Guia 2 extracion liquido - liquido

Prof: Ing. Juan Proaño Página 1

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA
PROGRAMA DE INGENIERÍA PETROQUÍMICA
OPERACIONES UNITARIAS II
UNIDAD 2:
OPERACIONES LÍQUIDO –
LÍQUIDO
Extracción Líquido - Líquido.


UNIDAD I: OPERACIONES LÍQUIDO – LIQUIDO
Extracción Líq. – Líq.
1. Introducción
Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido
es una de las alternativas a considerar. Mezclas con temperaturas de ebullición próximas o
sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, aun operando a vacío, con
frecuencia se separan de las impurezas por extracción, que utiliza diferencias de estructura
química en vez de diferencias de volatilidad. Por ejemplo, en la obtención de la penicilina
se recupera del caldo de fermentación por extracción con un disolvente, tal como acetato de
butilo, después de disminuir el pH para obtener un coeficiente de partición favorable. El
disolvente se trata después con una disolución tampón de fosfato para extraer la penicilina
del disolvente y obtener una disolución acuosa purificada, a partir de la cual se obtiene
eventualmente la penicilina por secado. La extracción también se utiliza para recuperar
ácido acético de disoluciones diluidas; la destilación sería posible en este caso, pero la
etapa de extracción reduce considerablemente la cantidad de agua que es preciso destilar.
La extracción líquido-líquido, a menudo llamada extracción con disolventes, consiste en la
separación de los constituyentes de una mezcla líquida por contacto con otro líquido
inmiscible (parcial o totalmente inmiscible), por lo tanto, no supone cambio de estado
físico. Si los componentes de la mezcla original se distribuyen de forma diferenciada entre
las dos fases líquidas, se produce un cierto grado de separación, que puede acentuarse por
la combinación de etapas múltiples, tal como ocurre en operaciones como la destilación o la
absorción
2. Descripción del Proceso.
La extracción líquido-líquido, es un proceso físico de separación que utiliza la diferencia de
solubilidad y que consiste en poner una mezcla líquida en contacto con un segundo líquido
miscible, que selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla.


La extracción liquido - liquido consiste en la separación de un constituyente de una mezcla
liquida (disolución Liquido) por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve
preferentemente a uno de los constituyente de la disolución original, dando lugar a la
aparición de dos capas líquida inmiscible de diferente densidades, donde se puede lograr
cierto grado de separación, donde pueden incrementarse mediante el uso de contacto
múltiples o su equivalente en la forma de la absorción de gases y la destilación. El solvente
de extracción usado debe ser insoluble o soluble solamente a un grado limitado en la
solución que se va a extraer (parcialmente soluble). El soluto a extraer deberá tener una
elevada afinidad por el solvente de extracción.
En esta operación unitaria, las corrientes que se obtienen en el proceso son denominadas de
la siguiente manera:
Figura 1: Diagrama del proceso de extracción liquido – líquido.
 Alimentación o Diluyente: solución a la cual se le va a extraer un componente
determinado (soluto).
 Solvente o Disolvente: líquido que se coloca en contacto con la corriente de
alimentación y extrae uno de los componentes (soluto).
 Extracto: producto rico en solvente y soluto, aunque contiene presencia del
diluyente.
 Residuo o Refinado: líquido residual de donde se separa el soluto y es rico en
líquido de alimentación aunque tiene presencia del soluto y solvente.


3. Aplicaciones.
 Como sustituto o complemento de otras operaciones de transferencia de masa
(Destilación, Evaporación, entre otras).
 Como sustituto de métodos químicos (Los métodos químicos consumen reactivos y
con frecuencia conducen a una costosa eliminación de los subproductos químicos).
 Aplicaciones industriales:
 Industria Farmacéutica: purificación de vitaminas.
 Industria Química: separación de olefinas y parafinas, procesamiento de
polímeros.
 Industria Metalúrgica: producción de cobre.
 Industria Alimentos: separación de aceites esenciales.
 Industria Petrolera: separación de compuestos aromáticos y alifáticos.
4. Características de un buen Solvente.
 Coeficiente de Distribución: se define como: , Aunque no es necesario
que este coeficiente sea mayor que la unidad, valores mayores son deseables, ya que
implican que se requiere menos disolvente para llevar a cabo la operación.
 Selectividad: La efectividad de un disolvente a los efectos de separación de los
componentes i, j de una cierta mezcla, vendrá expresada por el valor de la
concentración relativa de los mismos en las fases extracto y refinado, es decir, por el
valor de la relación: . 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. De este parámetro dependerá el número de etapas necesarias para una
separación dada.
 Insolubilidad del Solvente: mientras menor sea la solubilidad del solvente con el
diluyente más fácil resultara la operación de extracción.


 Recuperabilidad: Puesto que siempre habrá que recuperar el disolvente para su
reutilización, y ordinariamente tal recuperación se realiza por rectificación, resultará
indispensable que el solvente no forme azeótropos con los componentes del sistema
y, a ser posible, que las volatilidades relativas de éstos respecto al solvente sean lo
más alejadas posible.
 Densidad: Evidentemente, resulta indispensable que las densidades de las fases en
equilibrio sean distintas para que sea viable la extracción. La operación se
desarrollará más fácilmente cuanto mayor sea la diferencia de densidades. Así pues
se seleccionarán aquellos disolventes con densidad lo más distinta posible a la
mezcla a extraer.
 Tensión Interfacial: Cuanto mayor sea la tensión superficial entre las fases
extracto y refinado con mayor facilidad se fundirán sus emulsiones y con mayor
dificultad se conseguirá su mutua dispersión.
 Reactividad y Corrosión: Los disolventes deben ser químicamente estables, es
decir, 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,
costo 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.
5. Equilibrio Líquido – Líquido.
La extracción supone el uso de sistemas compuestos por tres sustancias cuando menos;
aunque las fases insolubles son predominantemente muy distintas desde el punto de vista
químico, en la mayoría de los casos los tres componentes aparecen en cierto grado en las
dos fases.


a) Regla de las fases: En general, un sistema líquido-líquido tiene tres componentes,
A, B y C, y dos fases en equilibrio. Sustituyendo en la regla de las fases, los grados
de libertad son 3, y las variables son temperatura, presión y las cuatro
concentraciones. (Hay cuatro concentraciones porque sólo es posible especificar dos
de las tres concentraciones de fracciones de masa de una fase.)
b) Coordenadas triangulares y datos de equilibrio: Las coordenadas triangulares
equiláteras se usan con mucha frecuencia para representar los datos de equilibrio de
un sistema de tres componentes, puesto que se tienen tres ejes. Esto se muestra en la
Figura 2. Cada uno de los tres vértices representa un componente puro, A, B o C.
El punto M representa una mezcla de A, B y C, la distancia perpendicular desde el
punto M hasta la base AB representa a la fracción de masa XC de C en la mezcla en
el punto M, la distancia a la base CB es la fracción de masa XA de A, y la distancia
a la base AC es la fracción de masa XB de B. De esta forma; XA + XB + XC = 0.40 +
0.20 + 0.40 = 1.0
Figura 2: Diagrama Triangular.
En la Figura 3, se muestra un diagrama de fases común de un par de componentes A
y B parcialmente miscibles. Con respecto a la Figura 3, el líquido C se disuelve por
completo en A o B. El líquido A es muy poco soluble en B y B es un poco soluble


en A. La región de dos fases corresponde a la zona delineada por la curva
envolvente. Una mezcla original de composición M se separa en dos fases a y b que
están en la línea de unión de equilibrio que pasa a través del punto M. (Se muestran
también otras de líneas de unión.) Ambas fases son idénticas en el punto P, que se
llama punto de Plait.
Figura 3: Diagrama de fases liquido-líquido en el que los componentes A y B son
parcialmente miscibles.
Algunas de las características de un proceso de extracción se pueden ilustrar
utilizando la Figura 4. Cuando se añade disolvente a una mezcla de acetona y agua,
la composición de la mezcla que resulta está situada sobre una línea recta que une el
punto del disolvente puro y el punto correspondiente a la mezcla original. Cuando
se añade suficiente cantidad de disolvente para que todas las composiciones estén
situadas debajo de la curva en forma de domo, la mezcla se escinde en dos fases.
Los puntos que representan las composiciones de las fases pueden unirse por una
recta de reparto que pasa a través del punto representativo de la composición global.
Para mayor claridad solamente se representan unas pocas rectas de reparto, y las
demás se pueden obtener por interpolación. La línea ACE representa las
composiciones de la capa de MIK (extracto) y la línea BDE representa las
composiciones de la capa de agua (refinado). Al aumentar el contenido global de
acetona, las composiciones de las dos fases se acercan entre sí y se hacen iguales en


el punto E, que recibe el nombre de punto crítico. Las rectas de reparto de la Figura
4, están inclinadas hacia la izquierda y la fase de extracto es más rica en acetona que
la fase de refinado. Esto sugiere que la mayor parte de la acetona deberá extraerse
desde la fase acuosa utilizando solamente una moderada cantidad de disolvente. Si
las rectas de reparto fuesen horizontales o estuviesen inclinadas hacia la derecha, la
extracción todavía sería posible, pero sería preciso utilizar más disolvente y a que el
extracto lina1 no sería tan rico en acetona.
Figura 4: Sistema Acetona-MIK- Agua a 25 °C.
6. Tipos de sistemas ternarios.
El siguiente análisis se limita a aquellos tipos de sistemas que aparecen con mayor
frecuencia en las operaciones de extracci6n líquida:
a) Sistema de 3 líquidos, un par parcialmente miscibles.
b) Sistema de 3 líquidos, 2 pares parcialmente miscibles.
c) Sistema de 3 líquidos, 3 pares parcialmente miscibles.


Nos encargaremos de estudiar el primer sistema: Sistema de 3 líquidos, un par parcialmente
miscible.
Este es el tipo de sistema que se encuentra más comúnmente en la extracción. Las
coordenadas triangulares se utilizan como isotermas, o diagramas a temperatura constante.
Obsérvese la Figura 5. El líquido C se disuelve completamente en A y B, pero A y B solo
se disuelven entre sí, hasta cierto grado, para dar lugar a las soluciones líquidas saturadas
en L (rica en A) y en K (rica en B). Cuanto mas insolubles son los líquidos A y B, más
cerca de los vértices del triángulo se encontrarán L y K. Una mezcla binaria J, en cualquier
punto entre L y K, se separara en dos fases líquidas insolubles de composiciones en L y K,
ya que las cantidades relativas de las fases dependen de la posición de J.
Figura 5: Sistema de 3 líquidos, A y B parcialmente solubles.
La curva LRPEK es la curva binodal de solubilidad, que indica el cambio en solubilidad de
las fases ricas en A y B al agregar C. Una mezcla fuera de esta curva será una solución
homogénea de una fase líquida. Una mezcla ternaria por debajo de la curva, como M, forma
dos fases líquidas insolubles saturadas de composiciones en el equilibrio, indicadas por R
(rico en A) y E (rico en B). La línea RE que une estas composiciones en el equilibrio es una
línea de unión, que necesariamente debe pasar a través del punto M que representa la


mezcla como un todo. Hay un número infinito de líneas de unión en la región de dos fases,
pero solo se muestran unas cuantas. Rara vez son paralelas; por lo general, su pendiente
cambia lentamente en una dirección, como se muestra. La dirección de la pendiente de la
línea de unión cambia en relativamente pocos sistemas; una línea de unión será horizontal.
El punto P, punto de pliegue, la última de las líneas de unión y el punto en donde se
encuentran las curvas de solubilidad del rico en A y rico en B, generalmente no se
encuentra en el valor máximo de C sobre la curva de solubilidad.
 Efecto de la temperatura: Para muchos sistemas de este tipo, la solubilidad mutua de
A y B aumenta al aumentar la temperatura; arriba de cierta temperatura T4 a
temperatura crítica de solución, A y B se disuelven completamente. El aumento de
solubilidad a temperaturas más altas influye considerablemente sobre el equilibrio
ternario; esto se muestra mejor proyectando las isotermas hasta la base del
triángulo, como se muestra en la Figura 6. No sólo decrece el área de
heterogeneidad a temperaturas más altas, sino que también cambian las pendientes
de las líneas de unión. Las operaciones de extracci6n líquida, que dependen de la
formación de fases líquidas insolubles, deben llevarse a cabo a temperaturas
inferiores a T4. También se conocen otros efectos menos comunes debidos a la
temperatura.
Figura 6: Efecto de la temperatura en los equilibrios ternarios.


 Efecto de la presión: Excepto a presiones muy elevadas, el efecto de la presión
sobre el equilibrio líquido es tan pequeño que generalmente puede ignorarse. Por lo
tanto, todos los diagramas que se muestran deben considerarse como si se hubiesen
graficado a presiones lo suficientemente altas como para mantener un sistema
completamente condensado, es decir, arriba de las presiones de vapor de las
soluciones. Sin embargo, si la presión se redujese lo suficiente para que fuera menor
que la presión de vapor de las soluciones, aparecería una fase vapor, y el equilibrio
líquido se interrumpiría.
7. Equipos para extracción liquido – líquido.
Como en el caso de los procesos de separación de absorción y destilación, las dos fases de
la extracción líquido-líquido se ponen en contacto íntimo con un alto grado de turbulencia
para lograr velocidades de transferencias de masa elevadas. Después de este contacto,
ambas fases se separan. En la absorción y en la destilación, esta separación es rápida y
fácil, debido a la gran diferencia de densidad entre la fase gaseosa (o vapor) y la líquida. En
la extracción con disolvente, la diferencia de densidades entre las dos fases es muy pequefia
y la separación es más complicada. Existen dos tipos principales de equipo para extracción
con disolvente: recipientes equipados con agitación mecánica para el mezclado, y
recipientes en los que el mezclado se obtiene por el propio flujo de los fluidos. El equipo de
extracción se puede operar por lotes o en régimen continuo como en los casos de absorción
y destilación.
a) Mezclador – Sedimentador: Para la extracción discontinua el mezclador y el
sedimentador pueden ser la misma unidad. Es muy frecuente el uso de un tanque
que contiene un agitador de rodete o turbina. Al terminar el ciclo de mezcla, se para
el agitador y las capas se dejan decantar por gravedad, retirando después el extracto
y refinado que se recogen en recipientes separados, sacándolos a través de una línea
inferior de descarga provista de una mirilla de vidrio. Los tiempos de mezcla y
sedimentación que se requieren para una extracción determinada solamente se
pueden obtener por experimentación; son típicos 5 minutos para mezcla y 10


minutos para decantación, y frecuentes tiempos mucho mayores y menores. Para
flujo continuo el mezclador y el sedimentador han de ser piezas distintas del equipo.
b) Columnas de Relleno: Las torres de extracción empacadas y de rocío permiten
contactos diferenciales, y en ellas el mezclado y la sedimentación proceden con
régimen continuo y simultáneo. En torres de platos o en mezclador-sedimentador, la
extracción y la sedimentación se verifican en etapas definidas. El líquido pesado
entra por la parte superior de la torre de rocío, llena la torre, lo que constituyendo la
fase continúa y fluye hacia afuera, por el fondo. El líquido ligero entra a través de
un distribuidor de tobera en el fondo, que lo dispersa hacia arriba en forma de rocío
de gotas pequeñas. El líquido ligero se aglutina en la parte superior y fluye hacia
afuera. En algunos casos, el líquido pesado se rocía hacia. bajo sobre la fase ligera
continua que se va elevando.
c) Columnas de Platos: La dispersión de las gotas de líquido se puede realizar también
por medio de platos perforados transversales, análogos a los de destilación. Las
perforaciones en una torre de extracción son de l,5 a 4,5 mm de diámetro. El
espaciado entre los platos varía desde 6 hasta 24 pulg (150 a 600 mm).
Generalmente el líquido ligero es la fase dispersa y los conductos de descenso
permiten el paso de la fase continua de un plato a otro. El líquido ligero se recoge
formando una delgada capa debajo de cada plato y se proyecta en forma de chorros
en el interior del líquido pesado situado encima. Casi toda la extracción tiene lugar
en la zona de mezcla situada encima de las perforaciones, con el líquido ligero
(aceite) ascendiendo y acumulándose en un espacio debajo del plato superior,
fluyendo entonces transversalmente sobre un vertedero hasta la siguiente serie de
perforaciones. El líquido pesado que forma la fase continua (disolvente) pasa
horizontalmente desde la zona de mezcla hasta la zona de sedimentación, donde las
finas gotas de líquido ligero tienen oportunidad de separarse y ascender hacia el
plato superior.
d) Extractores Centrífugos: La dispersión y separación de la fase se puede acelerar
grandemente por medio de la fuerza centrífuga y es utilizada por varios extractores
comerciales. El extractor Podbielniak contiene una cinta perforada situada en el
interior de una pesada carcasa metálica, que va arrollada en espiral alrededor de un


eje hueco horizontal, a través del cual entran y salen los líquidos. El líquido ligero
se bombea hasta la parte exterior de la espiral a una presión comprendida entre 3 y
12 atm para vencer la fuerza centrífuga, mientras que el líquido pesado se introduce
por el centro. Los líquidos fluyen en contracorriente a través del paso formado por
la cinta y las paredes de la carcasa. El líquido pesado se mueve hacia fuera a lo
largo de la cara externa de la espiral, mientras que el ligero es forzado por
desplazamiento a fluir hacia dentro a lo largo de la cara interna. Se genera un
elevado esfuerzo cortante en la interfaz líquido - líquido dando lugar a una rápida
transferencia de materia.
8. Diferencias entre extracción liquido – liquido y Destilación/Absorción.
Extracción Liq. – Liq. Destilación/Absorción
 Se adiciona un agente externo (solvente)
para lograr el proceso de separación.
 No se adiciona un agente externo para
lograr la separación.
 La separación de las fases es difícil dado
que tienen densidades similares
 La separación de las fases es fácil y
rápida ya que sus densidades son
distintas.
 El agente de separación es másico.  El agente de separación es energético.
 Solo presenta como efecto calorífico
calores de disolución.
 Produce presencia de calores latentes.

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