2. Consideraciones Generales:
Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la
extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar.
Utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias
de Volatilidad
Los aromáticos no pueden separarse por destilación debido a
que se solapan los puntos de ebullición. Los aromáticos se
extraen del reformado catalítico utilizando un disolvente polar
de alta temperatura de ebullición y después se destila el
extracto para dar benceno, tolueno y xilenos puros que se
utilizan como productos químicos intermedios.
Cuestiones tales como etapas ideales, eficacia de las etapas,
relación mínima entre las dos corrientes y tamaño del equipo
tienen la misma importancia en extracción que en destilación.
3. Conceptos:
EXTRACCIÓN
ALIMENTACIÓN
(Disolvente A + soluto)
REFINADO
(Disolvente A )
DISOLVENTE
(Disolvente B)
EXTRACTO
(Disolvente B + soluto)
Operación básica de separación de los componentes de una
mezcla líquida mediante transferencia de materia a otro disolvente
inmiscible o parcialmente inmiscible con ella y de distinta
naturaleza.
En la extracción líquido-líquido (extracción con disolventes) se
separan los componentes de una mezcla líquida por medio del
contacto con otro líquido inmiscible o parcialmente miscible.
Los componentes se distribuyen de forma selectiva entre las dos
fases líquidas permitiendo su separación.
4. Corrientes implicadas:
Alimentación: Disolución cuyos componentes se
desea separar.
Disolvente: Líquido utilizado para separar el
componente deseado.
Refinado: Corriente de alimentación ya tratada.
Extracto: Disolución con el soluto recuperado.
Conceptos:
5. Conceptos:
El caso más sencillo (o al que simplificamos otros problemas más
complejos) es la de un sistema ternario compuesto por:
Soluto (A), que es el que nos interesa separar
El disolvente (B), el líquido que añadimos a la mezcla inicial
Diluyente o líquido portador (C), el que acompaña al soluto en la mezcla
inicial.
El diluyente y el disolvente como mucho son parcialmente miscibles
y son los componentes mayoritarios de las dos fases formadas
6. Conceptos:
1° - Etapa de contacto íntimo entre las
fases: Se produce la transferencia de
soluto de la mezcla original al disolvente,
hasta alcanzar el equilibrio entre las fases.
2º - Etapa de separación de las fases: Se
obtiene el refinado y el extracto.
Tipo de contacto Modo de mezcla
- Continuo - Agitación mecánica
- Discontinuo - Circulación de los fluidos
7. Algunas veces la extracción por disolvente se usa como una
alternativa a la separación por destilación o evaporación.
Por ejemplo, el ácido acético se separa del agua por destilación o
por extracción con disolvente, usando un disolvente orgánico.
Después de esta operación, el producto resultante (disolvente
orgánico-ácido acético) se destila.
La selección de destilación o extracción con disolvente depende
en gran parte, de los costos relativos.
La concentración de ácido acético es un ejemplo que muestra las
características típicas de esta operación. Se trata de obtener ácido
acético glacial (pureza mínima del 99,8% en peso) a partir de una
solución acuosa que contiene 22% en peso de ácido.
Se usa una columna tipo RDC (Rotating Disk Contactor), en la que
se efectúa la extracción con acetato de etilo en contracorriente.
El ácido pasa mayoritariamente a la fase orgánica y sale de la
columna en la corriente que se conoce como extracto.
La corriente acuosa que sale por el fondo, el refinado, es
fundamentalmente el diluyente con el soluto que no se ha extraído.
Ejemplo:
9. Elementos comunes en
equipos de Extracción L-L
En el proceso se encuentran elementos comunes a otras unidades
(equipos) de extracción líquido – líquido:
La elección de la extracción frente a otras alternativas, como la
destilación.
Se requieren otras unidades de separación adicionales (en este
caso destilaciones)
Es necesario hacer un aporte de disolvente para compensar las
pérdidas en el producto.
Puede existir generación de agua residual, que con la pérdida
de solventes constituyen un problema ambiental. Coste
adicional de tratamiento de efluentes.
Las separaciones adicionales, reducen la ventaja económica de
la extracción L-L
10. Extracción L-L vs Destilación:
La Extracción L-L es preferida frente a la destilación
en los siguientes casos:
Componentes diluidos
Componentes con alto punto de ebullición
relativamente diluidos
Componentes que se degradan a alta
temperatura
Separaciones por características químicas frente a
volatilidad relativa
Azeótropos o sistemas con puntos de ebullición
muy próximos
11. Tipos de Sistemas:
Una notación conveniente para clasificar las mezclas
empleadas en extracción liquido-líquido es C/N, donde C es el
número de componentes y N el número de parejas
parcialmente miscibles.
Las mezclas 3/1, 3/2 y 3/3 son denominadas por algunos autores
como “Tipo I, Tipo II y Tipo III”.
Un sistema 3/1, con solamente una pareja parcialmente
miscible, es furfural-etilenglicol-agua, donde la pareja
parcialmente miscible es furfural-agua.
12. En otro tipo de sistemas menos habitual hay dos parejas de
componentes que son parcialmente miscibles.
Estos sistemas pueden tener distintas formas. Un ejemplo se
presenta a continuación, en el cual las curvas de saturación y de
reparto son continuas.
Tipos de sistemas
Dos pares de componentes parcialmente miscibles
13. Tipos de sistemas
Representación gráfica en diagrama triangular rectangular de los
datos de equilibrio para un sistema de tipo 2: P y P' son los puntos
de conjunción o nodales de las dos curvas binodales que presenta
el sistema
Tipo 2: Dos pares de componentes son parcialmente miscibles
14. Tipos de sistemas
Tipo 3: Los tres pares de componentes son parcialmente miscibles
(carecen de interés en las operaciones de extracción)
Los tres sistemas B-C, B-S y C-S
son parcialmente miscibles y
dispone de tres curvas
binodales con los puntos de
conjunción P, P' y P
respectivamente
Los tres sistemas B-C, B-S y C-S
son parcialmente miscibles.
Presenta: una región trifásica:
MNK y tres regiones bifásicas:
GKNJ, G'MNJ', G''MKJ", y tres
regiones monofásicas: JUBGK,
JNJ'S y G'MG1'C.
15. Efecto de la Presión y la Temperatura
A mayor T, la
solubilidad mutua
aumenta,
pudiéndose llegar a
un punto donde solo
queda una sola fase
líquida.
También puede
influir en la
inclinación de las
curvas de reparto
16. Equilibrios y composiciones de
las fases
En sistemas donde hay varias fases líquidas, los
componentes se reparten de forma desigual en el
equilibrio (lo cual se explota para su separación).
Al mezclar una solución de ácido acético con acetato
de etilo, debido a su inmiscibilidad, se forman dos fases.
De la fase acuosa se transfiere ácido y muy poca agua
a la fase orgánica, con lo cual hemos conseguido
modificar la relación de componentes en la solución
acuosa.
Para sistemas ternarios es posible representar los datos
de equilibrio en distintos tipos de diagramas, en los que
se pueden realizar cálculos de forma gráfica.
17. Tipos de Diagramas
En extracción el tipo más común de sistema es el de tres
componentes con dos parcialmente miscibles, siendo el soluto
totalmente miscible con los dos.
Las curvas de reparto tienen una inclinación que favorece la
concentración de soluto en una de las fases.
La inclinación varía según el rango de composiciones. Pero
generalmente no suele cambiar el sentido de la inclinación.
En algunos sistemas (benceno-agua-isopropanol) si ocurre, pasando
por una recta horizontal. Este fenómeno se llama solutropía.
Dos componentes parcialmente miscibles
18. Diagramas Triangulares
Equiláteros
El furfural se utiliza como un
disolvente para separar el
soluto (etilenglicol) a partir
una solución acuosa.
Agua y furfural son bastante
inmiscibles.
Etilenglicol es totalmente
miscible tanto con agua
como con furfural.
La fase rica en furfural recibe
el nombre de extracto, y la
fase rica en agua el de
refinado.
19. Diagramas Triangulares
Equiláteros
En el diagrama encontramos una curva en forma de
campana, que es el lugar geométrico de las
concentraciones de las fases en equilibrio (curva de
saturación)
Los puntos al interior de la curva representan mezclas que
forman dos fases, mientras que los que están fuera
representan mezclas con una sola fase.
La curva está dividida en dos por un punto crítico, en el
que las composiciones de las dos fases se igualan,
desapareciendo el equilibrio bifásico.
Por debajo de este punto, las rectas de reparto unen las
composiciones de las fases en equilibrio.
20. Diagrama Triangular
Rectangular
Es similar al anterior
Se ha cambiado la
escala.
Es de más fácil lectura
Se muestran las
concentraciones de dos
cualesquiera de los tres
componentes.
Normalmente se utilizan
el soluto y el disolvente.
22. Curvas de reparto
Representaciones en coordenadas rectangulares de las
concentraciones del soluto en ambas fases.
La relación de coordenadas para cada punto de la curva es un
coeficiente de distribución KDi = YEi/XRi.
Las curvas x-y o X-Y se pueden utilizar para interpolar rectas de
reparto
24. Diagrama de Janecke
Se representa en abscisas
la concentración de soluto
en base libre de disolvente
y en ordenadas la del
disolvente en base libre de
disolvente.
Ordenada:
S = furfural/(agua + glicol)
Abscisa
glicol/(agua + glicol)
25. Selección del disolvente
Coeficiente de distribución
Valores mayores que 1 son deseables, ya que implican
que se requiere menos disolvente para llevar a cabo la
operación
Selectividad
Para que la separación sea posible esta selectividad
debe ser distinta de uno, y cuanto más distinta de la
unidad sea, más fácil será la separación.
Insolubilidad del disolvente
Recuperabilidad
Es conveniente que las sustancias que se encuentren
en menor cantidad en el extracto fueran las más
volátiles. De ser el disolvente el que debe volatilizarse,
debe procurarse que su calor latente sea lo menor
posible
Densidad
Se seleccionarán aquellos disolventes con densidad lo
más distinta posible a la mezcla a extraer
26. Selección del disolvente
Tensión interfacial
Cuanto mayor sea la tensión superficial entre las
fases extracto y refinado con mayor facilidad
coalescerán sus emulsiones y con mayor dificultad
se conseguirá su mutua dispersión.
Reactividad y corrosividad
Inertes tanto respecto a los componentes del
sistema, como respecto a los materiales de
construcción de las instalaciones
Viscosidad, presión de vapor, inflamabilidad,
temperatura de congelación, coste y toxicidad
Todas estas propiedades deben tenerse en cuenta y
deben ser lo más bajas posible, para facilitar el manejo y
almacenamiento de los disolventes.
27. Características de un buen
solvente
•Alta selectividad
•Fácil de regenerar
•Baja solubilidad con la
alimentación
•Diferencia importante entre
la densidad del solvente y la
de la alimentación
•Tensión interfacial moderada
•Baja viscosidad
•No debe ser muy corrosivo
•Baja inflamabilidad y
toxicidad
•Bajo costo y de fácil
disponibilidad
28. Métodos de Extracción
1. Contacto Sencillo
2. Contacto Múltiple en corriente directa
3. Contacto Múltiple en contracorriente
4. Contacto Diferencial en contracorriente
5. Extracción con reflujo
En todos ellos, se realizan los siguientes pasos:
a. Contacto del material a extraer con el solvente
b. Separación de las fases formadas
c. Recuperación del solvente
Si en una etapa de extracción el contacto es lo suficientemente
íntimo para que se alcance el equilibrio, aquella recibe el nombre
de ideal o teórica. Prácticamente, el número de unidades a
emplear suele ser superior al de etapas teóricos requeridos
29. MÉTODOS DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO:
1. Contacto Sencillo
2. Contacto en corriente directa
32. Contacto Sencillo
una unidad de extracción
disolvente y alimentación se ponen juntos en las cantidades que se
estimen convenientes y se separan las dos fases formadas
La cantidad de soluto que pasa al disolvente está determinada por
las relaciones de solubilidad, por la cantidad de disolvente utilizado
y por la aproximación al equilibrio (eficacia de la etapa).
Este sistema es poco usado, pues
no permite una recuperación
total del soluto.
La concentración del extracto
obtenido suele ser baja y la
recuperación del disolvente
costosa.
Puede ser discontinuo o continuo
(mezcladores-sedimentadores)
33. CÁLCULOS
Contacto Sencillo:
Etapa 1. Localizar las corrientes de alimentación y de
solvente puro
Etapa 2. Definir M, el punto de mezcla (obtener la
composición global de M)
F + S = M = E + R
Etapa 3. Si M está en la región de dos fases, la mezcla se
separará en la fase de extracto E y la fase de refinado R,
cuyas composiciones estarán dadas por la línea de reparto
que pase por M.
Etapa 4. Se aplica la regla de la palanca para obtener los
flujos de E y R.
Etapa 5. La composición del extracto exento de disolvente
se obtiene prolongando la línea que pasa por el punto E
34. Problema
Calcúlese la composición de las fases en equilibrio
que se forman cuando una solución del 45% en
peso de glicol (G) y 55% en peso de agua (W) se
pone en contacto con su mismo peso de furfural (F)
a 25°C y 101 kPa.
Equilibrium
Stage
Furfural, S
100g, 100%C
Feed, F
100g, 45%B, 55% A
Extract, E
Refinate, R
40. Solvente Mínimo y Máximo
Solvente Mínimo: Menor cantidad de solvente “S” capaz de
producir una separación de fases
Solvente Máximo: Mayor cantidad de solvente “S” que puede
agregarse al sistema sin que coalescan las fases.
41. Contacto Múltiple
Dividir el disolvente en varias partes y tratar la alimentación
sucesivamente con cada una de ellas
La extracción del soluto es más completa que en el caso anterior y
puede ser llevada hasta los límites que se deseen aumentando el
número de etapas.
La concentración en las distintas capas del extracto es cada vez
menor, con el consiguiente aumento de coste en la recuperación del
disolvente.
Los resultados de la extracción dependen de la cantidad de disolvente
utilizada y de la forma de llevar a cabo la división de la cantidad total
de disolvente.
43. Contacto Múltiple
Determinar el número de etapas para conseguir una separación
dada (obtener un refinado final con una determinada concentración
de soluto, o extraer una determinada cantidad del mismo en las
corrientes de extracto)
Conociendo los siguientes datos:
Caudal de Ro y su composición: XCo, XDo.
Caudal de Eo y su composición: yCo, YDo.
Composición del refinado final: XCnf
Se puede plantear el problema de dos formas distintas dependiendo
de que se conozca la cantidad total de disolvente (EoT) o la cantidad
alimentada a cada etapa (Eo).
44. Contacto Múltiple
Conociendo Eo
Como en el caso de una sola etapa el punto M1 se localiza
en la recta que une Eo con Ro, en el punto de abscisa zC1
Las composiciones (xC1 e yC1) y caudales de E1 y Rl se
determinan como en el caso de contacto sencillo,
localizando la recta de reparto que pasa por M1.
Si xC1, es mayor que xCnf, es evidente que se requiere al
menos una etapa más.
Determinar la fracción de etapa (caso de que no se llegue
exactamente a xCnf)
También podría determinarse (ajustarse) la cantidad de
disolvente en la última etapa para conseguir, en dicha
etapa, exactamente la composición de refinado
especificada
45. Contacto Múltiple
Si se conoce EoT (cálculo iterativo):
Suponer un número de etapas
Conocido n, se puede determinar la cantidad
de disolvente que entraría en cada una de
ellas (Eo=EoT/n).
Utilizar el proceso descrito en el apartado
anterior.
Si el número de etapas calculado coincide con
el supuesto, se habrá encontrado la solución.
En caso contrario, habrá que repetir el
procedimiento hasta hacer coincidir el número
de etapas supuesto y calculado
46. Extracción en varias etapas a contracorriente
Dado que ΔR es constante en cada etapa, entonces el Refinado de la
etapa “n” y el extracto de la etapa “n+1” se encuentran sobre una
recta que pasa por el punto ΔR.
48. Extracción en contracorriente
Se pueden presentar dos tipos de problemas.
El cálculo del número de etapas para una
separación especificada
El cálculo de la separación conocido el número de
etapas (y lógicamente las cantidades y
composiciones alimentadas).
El primer caso corresponde a un problema de diseño
y el segundo a simulación
49. Extracción en contracorriente
Diseño:
Datos que se conocerán:
Alimento Ro, xCo, xDo
Disolvente Eo, yCo, yDo
Composición del refinado final especificada xCn
50. Extracción en contracorriente
- E1 y Rn no están en equilibrio. No salen
de la misma etapa.
- Pero son corrientes de equilibrio (deben
ubicarse en la curva de equilibrio).
- Rn se puede ubicar en la curva, pues se
conoce su composición (es dato)
- Se puede ubicar el punto
correspondiente a E1 (línea que une RnM)
Ei+1 y Ri están alineados con
se encuentra en la intersección de las rectas E1Ro y EoRn
51. Extracción en contracorriente
Todas las corrientes indicadas se obtienen del siguiente modo:
Empezando por E1, se determina la corriente R1 en
equilibrio.
La corriente E2 se sitúa en la intersección de la recta R1 con
la curva de solubilidad (en la zona del extracto).
El punto R2 se determina por el equilibrio con E2.
Este proceso se repite hasta que se rebase la composición
de la corriente de refinado final especificada. La fracción
de etapa, caso de no alcanzarse exactamente, se
determina análogamente al caso anterior.
53. Relaciones de caudales máxima y mínima
Cálculo de (Eo)max
Si para un valor dado de Ro se va aumentando
Eo, el punto M se irá aproximando a Eo.
La posición del polo se va desplazando
llegará un momento (M”) en el que las rectas
EoRn y E”1Ro serán paralelas y el punto se
situará en el infinito
Si se sigue aumentando la cantidad de
disolvente, las rectas se cortarán en la parte
superior del diagrama, por ejemplo en ’’’
Cuando M se sitúa sobre la rama superior de la
curva de equilibrio (M*), coincidirá con el punto
representativo de Eo
En ese momento, el caudal de la fase extracto
será el máximo teóricamente permisible.
Una cantidad mayor de Eo supondría que no
podría llevarse a cabo la extracción planteada
54. Cálculo de (Eo)min fijado Ro
si en un momento dado una recta
operativa coincide con una recta de
reparto, el número de etapas de equilibrio
resultaría infinito
el cálculo de (Eo)min se basa en
determinar cuando se produce esa
circunstancia
se sitúan los puntos Eo, Rn y Ro, se traza la
línea EoRn y se prolongan las rectas de
reparto hasta que la cortan.
Esto sólo debe hacerse con las que se
encuentran a la izquierda de Ro y la que
pasa por él
La recta de reparto que corte más abajo a
la recta EoRn nos dará el min
(generalmente, es precisamente la que
pasa por Ro la que produce esta
circunstancia)
Con ese se puede situar (E1)min (sobre la
intersección de la recta minRo con la
curva de solubilidad)
Relaciones de caudales máxima y mínima
55. Problema
Para un nuevo proceso, se desea estudiar en una primera
aproximación un diagrama de flujo simplificado como el de la figura:
En el proceso, mucho más complejo que el representado, una
solución acuosa de sales se pone en contacto en contracorriente
con alcohol amílico para extraer ácido clorhídrico, de forma que al
retirarse de la fase acuosa, se desplace la reacción de interés. Para
regenerar el disolvente, se reextrae el ácido con agua de manera
que se pueda alcanzar en la solución acuosa de salida una
concentración del 10%, lo que permite su utilización en otra planta.
56. En la simplificación que se realiza, la unidad de extracción-reacción se
simula con una convencional de extracción líquido-líquido del ácido
en la que todo aquello que no es alcohol o clorhídrico se representa
por un componente que es fundamentalmente agua. La
reextracción es verdaderamente una operación de extracción
líquido-líquido. En estas condiciones se dispone de datos
experimentales a 30 y 90 ºC que se han representado como de
equilibrio líquido-líquido en diagramas triangulares y curvas de reparto.
El cálculo se hará para una alimentación de 220 t/h de una solución
acuosa con un 10% de HCl y 1,3% de alcohol. Se considerará que se
consigue el objetivo de la extracción cuando la composición de
clorhídrico en la fase acuosa se reduce al menos a la mitad. Se quiere
conocer:
Temperaturas de trabajo en las unidades de extracción y
reextracción.
Número de etapas de equilibrio en cada unidad.
Datos de composiciones, temperaturas y caudales para todas las
corriente numeradas en una tabla de balance de materia. (La
corriente 8 es alcohol amílico puro.)
61. RE-ECTRACCIÓN: No es posible conseguir la especificación con las
condiciones dadas, ya que la composición en equilibrio de la fase orgánica
para la solución acuosa de HCl del 10% es superior a la de la alimentación
(fijarse en la línea verde, curva de reparto que parte del 10% de HCl, la
composición en equilibrio es ligeramente superior a la de la alimentación)
62. Para lograr el 10% necesitamos una alimentación más
cargada en HCl. Establezcamos la condición de tener un 3%
en la corriente 4
Hacer re-cálculo en la extracción (similar
a lo hecho en re-extracción)
Recalcular la fase de re-extracción
Al comparar las corrientes 5 y 3 vemos
que la diferencia en los caudales másicos
de cada componente es inferior al 1%.
Con fines prácticos relativos al problema,
podemos aceptar como solución
