REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO
POLITCNICOSANTIAGO MARIOESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICAEXTENSIN
MATURN
EQUIPOS PARA OPERACIONES LQUIDO-LQUIDO
Profesor: Realizado por:
Ing. Luis RiveroBr. Ahmad Ismail.Br. Kenneth AlcobaBr. Solgelys
Brito
Semestre:XI
Seccin:Diurno - H
Maturn, Marzo de 2015
NDICE
INTRODUCCIN1DESARROLLO TERICO3Teoras3Equipos de extraccin3Campos
de Utilidad6Equipos de una sola etapa6Equipos de etapas
mltiples7Extraccin en nica etapa9Diagrama de sistema
ternario10anexos13CONCLUSIN17Bibliografa18
INTRODUCCIN
La extraccin lquido-lquido es un mtodo muy til para separar
componentes de una mezcla. El xito de este mtodo depende de la
diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos
disolventes diferentes. Cuando se agita un compuesto con dos
disolventes inmiscibles, el compuesto se distribuye entre los dos
disolventes. A una temperatura determinada, la relacin de
concentraciones del compuesto en cada disolvente es siempre
constante, y esta constante es lo que se denominacoeficiente de
distribucin o de reparto(K = concentracin en disolvente 2 /
concentracin en disolvente 1).Es frecuente obtener mezclas de
reaccin en disolucin o suspensin acuosa (bien porque la reaccin se
haya llevado a cabo en medio acuoso o bien porque durante el final
de reaccin se haya aadido una disolucin acuosa sobre la mezcla de
reaccin inicial). En estas situaciones, la extraccin del producto
de reaccin deseado a partir de esta mezcla acuosa se puede
conseguir aadiendo undisolvente orgnico adecuado, ms o menos denso
que el agua, que sea inmiscible con el agua y capaz de solubilizar
la mxima cantidad de producto a extraer pero no las impurezas que
lo acompaan en la mezcla de reaccin. Despus de agitar la mezcla de
las dos fases para aumentar la superficie de contacto entre ellas y
permitir un equilibrio ms rpido del producto a extraer entre las
dos fases, se producir una transferencia del producto deseado desde
la fase acuosa inicial hacia la fase orgnica, en una cantidad tanto
mayor cuanto mayor sea su coeficiente de reparto entre el
disolvente orgnico de extraccin elegido y el agua. Unos minutos
despus de la agitacin, las dos fases se separan de nuevo,
espontneamente por decantacin, debido a la diferencia de densidades
entre ellas, con lo que la fase orgnica que contiene el producto
deseado se podr separar mediante una simple decantacin de la fase
acuosa conteniendo impurezas. La posicin relativa de ambas fases
depende de la relacin de densidades. Dado que despus de esta
extraccin, la fase acuosa frecuentemente an contiene cierta
cantidad del producto deseado, se suele repetir el proceso de
extraccinun par de veces ms con disolvente orgnico puro.Una vez
finalizada la operacin de extraccin, se tiene que recuperar el
producto extrado a partir de las fases orgnicas reunidas. Para
ello, se tiene que secar la fase orgnica resultante con unagente
desecante, filtrar la suspensin resultante y finalmente eliminar el
disolvente orgnico de la disolucin seca conteniendo el producto
extrado pordestilacinoevaporacin.Aunque normalmente la extraccin se
utiliza para separar el producto deseado selectivamente de una
mezcla, a veces lo que se pretende con la extraccin es eliminar
impurezas no deseadas de una disolucin.La extraccin lquido-lquido
simple, que es el procedimiento de extraccin ms utilizado en el
laboratorio qumico, se suele utilizar siempre que el reparto del
compuesto a extraer en el disolvente de extraccin es
suficientemente favorable. Cuando eso no es as, y la solubilidad
del compuesto a extraer en los disolventes de extraccin habituales
no es muy elevada se suele utilizar otro procedimiento que implica
una extraccin continua de la fase inicial (normalmente una fase
acuosa) con porciones nuevas del disolvente orgnico de extraccin.
Para evitar utilizar grandes volmenes de disolvente de extraccin,
el proceso se hace en un sistema cerrado en el que el disolvente de
extraccin se calienta en un matraz y los vapores del disolvente se
hacen condensar en un refrigerante colocado sobre un tubo o cmara
de extraccin que contiene la disolucin acuosa a extraer. El
disolvente condensado caliente se hace pasar a travs de la
disolucin acuosa, para llegar finalmente, con parte del producto
extrado, al matraz inicial, donde el disolvente orgnico se vuelve a
vaporizar, repitiendo un nuevo ciclo de extraccin, mientras que el
producto extrado, no voltil, se va concentrando en el matraz.
DESARROLLO TERICO
Teoras
Equipos de extraccin
El equipo para la extraccin lquido-liquido depende de la forma
en que se realice el proceso. Cuando el sistema est formado por
estadios, hay dos fases bien diferenciadas: mezcla ntima y
separacin posterior que a su vez presentan aspectos diferentes segn
el proceso sea continuo o discontinuo.
Los aparatos mezcladores, que consisten generalmente en tanques
con dispositivos de agitacin, deben proporcionar suficiente
superficie de contacto durante un tiempo adecuado para que tenga
lugar la transferencia de soluto.
1. Mezcladores: De los diversos tipos de aparatos empleados en
la mezcla de materiales, los ms utilizados en la extraccin
lquido-lquido son los agitadores y los mezcladores.
a) EXTRACTORES ANULARES ROTATORIOS:
Estos extractores, constan de un cilindro exterior estacionario,
dentro del cual gira un cilindro concntrico. El contacto
liquido-liquido ocurre en el espacio anular entre los dos. Este es
probablemente el tipo ms simple de los extractores agitadores y ha
despertado inters en el campo de los procesos con energa atmica por
su sencillez y porque promete corto tiempo de residencia por etapa.
Esto es necesario en la extraccin de soluciones muy radioactivas
para reducir al mnimo daos ala disolvente. Ver Figura 1
b) EXTRACTORES DE DISCO ROTATORIO:
Este extractor, inventado en holanda posee varios anillos
estatores horizontales, tabiques en forma de anillo que dividen el
extractor en varios pequeos compartimientos cada uno de altura Hc.
Una serie de discos, dispuestos en un eje central en cada
compartimiento, giran para proporcionar la agitacin mecnica. Ver
Figura 2
2. Extractores Centrfugos: Los extractores centrfugos aumentan
la turbulencia y el grado de contacto por el empleo de elevadas
velocidades de rotacin.
a) EXTRACTOR PODBIELNIAK:
Indiscutiblemente son los ms importantes de esta categora. La
rotacin es entorno de un eje horizontal. El cuerpo del extractor es
un tambor cilndrico, cuya construccin interior puede variar
considerablemente. En los primeros modelos, el tambor llevaba un
pasaje de seccin transversal rectangular y arrollado en una espiral
de treinta y tantas vueltas por la cual, los lquidos, en las
propias palabras del inventor se deslizaban como dos serpientes que
se acarician con amor a contracorriente. Los modelos ltimos constan
de cilindros concntricos, perforados con agujeros o hendiduras que
sirven para el paso de ambos lquidos. Ver Figura 3
b) EXTRACTOR LUWESTA:
Este extractor que gira en torno de un eje vertical, es variante
del invento original de Coutor. Tiene tres etapas reales, de
ordinario gira a 3800 r.p.m y su capacidad de flujo se acerca a
1300 galones/hora. Se usa ms extensamente en Europa que en Estados
Unidos, principalmente en la industria farmacutica. Ver Figura
4
3. Columnas de destilacin: El tipo ms corriente de aparato es el
de columna, cuya seccin viene fijada por los caudales que se deben
manejar y cuya altura depende de la separacin a conseguir. Lo mismo
que en rectificacin y absorcin, los tipos ms importantes de
columnas son las de pulverizacin, de relleno y de platos. En la
figura se especifican detalladamente dichas columnas de extraccin.
Ver Figura 5
a) TORRE DE EXTRACCIN DE PLATOS PERFORADOS
Las gotas del solvente ligero se dispersan, y tienden a
elevarse. Las gotas dispersadas coleasen o se aglutinan debajo de
cada plato y se vuelven a formar por encima de ste. El lquido
acuoso pesado fluye hacia abajo en los platos, se pone en contacto
con las gotas flotantes y despus pasa por la bajada del plato hacia
el plato inferior. Ver Figura 6
b) TORRES DE EXTRACCIN EMPACADAS Y DE ROCO
El lquido pesado entra por la parte superior de la torre de
roco, llena la torre, lo que constituyendo la fase continua y fluye
hacia afuera, por el fondo.El lquido ligero entra a travs de un
distribuidor en el fondo, que lo dispersa hacia arriba en forma de
roco de gotas pequeas.El lquido ligero se aglutina en la parte
superior y fluye hacia afuera. Ver Figura 7
Campos de Utilidad
Cuando la separacin por destilacin no es eficaz o es muy difcil.
Cuando hay mezclas con temperaturas de ebullicin muy prximas.
Sustancias que no pueden soportar las temperaturas de destilacin.
Como sustituto de mtodos qumicos. Para extraer productos sensibles.
No depende de las presiones de vapor sino que utiliza diferencias
de estructura qumica en vez de diferencia de volatilidad. Puede
utilizarse para separar ms de dos componentes y en algunas
aplicaciones se requiere una mezcla de disolventes en vez de uno
solo. Extraccin a contracorriente. En este tipo de operaciones, la
solucin a ser extrada se denomina alimento o refinado inicial, y el
lquido con el que se pone en contacto disolvente. La fase rica en
disolvente se denomina extracto y el lquido residual de donde se ha
eliminado el soluto se denomina refinado.
Equipos de una sola etapa
Est formado por una unidad de extraccin. En l, el disolvente y
la alimentacin se pones juntos en las cantidades que se estimen
convenientes y se separan las dos fases formadas.
Cuando se agita un compuesto con dos disolventes inmiscibles, el
compuesto se distribuye entre los dos disolventes. A una
temperatura determinada, la relacin de concentraciones del
compuesto en cada disolvente es siempre constante, y esta constante
es lo que se denomina:
Coeficiente de distribucin o de reparto (K = concentracin en
disolvente 2 / concentracin en disolvente 1).
Equipos de etapas mltiples
Mezcladores-Sedimentadores. Este tipo de equipo puede variar
desde un solo tanque, con agitador, que provoca la mezcla de las
fases y despus se dejan sedimentar, hasta una gran estructura
horizontal o vertical compartimentada. En general, la sedimentacin
se realiza en tanques, si bien algunas veces se utilizan
centrfugas. Sin embargo, la mezcla puede realizarse de formas
diferentes, como por impacto en un mezclador de chorro, por accin
de cizalladura cuando ambas fases se alimentan simultneamente en
una bomba centrfuga, mediante inyectores donde el flujo de un
lquido es inducido por el otro, o bien por medio de orificios o
boquillas de mezcla.
Torres de platos. En este caso se prefieren los platos
perforados. La separacin entre los platos es mucho menor que en
destilacin: 10-15 cm para la mayor parte de las aplicaciones con
lquidos de baja tensin interfacial. Cuando se opera con un rgimen
de flujo adecuado, las velocidades de extraccin en columnas de
platos perforados son elevadas debido a que las gotas de la fase
dispersa coleasen y se vuelven a formar en cada etapa. Esto
favorece la destruccin de gradientes de concentracin que se pueden
formar cuando las gotas pasan sin perturbacin a travs de toda la
columna. Las columnas de platos perforados para extraccin estn
sometidas a las mismas limitaciones que las columnas de destilacin:
inundacin, arrastre y goteo. Con frecuencia se presentan problemas
adicionales como la formacin de suciedad que sobrenada y que se
origina por la presencia de pequeas cantidades de impurezas.
Columna de Bandejas.
Torres de pulverizacin. Como en absorcin de gases, la dispersin
en la fase continua limita la aplicacin de este equipo a los casos
en los que solamente se requiere una o dos etapas.
Torres de relleno. Para extraccin lquido-lquido se utilizan los
mismos tipos de relleno que en absorcin y destilacin. Es preferible
utilizar un material que sea preferentemente mojado por la fase
continua. En las columnas de relleno la dispersin axial es un
problema importante y la HETP es generalmente mayor que en los
dispositivos por etapas.
Contactos de Etapas
Contacto Sencillo: Extraccin en una sola etapa.Est formado por
una unidad de extraccin. En l, el disolvente y la alimentacin se
ponen juntos en las cantidades que se estimen convenientes y se
separan las dos fases formadas. En la figura 8 se da un esquema de
este mtodo para el caso en que la capa del extracto tiene una
densidad inferior a la del refinado. Este sistema es poco usado
prcticamente. Contacto Mltiple.Una mejora del proceso anterior
consiste en dividir el disolvente en varias partes y tratar la
alimentacin sucesivamente con cada una de ellas. En la figura 08 se
representa un sistema de tres unidades. La extraccin del soluto es
ms completa que en el caso anterior y puede ser llevadas hasta los
lmites que se deseen aumentando el nmero de estadios. Este mtodo es
el corrientemente usado en el laboratorio. Contacto Mltiple en
Contracorriente.El mtodo est basado en poner la alimentacin, rica
en soluto, en contacto con una disolucin concentrada de este, y los
refinados pobres en contacto con disoluciones tanto ms diluidas
cuanto menor es la concentracin de aquellos. Ver Figura 8 Contacto
Diferencial en contracorriente.El mtodo est basado en la diferencia
de densidad de las dos fases que se forman para conseguir la marcha
en contracorriente, la fase menos densa se introduce por la seccin
inferior de una columna de torre y la ms pesada por la parte
superior. Ver figura 9 Extraccin con reflujo.Cuando uno de los
componentes de la alimentacin es parcialmente miscible con el
disolvente, solamente l puede ser obtenido puro, apareciendo en la
otra fase una mezcla de los dos componentes. El reflujo, que puede
ser aplicado a una fase o a las dos simultneamente tiene por objeto
colocara a la fase que se trate en las condiciones ms favorables
para una mejor separacin del componente a extraer. Ver figura
10
Extraccin en nica etapa Son necesarias las Lneas de Operacin y
de Equilibrio. Se supone que, el slido ya libre de soluto, es
insoluble en el solvente. Se dispone de suficiente disolvente y
suficiente tiempo para lograr la disolucin del soluto. No hay
adsorcin del soluto en el slido durante la extraccin. El soluto no
es soluble en el slido inerte.
Diagrama de sistema ternario
En el diseo de una operacin de extraccin lquido-lquido suele
considerarse que el refinado y el extracto se encuentran
equilibrio. Los datos de equilibrio que debern manejarse sern como
mnimo los correspondientes a un sistema ternario (dos disolventes y
un soluto), con dos de los componentes inmiscibles o parcialmente
inmiscibles entre s. Una de las formas ms habituales de recoger los
datos de equilibrio en sistemas ternarios son los diagramas
triangulares. En la Figura 2 se muestra un diagrama triangular
equiltero. Los vrtices del tringulo representan compuestos puros,
un punto sobre un lado correspondera a una mezcla binaria y un
punto en el interior del tringulo representara una mezcla ternaria.
La composicin de una mezcla puede determinarse por lectura directa
en el diagrama, tal como muestra la Figura. La concentracin de los
componentes en el diagrama se muestra como fraccin molar o fraccin
msica.
En los sistemas de inters para la extraccin lquido-lquido los
dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente
inmiscibles entre s. Es decir, su mezcla en las proporciones
adecuadas puede dar lugar a la formacin de dos fases. Adems, la
presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en
otro. Para representar este comportamiento, y poder conocer si a
una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los
diagramas triangulares lquido-lquido presentan la denominada curva
binodal o de solubilidad. Una mezcla representada por un punto
situado por encima de la curva binodal estar constituida por una
sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la
curva binodal le corresponden dos fases. Las dos fases en
equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta
de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva
binodal indican la concentracin de las dos fases en equilibrio.
Por Ejemplo la siguiente figura representa el diagrama del
sistema ternario donde se hace la extraccin de una mezcla
acetona-agua con un 50% en peso de acetona mediante 3 etapas con
flujo cruzado de disolvente. Se utilizar como alimentacin 25 g de
mezcla acetona-agua. Como disolvente se emplearn 75 g de MIC
(metilisobutilcetona), que se repartirn a razn de 25 g en cada
etapa. Se determinar el ndice de refraccin del extracto y refinado
resultantes de cada una de las extracciones.
anexos
Figura 1 Figura 2
Figura 3 Figura 4
Figura 6
Figura 5 Figura 7
Figura 08
Figura 8
Figura 9
Figura 10
CONCLUSIN
Bibliografa
Coulson, J.M. y J.F. Richardson. Ingeniera Qumica. Tomo II.
Operaciones bsicas. Editorial Revert, Barcelona, 1988.Hines, A.L. y
R.N. Maddox. Mass Transfer. Fundamentals and Applications. Prentice
Hall PTR, Upper Saddle River, 1985.Henley, E.J. y Seader, J.D.
Operaciones de separacin por etapas de equilibrio en Ingeniera
Qumica. Revert, Barcelona. 1988.
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