EXTRACCIN LQUIDO - LQUIDO1 INTRODUCCINDefinicin: La extraccin lquida consiste en la separacin de los componentes de una solucin lquida por contacto con otro lquido inmiscible. Los componentes de la solucin original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases de lquidos, logrando cierto grado de separacin de los componentes que puede aumentarse utilizando contactos mltiples.Ejemplo: una disolucin de cido actico en agua se pone en contacto con acetato de etilo (inmiscible).Hay diferente densidad. Tiene lugar una separacin de fases al cesar la agitacin.Dado que agua > HAc ; entonces las disoluciones se separan.En la parte de arriba queda la disolucin del disolvente con el soluto (AcEt + HAc) y en la parte de abajo agua con lo que quede disuelto de HAc.Si todava queda algo de HAc se pone de nuevo en contacto con AcEt (contacto mltiplepara favorecer la separacin), se separa el HAc que todava contenga la fase acuosa.Contactos mltiples: corrientes cruzadas

Contacto en etapa disolucin residual acuosa se pone en contacto con ms acetato de etilo.1. Equipo: Contacto en contracorriente continua.1. Alimentacin= disolucin de partida de la cual queremos extraer el componente (HAc Acuoso)1. Disolvente= El lquido que se pone en contacto con la alimentacin (solucin Acetato de Etilo)1. Extracto= producto rico en disolvente1. Refinado= disolucin residual de la que se ha extrado el soluto.Extraccin con doble disolvente o extraccin fraccionada.En algunos casos se aaden dos disolventes para extracciones lquido - lquido complejas.Ejemplo:Separacin de los cidos O- y P- nitrobenzoico utilizando como disolventes: agua y cloroformo. Obtenemos dos fases lquidas:1. Agua disuelve preferentemente el cido orto-nitrobenzoico.1. Cloroformo disuelve preferentemente el cido para-nitrobenzoico.APLICACIONES DE LA EXTRACCIN LQUIDO - LQUIDO1. En competencia con otras operaciones de separacin de transferencia de materia, se utilizar el mtodo ms barato.Se lleva a cabo la tcnica de extraccin cuando suponga un menor coste econmico.Los principales inconvenientes:1. No obtenemos sustancias puras (en cambio con la evaporacin y destilacin mtodos directos de separacin ya que permiten obtener productos prcticamente puros).1. Se obtienen nuevas disoluciones que posteriormente hay que separar: evaporacin y destilacin.Ventajas:1. Va a ser til cuando tengamos disoluciones acuosas de compuestos que estn muy diluidas, de modo que la separacin con otros procesos sea la de evaporar todo el agua.Como ejemplo: En una disolucin de HAc en agua, el componente ms voltil es el agua. O sea que si queremos evaporar todo el agua tendramos que comunicar mucho calor, ya que la temperatura de ebullicin del agua es 100 C, y por tanto gastar mucha energaLo que haramos es hacer una extraccin lquido-lquido, obtendremos el disolvente orgnico + el componente que queremos obtener, y despus tendramos que evaporar el disolvente orgnico (por destilacin por ejemplo).El calor de vaporizacin de los disolventes orgnicos suele ser menor que el del agua.vapor de agua > vapor de disolventes orgnicos1. Se utiliza como alternativa a la destilacin a vaco.Cuando disminuimos la presin la temperatura de ebullicin disminuye. Por ello la destilacin a vaco se utiliza cuando tenemos que trabajar a una temperatura ms baja (debido por ejemplo a que los productos con los que estemos trabajado sean sensibles a la temperatura).La destilacin a vaco se lleva a cabo para separar cidos grasos de cadena larga presentes en los aceites vegetales. Pero si hacemos la separacin utilizando el mtodo de la extraccin lquido-lquido, utilizando propano lquido como disolvente, nos resulta ms econmico.Como por ejemplo en la separacin de cidos grasos de cadena larga presentes en los aceites vegetales:1. destilacin a vaco1. extraccin con propano lquido (ms econmico)La destilacin se usa en procesos en los que la Tura ebullicin sea baja porque se puede producir una descomposicin por Tura.Si disminuye la Presin, disminuye tambin la Tura de vaporizacin.2. Como substituto de mtodos qumicosMtodos qumicos. Inconvenientes: Gasto reactivosGeneracin de subproductos de costosa eliminacinExtraccin lquida no hay gasto qumicoRecuperacin de subproductos menos costosaCasos en los que se llevara a cabo la extraccin lquida:1. Separacin de metalesUranio - VanadioHafrio - ZirconioTungsteno - Molibdeno1. Separacin de productos de fisin en procesos de energa atmica.1. Purificacin de metales. Ejemplo: Cu1. Purificacin de sustancias qumicas inorgnicas (c. Brico, c. Fosfrico)1. En competencia con otras operaciones de transferencia de materia3. Separaciones que no pueden realizarse por otros mtodosnicamente se llevan a cabo por extraccin lquido - lquido:Ejemplo: Separacin de hidrocarburos aromticos (derivados del benceno) y parafnicos (alcanos) de Pm similares y Presiones de vapor muy prximas.Si los Pm son casi iguales no se pueden separar por destilacin.Una opcin es utilizar la extraccin lquida utilizando como disolventes SO2 (l) dietilenglicolEjemplo: productos farmacuticos, como la penicilina se obtienen mezclas complejas, y mediante extraccin lquido-lquido podemos separar ciertos componentes.2 EQUILIBRIO QUMICOSe trata de sistemas en los que al menos hay tres componentes.En la mayora de los casos los tres componentes estn en las dos fases.Esquema de notacin: A y Blquidos puros prcticamente insolublesCsoluto que se distribuye en las dos fases (A y B)Alimentacinmezclas de A + CDisolventeBDiluyenteAExtractoE (mezcla rica en disolvente B)RefinadoR (mezcla rica en A) Se denomina con la misma letra la cantidad de una disolucin y su posicin en el diagrama de fases.Cantidadesmasa - operaciones discontinuas proceso llevado a cabo por cargas (mezclamos cantidades determinadasmasa/tiempo - operaciones continuas corrientes de alimentacin y disolvente que entran continuamente y corriente de salida que sale continuamenteE: cantidad de extracto (fase rica en disolvente), se localiza en el diagrama de fases en el pto ER: cantidad de refinado (fase rica en diluyente), se localiza en el diag. de fases en el pto RB: cantidad de disolvente Fracciones molaresx fraccin de peso de C en el refinadoy fraccin de peso de C en el extractox3 fraccin de peso de C en el refinado de la etapa 3xM fraccin de peso de C en la mezcla MyE* fraccin en peso de C en la mezcla E (Extracto) en el equilibrio(*) el asterisco indica que se trata de condiciones de equilibrio Mediante el anlisis de equilibrio, balances de materia y los clculos por etapas podemos transformar:1. fracciones molares fracciones en peso1. relaciones molares relaciones en peso1. Kmol Kg2.1 COORDENADAS TRIANGULARES EQUILTERASSistema ternario tringulo equiltero

Cuanto ms prxima esta M (mezcla resultante) de R, ms cantidad habr de R).Ley de la palanca

La composicin de M se puede determinar mediante balances de materia.2.2 SISTEMA DE TRES COMPONENTES* Dos de ellos parcialmente solubles (ms frecuente extraccin lquida)Ejemplos:agua (A) - cloroformo (B) - acetona (C)benceno (A) - agua (B) - cido actico (C)Cada representacin grfica es vlida para una determinada temperatura

Ces totalmente soluble en A y en BA y Bson dos lquidos parcialmente solubles.K y Ldisoluciones lquidas saturadas. Mximos de saturacin de A y B.Si mezclamos los lquidos A y B en composiciones inferiores a los lmites A y L se nos separaran en dos fases.Cuanto ms cerca est L y K de los vrtices, ms insolubles son.Jdos mezclas saturadas de composicin L y K. (Dos fases distintas)CurvaLRPEKcurva binodal de solubilidadFuera de la curva 1 fase lquidaPara un punto dentro de la curva M, se nos separa en dos fases lquidas inmiscibles de composicin E y R. Las dos disoluciones saturadas R (rica en A) y E (rica en B), estn en equilibrio.LneaRELnea de unin o lnea de reparto une composiciones en el equilibrio.Normalmente las lneas de unin no son paralelas.Sistema solutrpicopresenta una lnea de unin horizontal.Las lneas de unin confluyen en un punto (P) punto de pliegue (representa la ltima lnea de unin)En este punto la composicin del refinado y del extracto va a ser la misma. No coincide con el mximo de la curva de solubilidad.En la curva de distribucin representamos la fraccin en peso de C en el extracto frente a la fraccin en peso de C en el refinado.Si Concentrac. de C en E > concentrac. de C en RPor tanto:Si yE* > xR C favorece a E en el equilibriosi yE* < xR C favorece a R en el equilibrioy*/x coeficiente de distribucinCurva de distribucin y vs x

en este caso y*/x > 1 la distribucin de C favorece a la fase rica en B (extracto)en caso de que y*/x < 1 la distribucin de C favorece a la fase rica en A (refinado):

Si y*/x = 1, entonces la lnea de reparto es horizontal y por tanto se trata de un sistema solutrpico:

Efecto de la TemperaturaA medida que aumenta la temperatura A y B son ms solubles.Llega un momento en que A y B son totalmente solubles:T4 A y B son totalmente solubles. T4Temperatura crticade la disolucinPara las extracciones lquido - lquido tenemos que trabajar con temperaturas menores que la Temperatura crtica, porque sino obtendramos un nico lquido (una sola fase con los tres componentes no se podran separar)T < T4 hay que trabajar a una temperatura menor que T4.Conforme aumenta la temperatura la pendiente de las lneas de unin va variando (f3.b)

Efecto de la presinExcepto para presiones muy elevadas, el efecto de la presin suele ignorarse.Se trabaja a P lo suficientemente elevadas, el sistema est condensado (fase lquida).2.3 ELECCIN DEL DISOLVENTEHay un amplia posibilidad de utilizar diferentes disolventesUn disolvente, en general, no rene todos los requisitos deseados.Caractersticas a considerar SELECTIVIDAD O FACTOR DE SEPARACINLa selectividad nos indica la efectividad del disolvente para separar los componentes de la disolucin de partida: A y C. Se representa por .Se expresa como la relacin entre C y A en el extracto y la relacin de C y A en el refinado.las fases R y E estn en equilibrioPara que una separacin pueda llevarse a cabo se tiene que cumplir que >1, cuanto mayor sea su valor mejor.Si = 1 la separacin no se puede llevar a cabo. COEFICIENTE DE DISTRIBUCIN y* / x EN EL EQUILIBRIOLa composicin del soluto en el extracto partido de la composicin del soluto en el refinado y*/x no tiene porque ser mayor que 1Cuanto mayor sea su valor menos cantidad de disolvente se requiere para llevar a cabo la separacin. INSOLUBILIDAD DEL DISOLVENTEInteresa que los lquidos A y B (2 fases) sean cuanto ms insolubles mejor y tambin que C sea altamente soluble en B (disolvente). RECUPERABILIDAD DEL DISOLVENTEInteresa que el disolvente sea recuperable.Para la mayora de los casos la recuperacin del disolvente se lleva a cabo mediante destilacin.Interesa que:1. El disolvente y el soluto no formen azetropo ( un lquido pasa a gas y ste tiene la misma concentracin y no lo podemos separar)1. Que la volatilidad relativa sea elevada.1. Que el componente ms voltil est en menor proporcin en el extracto (normalmente se trata de C)1. Si hay que vaporizar el disolvente Calor latente de vaporizacin (vaporizacin ) sea bajo (para que los costes de vaporizacin sean bajos) DENSIDADLas disoluciones lquidas saturadas (extracto y refinado) deben tener distinta densidad para facilitar su separacin.E " R TENSIN INTERFACIALPor una parte nos interesa que la t.i. sea alta para que las emulsiones de una fase en otra se nos separen con relativa facilidad. (Favorecer la coalescencia de emulsiones, o lo que es lo mismo favorecer la coalescencia de las emulsiones).Pero esto dificulta la dispersin o mezclado de las fases.Para conseguir un buen mezclado utilizaramos mtodos adicionales como la agitacin. REACTIVIDAD QUMICAInteresa que el disolvente sea estable e inerte qumicamente frente a los otros componentes y frente a los materiales comunes de construccin de los equipos. VISCOSIDAD, PRESIN DE VAPOR Y PTO. CONGELACIN BAJOSFacilita el manejo y almacenamiento NO TXICO, NO INFLAMABLE Y DE BAJO COSTE3 MTODOS DE CLCULO3.1 EXTRACCIN EN UNA SOLA ETAPA

F estar constituido por el lquido A y el soluto que tenga disuelto C.xF fraccin en peso de C en la alimentacinS disolvente, va a estar compuesto mayoritariamente por el compuesto ByS fraccin en peso de C en el disolvente. Si el disolvente es puro yS = 0Mezclamos F y S, tiene lugar una transferencia de materia hasta el equilibrio parte va al refinado y parte al extracto.y1, x1 composiciones en el equilibrio, son los extremos de las lneas de unin o de repartoy1 fraccin en peso de C en E1x1 fraccin en peso de C en R1Estamos considerando una etapa terica o ideal porque las composiciones del refinado y del extracto estn en equilibrio.

Le damos el tiempo necesario para que el soluto se distribuya entre las dos fases y tengamos dos fases inmiscibles.La lnea de unin que pasa por M, nos va a determinar R1 y E1, que estarn situados en la curva binodal.Las cantidades de R1 y E1 las podremos obtener aplicando la regla de la palanca.Ecuacin bsica de un balanceE - S + G - D = AE = entraS = saleG = generaD = desapareceA = acumulaSi no hay reaccin qumica G = 0 y D = 0En estado estacionario A = 0Por tanto nos queda que E = SBalances de materiaB.M. total F + S = M1 = E1 + R1B.M. ac F xF + S yS = M1 xM1 = E1 y1 + R1 x1Localizacin de M1:1. Regla de la palanca1. Balances de materiaBM total F + S = M1BM aC F xF + S yS = M1 xM1

Si por ejemplo xM1 = 0.25 25% C se traza la horizontal entre la mezcla C y A y obtendremos el punto.S ?? Para determinar la cantidad de disolvente que hay que aadir para situar el punto de mezcla en un lugar determinado:Dividimos la ecuacin por F y nos queda:Cantidades de E1 y R11. Regla de la palanca1. Balances de materia.BM total M1 = E1 + R1 ; R1 = M1 - E1BM aC M1 xM1 = E1 y1 + (M1 - E1) x1M1 xM1 = E1 y1 + M1 x1 - E1 x1M1 (xM1 - x1) = E1 (y1 - x1)

(*) x1, y1 los sacaremos del grfico3.2 EXTRACCIN EN VARIAS ETAPAS A CORRIENTE CRUZADA

Para una etapa n:B. M. total Rn-1 + Sn = En + Rn = MnB. M. ac Rn-1 xn-1 + Sn yS = Mn xMn = En yn + Rn xn

R1 fase rica en A R3 refinado finalE1 fase rica en B E3 Extraccin del compuestoEn primer lugar hacemos un balance para saber donde tenemos que situar la composicin de la mezcla.M1 composicin de la mezcla que da la etapa 1. Tenemos que interpolar la lnea de unin que pasa por el punto M1. De sus extremos obtendremos la composicin del extracto y del refinado.Unimos el refinado R1 con el disolvente. Segn las caractersticas (calculando mediante balances de materia), situamos el punto M2. Interpolamos la lnea de unin que pasa por M2 y en sus extremos situamos el extracto E2 y el refinado R2.Unimos el refinado R2 con el disolvente y en funcin de sus caractersticas situamos el punto M3. Interpolamos la lnea de unin determinando las composiciones del extracto E3 y del refinado R3.Interpolacin de las lneas de unin o de reparto1. Mtodo de Teresenkow y Penlsen1. Mtodo de Alders1. Mtodo de Sherwood1. Curva de distribucinEJEMPLO 1100 kg de una disolucin de cido actico (C) y agua (A) que contiene 30% de cido, se van a extraer tres veces con ter isoproplico (B) a 20 C; se utilizarn 40 kg de disolvente en cada etapa. Calcular las cantidades y composiciones de las diferentes corrientes. Cunto disolvente se necesitar si se quiere obtener la misma concentracin final del refinado con una sola etapa?Datos del equilibrio a 20 CCapa acuosaCapa de ter isoproplico

% pesocido actico100xAguater isoproplico% pesocido actico100y*Aguater isoproplico

0.691.412.896.4213.3025.5036.7044.3046.4098.197.195.591.784.471.158.945.137.11.21.51.61.92.33.44.410.616.50.180.370.791.934.8211.4021.6031.1036.200.50.70.81.01.93.96.910.815.199.398.998.497.193.384.771.558.148.7

Datos de equilibrio del tringulo equilteroEtapa 1B. M. total F + S = M1 100 + 40 = 140 =M1B. M. ac F xF + S yS = M1 xM1 1000.3 + 400 = 140 xM1xM1 = 0.214

En la grfica, interpolando las lneas de reparto, trazamos lnea que pase por M1 y nos resultan los puntos x1 e y1:y1 = 0.12 M1 = E1 + R1 140 = E1 + R1x1 = 0.26 M1 xM1 = E1 y1 + R1 x1 140 0.214 = E1 0.12 + R1 0.26E1 = 46 kgR1 = 97 kgEtapa 2B. M. total R1 + S = M2 94 + 40 =134 kg = M2B. M. ac R1 x1 + S yS = M2 xM2 xM2 = 940,26 / 134 = 0.182(*) ys es igual a cero por ser disolvente puroy2 = 0.225 M2 = E2 + R2 134 = E1 + R1x2 = 0.097 M2 xM2 = E2 y2 + R2 x2 134 0.182 = E2 0.097 + R2 0.225E2 = 45 kgR2 = 89 kgEtapa 3R2 + S = M3 89 + 40 =129 kg = M3B. M. ac R2 x2 + S yS = M3 xM3 xM3 = 89 0.225/ 129 = 0.155(*) ys es igual a cero por ser disolvente puroy3 = 0.08 M3 = E3 + R3 129 = E3 + R3x3 = 0.195 M3 xM3 = E3 y3 + R3 x3 129 0.155 = E3 0.08 + R3 0.195E3 = 44.83 kgR3 = 84.17 kgApartado aRefinado final: R3 = 84.17x3 = 0.195Extracto compuesto: E = E1 + E2 + E3 = 135.83 kgy =0.0992Apartado bx3 = 0.195 = x1'M1' estar sobre la recta F S'- R3 corresponde con R1'- E3 corresponde con E1'Debemos tener en cuenta que las composiciones de R1' y R3 son iguales pero las cantidades no son iguales.Las rectas FS y R3E3 nos da el punto M'F + S' = M1'F xF + S' yS = M1' xM'1 ;yS = 0 F xF = M1' xM'1Sustituimos los valores en la ecuacin y nos resultar M'.Despus sustituimos en la ecuacin de arriba y nos resulta S' = 150 kg

3.3 EXTRACCIN EN VARIAS ETAPAS A CONTRACORRIENTE CONTNUAEsquemaA la Etapa 1 le llega un extracto de la Etapa 2, E2 (B+C) de composicin y2 y sale un refinado R1 (A+C: mezcla alimentacin) de composicin x1 y un extracto E1 de composicin y1, al que denominamos extracto final.Las corrientes de extracto y refinado fluyen etapa a etapa a contracorrienteEs un mtodo de contacto ms eficaz que a corrientes cruzadas porque para la misma cantidad de disolvente necesitamos menos etapas, para un mismo nmero de etapas necesitamos menos cantidad de disolvente.Balances a todo el procesoCorrientes que entran = Corrientes que salenB.M. total F + S = M = RNP + E1(M ficticio)B.M. ac F xF + S yS = M xM = RNP xNP + E1 y1F xF + S yS = ( F + S) xM

F, S, M estn alineadosE1, RNP, M estn alineados (E1, RNP no estn en equilibrio)F y S van a estar unidos por una recta al igual que E1 y RNPLas lneas FS y RNPE1 se cortan en el punto MRNP - S = F - E1 = "R A esta diferencia se le llamapunto incremento de RRNP - S = RS-1 - ES = "RDiferencia de flujo entre dos etapas adyacentes cualesquiera.Se cumple que la proyeccin de las lneasFE1 y RNpSse cortanen el punto"R.Esa diferencia nos est proporcionando la composicin de las corrientes que se originan.El refinado de la Etapa 1 se nos cruza con el extracto de la Etapa 2. Unimos "R con R1 mediante una recta y obtenemos E2.R2 se obtiene con la lnea de unin que parte de E2 .Este tipo de operacin es ms eficaz en corriente cruzada.Como influye la cantidad de disolventeAl aumentar la cantidad de disolvente el punto M se desplaza hacia S y "R se desplaza hacia la izquierda del tringulo.Puede ocurrir que para una determinada cantidad de disolvente RNpS y FE1 sean lneas paralelas y entonces "R se sita en el infinito.Si se aumenta la cantidad de disolvente el punto "R se sita a la derecha del tringuloSi seguimos aadiendo ms disolvente el punto "R se acerca al tringulo, se aproxima a S.Cuando una lnea trazada desde "R coincide con una lnea de unin estaramos continuamente desplazndonos por la lnea de unin, necesitaramos un nmero infinito de etapas, por lo tanto no se podra lleva a cabo la separacin. Tendramos que poner ms disolvente.Se necesita una cantidad mnima de disolvente para poder llevar a cabo la separacin y que no ocurriera lo explicado en el prrafo anterior. Esta cantidad corresponde a la relacin mnima disolvente / alimentacin."R min Si prolongamos las lneas de reparto sobre la recta que une RNpS, el "R min es la lnea ms alejada. A veces es la lnea de unin que pasa por F (cuando "R est a la izquierda)."R min Si "R est a la derecha, al proyectar las lneas de unin, "R min ser el punto ms prximo al tringulo (ms prximo a S).

EJEMPLO 28000 kg/h de una disolucin de cido actico (C)-agua (A), que contiene 30% de cido, se van a extraer a contracorriente con ter isoproplico (B) para reducir la concentracin de cido hasta 2% en el producto refinado libre de disolvente. calcular la cantidad mnima de disolvente que puede utilizarse calcular el nmero de etapas tericas si se van a utilizar 20000 kg de disolventeUtilizad los datos del equilibrio presentados en el ejemplo 1.1 Dibujar los datos de equilibrio sobre el tringulo equiltero.2 Localizar F, S, RNpPara extraccin en contracorriente se cumple:1. F, S, M alineados1. E1, RNp, M alineados1. F, E1, "R alineados1. RNp, S, "R alineadosApartado bF = 8000 kgxS = 0.3S = 20000 kgF + S = M M = 8000 + 20000 = 28000F xF + S yS = M xM yS = 0Apartado aEn la grfica hemos determinado Mmin y por tanto sabemos xM min = 0,105 (sacado de la grfica)F + Smin= MminF xF + Smin ymin = Mmin xmin Mmin =F + Smin = Mmin 8000 + Smin = 22857Smin = 14857 kg4 EQUIPO DE EXTRACCIN (fotocopias)EXTRACTORES POR ETAPASEl equipo de extraccin por etapas que se utiliza es de dos tipos principalmente:1. cascadas de mezclado-sedimentacin de una y de varias etapas1. torres perforadas de varias etapas.Mezclador-sedimentadorUn mezclador-sedimentadores un aparato de una etapa, que generalmente consiste en dos partes: un mezclador para poner en contacto las dos fases liquidas y lograr la transferencia de masa y un sedimentador para separarlas mecnicamente. La operacin puede ser continua o por lotes.MEZCLADORESLos mezcladores son de dos tipos: mezcladores de flujo y tanques de mezclado:1. Losmezcladores de flujo, mezcladores de lnea,son aparatos de volumen muy pequeo colocados en una lnea de tubos, como una serie de orificios o boquillas de alimentacin, a travs de los cuales se bombean a corriente Paralela los dos lquidos que se van a poner en contacto. La prdida de energa mecnica que corresponde a la cada de presin se utiliza parcialmente para que los lquidos se dispersen uno en el otro. Entonces, la dispersin resultante se pasa al sedimentador. Estos aparatos slo son tiles para operacin continua. Sus aplicaciones son limitadas: el grado de dispersin producida para cierto aparato depende del flujo; adems, puede esperarse que la transferencia de masa sea muy pequea, puesto que el rea interfacial especfica decae con rapidez al descender a corriente del mezclador y puesto que el tiempo de retencin es muy corto.1. Tanques con agitacinEstos tanques son del tipo mostrado en el lado derecho de la figura 6.4b y en la figura 6.4c. Si hay una superficie gas-lquido, deben colocarse mamparas para evitar la formacin de un vrtice. Pueden cubrirse, operarse llenos, en cuyo caso pueden o no tener mamparas. Para la operacin continua, los lquidos que se van a poner en contacto pueden entrar en el fondo y salir por la parte superior; en algunos arreglos de cascadas, los lquidos ligeros y pesados entran a travs de la pared lateral, cerca de la parte superior y del fondo del tanque, respectivamente, y salen a travs de una salida en la pared opuesta al impulsor. Para la operacin por lotes, el tanque de mezclado puede actuar como sedimentador despus de que se detiene la agitacin.Los impulsores son, general mente, del tipo de turbina de hoja plana, figura 6.3b y c; estn localizados ya en el centro del tanque, ya cerca de la entrada inferior de los lquidos. La relacin impulsor/dimetro del tanque, di / T, comnmente est en el rango de 0.25 a 0.33.Dispersiones.La mezcla de los lquidos producida consiste en pequeas gotas de un lquido disperso en un continuo del otro. Los dimetros de las gotas generalmente estn en el rango de 0. 1 a 1mmde dimetro. No pueden ser demasiado pequeas, porque sera difcil la sedimentacin posterior. Generalmente, el lquido que fluye con el flujo volumtrico menor se dispersar en el otro, pero Se debe mantener cierto control. Para la operacin continua, el tanque debe llenarse con el lquido que va a ser la fase continua; durante la agitacin, se pueden introducir los dos lquidos en la relacin deseada. Para la operacin por lotes el lquido en el cual est sumergido el impulsor, cuando est en reposo es de ordinario el continuo. Generalmente es difcil que la fraccin volumen de la fase dispersa, mantenga valores mayores de 0.6 a 0.7; tratar de aumentarla por arriba de estos valores, con frecuencia provoca la inversin de la dispersin (la fase continua se vuelva dispersa).Emulsiones y dispersionesLa mezcla de lquidos que salen de cualquier aparato de mezclado, una emulsin, est formada por gotas pequeas de un lquido completamente disperso en un continuo del otro. La estabilidad, o permanencia, de la emulsin es de la mxima importancia en la extraccin lquida, puesto que es necesaria para separar las fases en cada etapa de extraccin. Las emulsiones estables, aqullas que no se sedimentan ni coalescen rpidamente, deben evitarse. Para que una emulsin se rompa", o para que sus fases se separen por completo, debe suceder tanto la sedimentacin como la coalescencia de la fase dispersa.La rapidez de sedimentacin de una emulsin en reposo es mayor, si es grande (,-1 tamao de las gotas, grande la diferencia de densidad entre los lquidos y pequea la viscosidad de la fase continua. Las emulsiones estables, aqullas que se sedimentan slo despus de grandes perodos, se forman generalmente cuando el dimetro de las gotas dispersas es del orden de 1 a 1.5 ; por su parte, las dispersiones con dimetro de partcula de 1 mm o mayor se sedimentan generalmente con rapidez.La coalescencia de las gotas sedimentadas es tanto ms rpida cuanto mayor es la tensin interfacial. Por lo comn, la tensin interfacial es baja para los lquidos de alta solubilidad mutua; disminuye en presencia de agentes emulsificantes o humectantes. Adems, la viscosidad elevada de la fase continua impide la coalescencia al reducir la rapidez con la cual se separa la pelcula residual entre las gotas. Las partculas de polvo que generalmente se acumulan en la interfase entre los lquidos, tambin impiden la coalescencia.En el cas de una emulsin inestable, la mezcla se sedimenta y coalesce rpidamente en dos fases lquidas despus de que la agitacin se ha detenido, a menos que la viscosidad sea alta. Generalmente la aparicin de una interfase muy bien definida entre las fases (ruptura primaria) es muy rpida, pero una de las fases --comnmente, la que se encuentra en cantidad mayor permanece nublada por una fina niebla o neblina, una dispersin de la otra fase. Al final, la neblina se sedimentar y: la fase nublada quedar clara (ruptura secundaria), pero esto puede tomar bastante tiempo. La ruptura primaria de una emulsin inestable es generalmente tan rpida que para producirla basta con detener la agitacin durante unos minutos. En una operacin continua en varias etapas, generalmente ,no es prctico mantener la mezcla entre las etapas el tiempo suficiente para lograr la ruptura secundaria.SEDIMENTADORESEn la extraccin continua, la dispersin que sale del mezclador debe pasarse a un sedimentador o decantador, en donde ocurre cuando menos la ruptura primaria. Los rearreglos tpicos de sedimentadores por gravedad se muestran en la fgura10.40. El diseo ms sencillo, el de la figura 10.40a, es tal vez el ms comn: para evitar que la dispersin entrante disturbe excesivamente el contenido del tanque, se usa la mampara de entrada del tipo de "cerca de estacas". De este modo, las gotas se sedimentan en la parte principal del tanque, en donde la velocidad debe ser lo suficientemente baja para prevenir turbulencias. A flujos mayores para un tanque dado, mayor espesor de la banda de dispersin; al final, por las salidas sale una dispersin no sedimentada, que por supuesto debe evitarse. Aunque se ha efectuado una gran cantidad de estudios fundamentales, los mtodos de diseo todava son empricos y arbitrarios. Hay tres aproximaciones al diseo: (a) que haya el tiempo suficiente de residencia con base en las observaciones de laboratorio sobre la sedimentacin, (b) el clculo del flujo para producir un espesor adecuado de la banda de dispersin y(c)el clculo del tiempo de asentamiento de las gotas individuales a travs de un lquido claro por arriba y abajo de la banda de dispersin. Ninguno de estos mtodos es muy seguro . Si no existen trabajos experimentales relativos a la dispersin por tratar, una primera estimacin del tamao del sedimentador puede hacerse mediante la expresin empricasTS = 8.4(qC + qD)O0.5 (10.72)que se desarroll con base en las rapideces tpicas de sedimentacin de las gotas en la fase dispersa 1181 y en una relacin longitud/dimetro para el tanque igual a 4.Fig 10.40Fig 10.40aFig 10.40bFig 10.40cAuxiliares de la sedimentacinLa dispersin puede pasarse a travs de uncoalescedor,con el fin de aumentar el tamao de las gotas y, por ende, su rapidez de sedimentacin. Normalmente, los coalescedores son lechos relativamente estrechos de sustancias de superficie extendida y con huecos relativamente grandes, tal como aserrn (especial para coalescer las salmueras que acompaan al petrleo crudo), la lana de acero, fibra de vidrio, tela de polipropileno, anillos de Raschig y similares. Uno de los mejores coalescedores es una mezcla de fibras de algodn y lana de vidrio, o de fibras de algodn y de Dynel. En la figura 10.40b se muestra un arreglo sencillo; otro ms elaborado, pero muy efectivo, se muestra en la figura 10.40c.Las membranas de separacinson membranas porosas, humedecidas de preferencia con la fase continua, que previenen el paso de la fase dispersa no humedecedora a cadas bajas de presin, pero que dejan pasar libremente el lquido continuo. Pueden colocarse en la salida del decantador.Cascadas de mezclador-sedimentadorUna planta de extraccin continua en multietapas constar del nmero requerido de etapas arregladas de acuerdo con el diagrama de flujo deseado. Cada etapa estar formada, al menos, por un mezclador y un sedimentador, como en la planta a contracorriente de la figura 10.41. De ordinario, los lquidos se bombean de una etapa a la siguiente, pero a veces se puede arreglar el flujo por gravedad si se posee suficiente espacio. Se han diseado muchos arreglos para reducir la cantidad de tuberas entre las etapas y el costo correspondiente . La figura 10.42 es uno de ellos: los tanques de mezclado estn sumergidos en los grandes tanques sedimentadores circulares, los lquidos pesados fluyen por gravedad, los lquidos ligeros por empuje del aire y la recirculaci6p del lquido ligero sedimentado hacia el mezclador se logra por un sobreflujo. La figura 10.43 es tpica de varios diseos de los llamados extractores de "caja", diseados para evitar las tuberas intermedias. Los mezcladores y sedimentadores 'tienen una seccin transversal rectangular; de ah el nombre de "caja"; estn arreglados en posiciones alternadas para las etapas adyacentes, como se muestra In la vista plana de la figura:10.43. Otro arreglo coloca las etapas una encima de la otra, en una pila vertical, con los impulsores de mezclado sobre una barra comn; este rearreglo utiliza a los impulsores no slo como aparatos mezcladores, sino tambin como bombas.Fig 10.41

Torres de platos perforadosEstas torres de varias etapas a contracorriente, tanto con respecto a la capacidad de manejo del lquido como a la eficiencia en la extraccin, son muy efectivas, en particular para sistemas de baja tensin interfacial que no requieren agitacin mecnica para una buena dispersin. Su efectividad para la transferencia de masa se deriva de que (1) el mezclado axial de la fase continua est confinado a la regin entre los platos y no se distribuye por toda la torre de etapa a etapa, y (2) las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a formar en cada, plato, destruyendo as la tendencia a establecer gradientes de concentracin dentro de las gotas ,que persisten en toda la altura de la torre. En la figura 10.44 se muestra una torre de diseo sencillo, en donde el arreglo general de los platos y vertederos es muy similar a la torre de contacto gas-lquido, excepto que no se requiere de derrarnaderos. La figura muestra el arreglo para el lquido ligero disperso. Los lquidos ligeros pasan a travs de las perforaciones y las burbujas ascienden a travs de la fase continua pesada y coalescen en una capa, que se acumula entre cada plato. El lquido pesado fluye a travs de cada plato a travs de las gotas ascendentes Y pasa a travs de los vertederos hacia el plato inferior. Volteando la torre de cabeza, los vertederos se convierten en "tuberas de ascenso", que llevan al liquido ligerodeplato en pllato, mientras que el lquido pesado fluye a travs de las perforaciones (...)(...) do en una parte de la torre y el lquido ligero en la otra, mientras que la interfase principal se mantiene en la parte central de la torre. Los platos de flujo transversal de la figura 10.44 son adecuados para dimetros relativamente pequeos de la torre (hasta aproximadamente 2 m). Para torres mayores, se pueden colocar vertederos mltiples a intervalos a travs del plato.Fig 10.44

EXTRACTORES DIFERENCIALES DE CONTACTO CONTINUO)Cuando los lquidos fluyen a contracorriente a travs de una sola pieza del equipo, se puede tener el equivalente de todas las etapas ideales deseadas. En estos aparatos, el flujo a contracorriente se produce debido a la diferencia en las densidades de los lquidos; adems, si la fuerza motriz es la fuerza de gravedad, el extractor generalmente adopta la forma de una torre vertical, en que el lquido ligero entra por el fondo y el pesado por la parte superior. Como alternativa, se puede generar una fuerza centrfuga grande haciendo que el extractor gire rpidamente; en este caso, el flujo a contracorriente es radial con respecto al eje de revolucin.Varias caractersticas comunes de los extractores a contracorriente tienen gran importancia con relacin al diseo y el comportamiento. Es tpico que slo uno de los lquidos pueda bombearse a travs del aparato al flujo deseado. El flujo mximo para el otro lquido depender, entre otras cosas, de la diferencia de densidad entre los lquidos. Si se trata de que el segundo lquido exceda este flujo, el extractor rechazar uno de los lquidos; se dice entonces que se hainundado.Por supuesto, lo mismo es cierto para el equipo de contacto gas-lquido; empero, como la diferencia de densidad es mucho ms pequea que para un gas y un lquido, las velocidades de inundacin de los extractores son mucho menores. Para determinado flujo volumtrico de los lquidos que se van a manejar, la seccin transversal del extractor debe ser lo suficientemente grande para que no se alcancen las velocidades de inundacin. Cuanto ms abierta sea la seccin transversal, mayores sern los flujos antes de que ocura la inundacin. Las estructuras internas, empaque, agitadores mecnicos y similares, generalmente reducen las velocidades a las cuales ocurre la inundacin.Torres aspersorasSon stas los aparatos ms sencillos de contacto diferencial; consisten simplemente en una armazn vaca con provisin en los extremos para introducir y separar los lquidos. Como la armazn est vaca la libertad extrema de movimiento del lquido hace que estas torres sean las que peor se adecuen al mezclado axial; en efecto, con ellas es difcil obtener mucho ms del equivalente a una sola etapa. No se recomienda su uso. Se han utilizado mamparas horizontales (tanto del tipo de segmento como del tipo de "disco y dona) para reducir el mezclado axial, pero apenas se consigue una mnima mejora. Las torres aspersoras se han estudiado mucho con respecto al intercambio calorfico entre dos lquidos por contacto directo, pero los efectos perniciosos del mezclado axial son muy severos tanto en este caso como en la extraccin.Torres empacadasComo extractores lquidos se han utilizado torres llenas con los mismos empaques al azar empleados para el contacto gas-lquido (captulo 6). El empaque sirve para reducir el mezclado axial ligeramente y para empujar y distorsionar las gotas de la fase dispersa. En la figura 10.51, se muestra esquemticamente una torre empacada tpica, arreglada para dispersar el lquido ligero. El espacio vaco en el empaque est bastante lleno con el lquido pesado, que fluye en forma descendente. El resto del espacio vaco est lleno con gotas del lquido ligero formadas en el distribuidor inferior, que ascienden a travs del lquido pesado y coalescen en la parte superior en una sola capa; forman as una interfase, como se muestra. Para mantener la interfase en esta posicin, la presin del lquido en la torre en el fondo debe balancearse con la presin correspondiente en la vlvula de salida del fondo, controlada por una vlvula de control. Si la cada de presin a travs de esa vlvula se reduce ' el peso del contenido de la torre se ajusta a un valor inferior, el lquido ligero se vuelve continuo, el lquido pesado se dispersa y la interfase cae abajo del distribuidor lquido-lquido. Las posiciones de la interfase se regulan mejor mediante un instrumento de control del nivel del lquido que activa la vlvula de salida en el fondo. La vlvula colocada justo arriba de la interfase en la figura 10.51 es para la eliminacin peridica de desechos y partculas 1 de polvo que se acumulan en la interfase.La naturaleza del flujo del lquido en estas torres requiere que la eleccin del empaque y el arreglo del distribuidor de la fase dispersa se hagan con el mayor cuidado. Si el lquido disperso humedece preferentemente el empaque, pasar a travs del empaque como riachuelos y no como gotas, y el rea interfacial producida ser pequea. Por esta razn, el material del empaque debe humedecerse preferentemente con la fase continua. De ordinario, las cermicas son humedecidas preferentemente por los lquidos acuosos, el carbn y los plsticos por lquidos orgnicos. El empaque debe ser lo suficientemente pequeo, no mayor de un octavo del dimetro de la torre, de forma que la densidad del empaque se desarrolle por completo; sin embargo, el empaque debe ser mayor de un cierto tamao crtico (vase a continuacin). Cuando el material del soporte del empaque no se humedece con las gotas dispersas y cuando el distribuidor se coloca fuera del empaque, las gotas tendrn dificultad para entrar en el empaque y se tendr una inundacin prematura. Por esta razn, siempre es deseable embeber el distribuidor de la fase dispersa en el empaque, como en la figura 10.51.Existen correlaciones para calcular la rapidez de inundacin; hay tambin datos de los coeficientes de transferencia de masa y de mezclado axial, los cuales se han resumido. Aunque el mezclado axial es menos severo que en las torres aspersoras, las rapideces de transferencia de masa son pequeas. Se recomienda que las torres de platos perforados se utilicen para sistemas de baja tensin interfacial y los extractores agitados mecnicamente para los sistemas con alta tensin interfacial.Fig 10.51

Extractores a contracorriente, agitados mecnicamenteLas torres de extraccin que se acaban de describir son muy similares a las utilizadas en el contacto gas-lquido, en donde las diferencias de densidad entre el lquido y el gas son de unos 800 kg/m3 (50 Ibm/ft3) o ms proporcionan la energa para la buena dispersin de un fluido en el otro. En los extractores lquidos, en donde las diferencias de densidad son probablemente de un dcimo o menores, la buena dispersin de los sistemas con alta tensin interfacial es imposible en estas torres; las rapideces de transferencia de masa son pequeas. Para estos sistemas, es mejor lograr la dispersin mediante la agitacin mecnica de los lquidos, porque as se obtienen buenas rapideces de transferencia de masa. A continuacin se dan algunos ejemplos de estos extractores. Excepto por las columnas de pulso, son aparatos patentados; sus procedimientos de diseo no estn disponibles al pblico; es mejor consultar a los fabricantes.Equipo de contacto MixcoLightninCM(extractar de Oldshue-Rustiton)Obsrvese la figura 10.52. Este aparato utiliza impulsores de turbina de disco de hoja plana (figura 6.3c) para dispersar y mezclar los lquidos y platos con compartimientos horizontales para reducir el mezclado axial, Existen unos cuantos estudios acerca de la:' transferencia de masa y algunos ms acerca del mezclado axial.Fig10.52

Equipo de contacto de disco giratorio (RDC)Figura 10.53. Este es un aparato bastante similar excepto que se omiten las mamparas verticales y la agitacin se obtiene de los discos rotatorios, los cuales generalmente giran a velocidades bastante ms altas, que los impulsores de tipo turbina.Fig 10.53

Extractor de ScheibelHa habido diversos diseos, el ms reciente de los cuales se muestra en la figura 10.54. Los impulsores son del tipo de turbina y las mamparas que os rodean, del tipo de dona, estn sujetos por aros verticales de unin, que no se muestran. Los diseos anteriores incluyen empaque de alambre entretejido alternado con secciones que incluyen un impulsor.Fig 10.54

Extractor de platos recprocos de KarrEste viene despus de un diseo anterior de van Dijck quien sugiri que los platos de un extractar de platos perforados del tipo mostrado en la figura 10.55, se movieran hacia arriba y abajo. El diseo de Karr utiliza platos de rea libre: mucho ms grande, poco ajustados en la armazn de la torre y unidos a un sostn central, vertical. stos se mueven en forma vertical, hacia arriba y hacia abajo, una distancia pequea.Fig 10.55

Extractor de TreybalSon en realidad una pila vertical de mezcladores-sedimentadores. Los mezcladores estn en, una lnea vertical y los impulsores para las etapas sobre un eje comn. Estos extractores no slo mezclan, sino que tambin bombean, de forma que los flujos obtenidos son grandes. Como no hay mezclado axial, las rapideces de transferencia de masa son elevadas.Extractor de GraesserEste es un caparazn horizontal fijado con una serie de discos giratorios sobre un eje central horizontal. Unos recipientes en forma de C entre los discos lanzan los lquidos, de un recipiente al otro, mientras los lquidos fluyen a contracorriente y horizontalmente a travs del extractar. Se ha utilizado especialmente en Europa.Columnas con pulsacionesUna onda rpida (0.5 a 4/s) de amplitud corta (5 a 25 mm) se transmite hidrulicamente a los contenidos lquidos. Puesto que no hay partes mviles presentes dentro de los extractores, las columnas de pulsos se emplean mucho, y de modo exclusivo, cuando se procesan soluciones radiactivas en los trabajos de energa atmica, en donde pueden ponerse detrs de protecciones pesadas de radiacin sin necesidad de mantenimiento. El arreglo ms comn es el de la figura 10.55; los platos perforados que no tienen vertederos tienen pequeos orificios, por lo que generalmente no habr flujo. El pulso superimpuesto sobre los lquidos en forma alternativa hace que los lquidos ligeros y pesados pasen a travs de las perforaciones. Tambin pueden ser pulsadas las columnas empacadas -en realidad, puede pulsarse cualquier tipo de extractar-. Aunque las rapideces de transferencia de masa se mejoran debido a los costos sustanciales de energa, las capacidades de. flujo se reducen.Extractores centrfugosEl ms importante de stos esel extractar de Podbielniakfigura 10.56. El tambor cilndrico contiene un caparazn concntrico, perforado; se gira rpidemente sobre un eje horizontal (30 a 85 rps). Los lquidos entran a travs del eje: los lquidos pesados se llevan al centro del tambor y los lquidos ligeros a la periferia. Los lquidos pesados fluyen radialmente hacia afuera y los dos se sacan a travs del eje. Estos extractores son especialmente tiles para lquidos de diferencia de densidad muy pequea y en dnde los tiempos de residencia cortos son esenciales, como en algunas aplicaciones farmacuticas (extraccin de penicilina a partir del caldo nutriente, por ejemplo).Elextractor de Luwestay deRotqbelgiran alrededor de un eje vertical; se utilizan con mayor frecuencia en Europa que en Estados Unidos.Fig 10.56

1EtAcHAcH2O

Recta FS y recta RNpE1 se cortan en el punto MRecta FE1 y recta RNpS se cortan en "R (relaciona composiciones de las corrientes que se cruzan)Flujo neto saliente de la etapa Np

HAcH2OEtapa terica o ideal:El extracto y el refinado estn en equilibrio.RECORDATORIOx fraccin en peso de C. en el refinado (fase rica en A)y fraccin en peso de C. en el extracto (fase rica en B)x3 fraccin en peso de C. en el refinado de la etapa 3* condiciones de equilibrioyE* fraccin en peso de C en la mezcla E (extracto) en equilibrioKg C / Kg alimentacinLa distribucin de C favorece a la fase rica en B (E) en el equilibrioEtAcLquidos alimentacinA lquido en el que tenemos inicialmente disuelto el solutoB disolventeC solutoLocalizacin de S:Si el disolvente es puroyS = 0 vrtice BSi el disolvente es recuperado, puede tener pequeas cantidades de A y C entonces situamos y en el interior del tringulo.Trazamos una lnea recta entre F y S.M1representa la mezcla de la alimentacin F y el disolvente S y se sita en la recta trazada (F-S).M1 se puede localizar aplicando la regla de la palanca y tambin mediante balances de materia.R1, E1 unidas por una lneaEtapa = mezclador + sedimentadory= Kg C / TotalEXTRACTOA + Cx= Kg C / TotalREFINADOB + CExtractoRefinadoBB + CK %A + %B + %C = 100D mezcla binaria A y BLnea DC mezclas de D aadindole CR kg de mezcla de composicin RE kg de mezcla de composicin EM kg de mezcla resultanteA + CA + CA + C