción de un componente de una mezcla líquida mediante un
disolvente que presenta en ocasiones ventajas respecto a la separación por
destilación, tiene las aplicaciones siguientes:
• Se encuentran constituyentes claves en grandes concentraciones
• Hay posibilidad de extracción de componentes sensibles al calor, sin
necesidad de realizar una destilación al vacío.
• Las sustancias que no son volátiles, es decir la volatilidad es menor a
la unidad.
• Las combinaciones no se separan fácilmente por medio de
evaporación.
• Es complementario a la destilación
Sólido-Liquido Líquido-Líquido Lixiviación Lavado Percolación
La materia a
extraer está en
el sólido
La materia a
extraer está en el
líquido, el
disolvente debe
ser inmiscible en
el fase líquida
que contiene al
producto
Si el componente
extraído es
valioso, ósea
constituye el
soluto del sólido,
mediante un
disolvente.
Si se pretende
eliminar un
componente no
deseado de un
sólido.
La extracción se
hace mediante un
disolvente caliente
o en su punto de
ebullición.
Fabrizzio Valer Gómez
Página 2
Operaciones Unitarias Extracción
• La selección del disolvente para componentes de naturaleza
química similar, permiten separaciones de grupo de componentes
imposibles de lograr si nos basamos solo en el punto de ebullición.
• Cuando el soluto esta en bajas concentraciones.
• Cuando sea imposible separar la mezcla mediante destilación
fraccionada, debido a la formación de mezclas azeotrópicas, a la
falta de volatilidades, y otros.
Para asegurar el alto grado de extracción es necesario disponer de muchas
etapas de contacto haciendo circular el solvente en contracorriente con el
material a tratarse.
2.2.1.1 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.
1. Contacto por Etapas.- Puede realizarse de diversas maneras según
la forma como el disolvente extractor se mezcla con el líquido
alimentado
a. Contacto Simple
b. Contacto en Contracorriente
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Página 3
Operaciones Unitarias Extracción
c. Contacto Continuo en Contracorriente
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.
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Página 4
Operaciones Unitarias Extracción
EXTRACTOR S, YS
R, XR
E, YE
F0, XF0
2.2.1.2 Balance de materia de extracción en una sola etapa
Balance Total F0 + S = R + E = M
Balance de masa componente “A” F0 (XF0)A + S (YS)A = R (XR)A + E (YE)A = M (XM)A
2.2.1.3 Balance de materia Sistema de extracción de múltiples etapas en
contracorriente PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA FONDO DE LA COLUMNA Simple Multiple S SN+1
R RN
E E1
Balance de Materia Total
F0 + SN+1 = RN + E1 = M Ec. 1
Balance de Masa Componente “C” F0 (XF0)C + SN+1 (YSN+1)C = RN (XRN)C + E1 (YE1)C = M (XM)C Ec. 2
Relacionando ambas expresiones M = F0 + SN+1 F0 (XF0)C + SN+1 (YSN+1)C = M (XM)C
Donde:
S: Flujo de alimentación del solvente o
disolvente E: Flujo de extracto obtenido
F0: Flujo de Alimentación del material
fresco R: Flujo de los lodos o refinados
X: Fracción en peso según las corrientes
de masa de F ó R Y: Fracción en peso según las corrientes
de S ó E
ETAPA 1
R1
E1
F0 ETAPA
2 E3
R2
ETAPA 3
E2 E4
R3
EN
RN-1
ETAPA N
SN+1
RN
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Página 5
Operaciones Unitarias Extracción
( )( ) ( ) ( ) ( )0 N+1 N 10 F N+1 S N R 1 ECC C C
M C0 N+1 N 1
F X +S Y R X +E YX = =
F +S R +E Ec. 3
XA+XB+XC = 1
Aplicación
En una columna de extracción se extrae el alcohol presente en una solución acuosa mediante éter puro, la solución de alcohol tiene 30% en peso de alcohol, e ingresa por la parte superior
de la columna a una velocidad de 0.1030 kg/s, el éter se alimenta por la parte inferior de la
columna a 0.0970 kg/s, se extraerá aproximadamente el 90% del alcohol, es decir la
concentración del alcohol en la corriente acuosa de salida será de 3 %, los datos
experimentales sobre la composición de las 2 fases en equilibrio rica en agua y en éter
aparecen en la siguiente tabla. Determinar:
1. Velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto. 2. La composición de la fase agotada de salida. (Agua casi sin alcohol)
3. La Fase extraída, es decir éter enriquecido con alcohol.
4. Numero de Etapas de extracción necesarias.
Sistema: Alcohol – Éter – Agua
Fracción en Peso de la Fase Fase Acuosa Fase Éter
Alcohol Éter Agua Alcohol Agua Éter 0.000 0.075 0.925 0.000 0.225 0.755 0.100 0.076 0.823 0.090 0.170 0.740 0.200 0.090 0.710 0.175 0.120 0.705 0.310 0.095 0.595 0.250 0.080 0.670 0.440 0.118 0.442 0.290 0.050 0.660 0.530 0.150 0.320 0.310 0.035 0.655 0.645 0.195 0.160 0.330 0.019 0.651 0.750 0.250 0.000 0.350 0.000 0.650
Solución
Datos y Definición de Conceptos Básicos
Fabrizzio Valer Gómez
Página 6
Operaciones Unitarias Extracción
Objetivo a) Velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto
b) Composición de la fase agotada de salida
c) Composición de la fase extraída
d) Numero de Etapas de extracción
Hipótesis: Extracción Líquido – Líquido, en estado estacionario, dicha columna esta libre
de corrosión.
Aplicación de Principios Fundamentales
Extracción
ALIMENTACIÓNF0 = 0.1030 Kg/s(XF0) Alcohol = 0.3
SOLVENTESN+1= 0.0970 Kg/s(ySN+1) Éter = 1
REFINORN =(xRN) Alcohol = 0.03
EXTRACTOE1 =
Es necesario construir un diagrama triangular rectangular para determinar las fases que
se forman y sobre todo las composiciones de cada flujo.
Determinación del punto medio Balance de masa con respecto al éter
( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S E NME E
F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +
( ) ( )
( )0 10 1
0 1
NF N SE EE M
N
F x S yx
F S++
+
⋅ + ⋅=
+
( )0.1030 0 ( )( )
0.0970 10.485
0.1030 0.0970 E Mx
+= =
+
Balance de masa con respecto al alcohol
90 % deExtracción
Columna de Extracción: Solución de alcohol tratada con éter puro
Solución de Alcohol: 30% en peso de alcohol0.1030 kg/s
Éter Alimentado:Éter Puro0.1030 kg/s
RefinadoCorriente Acuosa3% de Alcohol
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Operaciones Unitarias Extracción
( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S A NMA A
F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +
( ) ( )
( )0 10 1
0 1
NF N SA AA M
N
F x S yx
F S++
+
⋅ + ⋅=
+
( ) ( )0.1030 0.3 0.0970 0+( ) 0.1545
0.1030 0.0970 A Mx= =
+
En el diagrama se ubican los puntos que corresponden a las
composiciones del flujo de alimentación y del refino, también el punto
medio.
El punto extrapolado que se muestra en la grafica se denomina punto de
operación, nos sirve para calcular el número de etapas de extracción.
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Operaciones Unitarias Extracción
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
R1R2
E1
E2
F0
M
E3
R3
E4
R4
E5
R5
Alcohol
Éter
Agua
Líneas de ExtracciónLínea limite de la Fase
Punto Experimental de la Línea de Fase
Punto Ubicado
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Página 9
Operaciones Unitarias Extracción
Según el diagrama existen 5 líneas de extracción, esto quiere decir que
hay 5 etapas de extracción. También se pueden determinar las
coordenadas de los puntos E1 y RN.
Determinación de la velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto Balance de Masa Total
0 1 1
1
1 0.2
N N
N
N
F S R E MR E MR E
++ = + =+ =+ =
0 1
0.1030 0.09700.2
NF S MM
M
++ =+ =
=
Balance de masa con respecto al alcohol
( ) ( ) ( ) ( )1 0 11 0 1N NN R E F N SAA A AR x E y F x S y
++⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅
( ) ( ) ( ) ( )1
1
0.03 0.225 0.1030 0.3 0.097 00.03 0.225 0.0309
N
N
R ER E⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅
+ =
Sistema de Ecuaciones
1
1
0.03 0.03 ( 0.03) 0.20.03 0.225 0.0309
N
N
R ER E
− − = − ⋅
+ =
1
1
0.195 0.02490.1277 /0.0723 /
N
EE Kg sR Kg s
===
Respuestas a) Velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto
Extracto E1= 0.1277 Kg/s Fase Agotada o refinado RN = 0.0723 Kg/s
b) Composición de la fase agotada de salida
Composición del Refinado RN o R5 según el diagrama: Alcohol: 3% Éter: 7.5% Agua: 100 – (3+7.5) = 89.5%
c) Composición de la fase extraída
Composición del Extracto E1 según el diagrama: Alcohol: 21.5% Éter: 68.4% Agua: 100 – (68.4+21.5) = 10.1%
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Operaciones Unitarias Extracción
d) Numero de Etapas de extracción. Según el diagrama Nº Etapas = 5
Aplicación
La acetona se extrae empleando clorobenceno a partir de la solución acuosa al 50% en masa
el residuo máximo es de 2% en masa de acetona. Utilizar los datos de equilibrio para el
sistema. Determinar para una mezcla inicial de 100 Kg: 1. Composición y rendimiento de los productos.
2. Numero de Etapas Teóricas de extracción, si se realiza en contracorriente siendo la
correlación entre flujos de 1 es a 1.
Composición de equilibrio de las fases (% en masa)
Capa Acuosa Capa Clorobenceno Agua Acetona Clorobenceno Agua Acetona Clorobenceno
99.89 0 0.11 0.18 0 99.82 89.79 10 0.21 0.49 10.79 88.72 79.79 20 0.31 0.79 22.23 76.98 69.42 30 0.58 1.72 37.48 60.80 58.74 40 1.36 3.05 49.44 47.51 46.28 50 3.72 7.24 59.19 33.37 27.41 60 12.59 22.85 61.07 15.08 25.66 60.58 13.76 25.66 60.58 13.76
Solución
Datos y Definición de Conceptos Básicos
Objetivo: Para 100 Kg de mezcla inicial
a) Composición y rendimiento de los productos
b) Numero de Etapas Teóricas de extracción en contracorriente
Hipótesis: Se considera la extracción Líquido – Líquido, en contracorriente, cuando la
correlación entre flujos es de 1:1
Aplicación de Principios Fundamentales
Solución Acuosa: 50% en peso de acetona
Clorobenceno:Clorobenceno Puro
RefinadoResiduo Máximo2% de Acetona
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Página 11
Operaciones Unitarias Extracción
Extracción
ALIMENTACIÓNF0 = 100 Kg(XF0) Acetona = 0.5
SOLVENTESN+1= (ySN+1) Clorobenceno = 1
REFINORN =(xRN) Acetona = 0.02
EXTRACTOE1 =
La correlación de los flujos es de 0
1
1N
FS +
= , entonces 1100
1 NS +=
Es necesario construir un diagrama triangular rectangular para determinar las fases que se forman y sobre todo las composiciones de cada flujo.
Determinación del punto medio Balance de masa con respecto al clorobenceno
( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S Cl NMCl Cl
F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +
( ) ( )
( )0 10 1
0 1
NF N SCl ClCl M
N
F x S yx
F S++
+
⋅ + ⋅=
+
( )100 0 ( )( )
100 10.5
100 100 Cl Mx
+= =
+
Balance de masa con respecto a la acetona
( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S Ac NMAc Ac
F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +
( ) ( )
( )0 10 1
0 1
NF N SAc AcAc M
N
F x S yx
F S++
+
⋅ + ⋅=
+
( ) ( )100 0.5 100 0+( ) 0.25
200 Ac Mx= =
En el diagrama se ubican los puntos que corresponden a las
composiciones del flujo de alimentación y del refino, también el punto
medio.
El punto extrapolado que se muestra en la grafica se denomina punto de
operación, nos sirve para calcular el número de etapas de extracción.
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Operaciones Unitarias Extracción
Según el diagrama existen 4 líneas de extracción, esto quiere decir que
hay 4 etapas de extracción. También se pueden determinar las
coordenadas de los puntos E1 y RN ó R4.
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Operaciones Unitarias Extracción
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Acetona
Clo
robe
ncen
o
Agua
Punto de Operación
R1R2 F0R3
E1
E2
E3
E4
M
R4
Líneas de ExtracciónLínea limite de la Fase
Punto Experimental de la Línea de Fase
Punto Ubicado
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Operaciones Unitarias Extracción
Determinación del flujo de refinado y extracto Balance de Masa Total
0 1 1
1
1 200
N N
N
N
F S R E MR E MR E Kg
++ = + =
+ =
+ =
0 1
100 100200
NF S MM
M Kg
++ =+ ==
Balance de masa con respecto al Agua
( ) ( ) ( ) ( )1 0 11 0 1N NN R E F N SAguaAgua Agua AguaR x E y F x S y
++⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅
( ) ( ) ( ) ( )1
1
0.9785 0.0141 100 0.5 100 00.9785 0.0141 50
N
N
R ER E
⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅
+ =
Sistema de Ecuaciones
1
1
0.0141 0.0141 ( 0.0141) 2000.9785 0.0141 50
0.9644
N
N
N
R ER E
R
− − = − ⋅+ =
1
47.1848.922
151.078
NR KgE Kg
===
Flujos: Extracto E1= 151.078 Kg Refinado RN = 48.922 Kg
Respuestas a) Composición del Refinado RN o R4 según el diagrama:
Acetona: 2% Clorobenceno: 0.15% Agua: 100 – (2+0.15) = 97.85%
Composición del Extracto E1 según el diagrama: Acetona: 32.45% Clorobenceno: 66.14% Agua: 100 – (32.45+66.14) = 1.41%
Rendimiento del extracto
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Operaciones Unitarias Extracción
( )( )
( )( )
1
0
1
0
151.078 0.3245% 100 100 98.05%
100 0.5E Acetona
F Acetona
E yR
F x
⋅= ⋅ = ⋅ =
⋅
b) Numero de Etapas Teóricas de extracción en contracorriente
Nº Etapas = 4 Aplicación
Usando disolvente puro de éter isopropílico a 600 Kg/h, para extraer una solución acuosa de
200 Kg/h que contiene 30% de ácido acético, por medio de una extracción a contracorriente en
etapas múltiples. La concentración de salida para el ácido acético en la fase acuosa es de 4%.
Determinar:
1. Composición de los productos.
2. Cantidades en el extracto de éter y en el refinado de ácido acético.
Composición de equilibrio de las fases (% en masa)
Capa Acuosa Capa Éter
Ácido Acético Agua Éter
Isopropílico Ácido Acético Agua Éter
Isopropílico 0 98.8 1.20 0 0.6 99.4
0.69 98.10 1.21 0.18 0.5 99.30 1.41 97.10 1.50 0.37 0.7 98.90 2.89 95.50 1.60 0.79 0.8 98.40 6.42 91.70 1.90 1.93 1.0 97.10
13.30 84.40 2.30 4.82 1.90 93.30 25.50 71.10 3.40 11.40 3.90 84.70 36.70 58.90 4.40 21.60 6.90 71.50 44.30 45.10 10.60 31.10 10.80 58.10 46.40 37.10 16.50 36.20 15.10 48.70
Solución
Datos y Definición de Conceptos Básicos
Objetivo: a) Composición de los productos
Solución Acuosa: 30% en peso de ácido acético200 Kg/h
Éter Isopropílico:Éter Isopropílico Puro600 Kg/h
Refinado4% en peso de acido acético
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Operaciones Unitarias Extracción
b) Cantidades de extracto y refinado (cantidades de cada uno de los
componentes)
Hipótesis: Se considera la extracción Líquido – Líquido, en contracorriente, en una sola
etapa
Aplicación de Principios Fundamentales
Extracción
ALIMENTACIÓNF0 = 200 Kg/h(XF0) Ac. Acético = 0.3
SOLVENTESN+1= 600 Kg/h(ySN+1) E. Isopropílico = 1
REFINORN =(xRN) Ac Acético = 0.04
EXTRACTOE1 =
Es necesario construir un diagrama triangular rectangular para determinar las fases que
se forman y sobre todo las composiciones de cada flujo.
Determinación del punto medio Balance de masa con respecto al ácido acético
( ) ( )
( )0 10 1
0 1
NF N SAA AAAA M
N
F x S yx
F S++
+
⋅ + ⋅=
+
( ) ( )200 0.3 600 0+( ) 0.075
200 600 AA Mx= =
+
Balance de masa con respecto al éter isopropílico
( ) ( )
( )0 10 1
0 1
NF N SEI EIEI M
N
F x S yx
F S++
+
⋅ + ⋅=
+
( )200 0 ( )( )
600 10.75
800 EI Mx
+= =
En el diagrama se ubican los puntos que corresponden a las
composiciones del flujo de alimentación y del refino, también el punto
medio.
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Página 17
Operaciones Unitarias Extracción
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Acido Acético
Éter Isopropílico
Agua
RN
E1
M P ( AA ; EI ; Agua )E1 (0.0816; 0.8893; 0.0291)M (0.0750; 0.7500; 0.1750)RN (0.0400; 0.0174; 0.9426)
Determinación del flujo de refinado y extracto Balance de Masa Total
0 1 1
1
1 800 /
N N
N
N
F S R E MR E MR E Kg h
++ = + =
+ =
+ =
0 1
200 600800 /
NF S MM
M Kg h
++ =
+ ==
Balance de masa con respecto al éter isopropílico
( ) ( ) ( ) ( )1 0 11 0 1N NN R E F N SEIEI EI EIR x E y F x S y
++⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅
( ) ( ) ( )1
1
0.0174 0.8893 0 600 10.0174 0.8893 600
N
N
R ER E
⋅ + ⋅ = + ⋅
+ =
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Operaciones Unitarias Extracción Sistema de Ecuaciones
1
1
0.0174 0.0174 ( 0.0174) 8000.0174 0.8893 600
N
N
R ER E
− − = − ⋅+ =
1
1
0.8719 586.08672.187 /127.813 /
N
EE Kg hR Kg h
===
Flujos: Extracto E1= 672.18 Kg/h Refinado RN = 127.81 Kg/h
Respuestas a) Composición del Refinado RN y cantidades según el diagrama:
Ácido Acético: 4% 5.11 Kg/h AA Éter Isopropílico: 1.74% 2.22 Kg/h EI Agua: 100 – (4+1.74) = 94.26% 120.48 Kg/h AGUA
Composición del Extracto E1 y cantidades según el diagrama: Ácido Acético: 8.16% 54.85 Kg/h AA Éter Isopropílico: 88.93% 597.77 Kg/h EI Agua: 100 – (8.16+88.93) = 2.91% 19.56 Kg/h AGUA
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