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INFORME DE
PRÁCTICAS
Asignatura: I
Título: extracción líquido-líquido
Autor: Grupo 6
Grupo:
Fecha de la experimentación: 18 de marzo de 2013
Fecha del informe: 31 de mayo de 2014
ÍNDICE
1. RESUMEN ...............................................................................................
2. OBJETIVO.............................................................................................. 5
3. Fundamento teórico.................................................................................. 6
3.1INTRODUCCIÓN....................................................................................
3.1.1 Definición......................................................................................... 6
- 3.1.2. Uso general de la extracción líquido-líquido ........................................ - 3.1.3. Transferencia de materia en la extracción...........................................
- 3.2. CARACTERISTICAS DEL DISOLVENTE.............................................
- 3.2.1. Selectividad......................................................................................
- 3.2.2. Coeficiente de distribución, k i...........................................................
- 3.2.3. Solubilidad del disolvente..................................................................
- 3.2.4. Recuperabilidad...............................................................................
- 3.2.5 Densidad ...........................................................................................
- 3.2.6. Tensión interfacial, σ.......................................................................
- 3.2.7. Reactividad y corrosividad..............................................................
- 3.2.8 Adecuadas propiedades....................................................................
- 3.3. EQUIPO DE EXTRACCIÓN
- 3.3.1. Mezcladores-sedimentadores...........................................................
- 3.3.2. Extractores centrífugos...................................................................
- 3.3.3. Contactores en columna..................................................................
- 3.4. EQUILIBRIOS Y COMPOSICIONES DE LAS FASES ...........................
- 3.5. TIPO DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO.....................................
- 3.5.1 Extracción en una sola etapa............................................................
- 3.5.2. Extracción en múltiple etapa...........................................................
- 3.5.2.1. Extracción en múltiple etapa para corrientes cruzadas...................
- 3.5.2.2. Extracción en múltiple etapa en contracorriente..............................
- Material necesario y PROCEDimiento ......................................................
- 4.1 MATERIAL NECESARIO Y REACTIVOS............................................
- 4.1.1 Material.........................................................................................
- 4.1.2 Reactivos........................................................................................
- 4.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .................................................
- 4.2.1 Determinación de los datos de equilibrio...........................................
- 4.2.2. Determinación de eficacia de la etapa de extracción...........................
- 4.2.3 Valoración realizada para determinación de los datos de equilibrio
- 4.3. DIAGRAMA DEL EQUIPO..................................................................
- Resultados experimentales.......................................................................
- 5.1 DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE EQUILIBRIO...........................
- 5.2 DETERMINACIÓN DE LA EFICACIA DE LA OPERACIÓN .................
- GRUPO
- Calcular la eficacia de la operación para diferentes velocidades de agitación. Obtener su dependencia con la velocidad de agitación.
- Calcular el número de unidades globales de transferencia mediante la eficacia para diferentes velocidades de agitación. Determinar su relación con ésta última.
- Sacar los coeficientes globales de transferencia mediante los valores del número de unidades globales o con los valores de la eficacia de operación. Determinar su dependencia con la velocidad de agitación.
Fundamento teórico
3.1INTRODUCCIÓN
3.1.1 Definición La extracción líquido-líquido es una operación de separación mediante la cual moléculas disueltas en un líquido se transfieren a otro líquido inmiscible con el anterior.
La miscibilidad, se define como la facilidad con que dos o más sustancias se mezclan en todas las proporciones para formar una fase homogénea simple.
La solubilidad, es una medida de la capacidad de una determinada sustancia para disolverse en un líquido. La polaridad, determina si una sustancia es soluble en otra o no. En general, la mayor solubilidad se da en disoluciones cuyas moléculas tienen una estructura similar a las del disolvente.
La extracción líquido-líquido implica al menos sistemas de tres componentes. En la mayor parte de los casos, los tres componentes aparecen en las dos fases. A y B son sustancias puras, parcialmente miscibles (disolventes) y C es la sustancia que se distribuye o soluto. Las mezclas a ser extraídas se componen normalmente de A y C, y B es el agente extractante (disolvente).
El esquema general del proceso de extracción líquido-líquido se muestra en la figura siguiente.
Figura 3.1. Esquema general de la operación de extracción liquido-líquido.
En la figura 3.1 se observa que la corriente de alimentación que contiene A y C se mezcla con la corriente de disolvente (S). Esta mezcla se separa en dos fases, la fase
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ligera, que queda por encima y la más densa, que queda por debajo. A la salida, estas dos fases se dividen en extracto y refinado.
En este tipo de operaciones, la solución a ser extraída se denomina alimento o refinado inicial, y el líquido con el que se pone en contacto disolvente_._ La fase rica en disolvente se denomina extracto y el líquido residual de donde se ha eliminado el soluto se denomina refinado.
Se utilizará la misma letra para indicar la cantidad de una mezcla así como su posición en el diagrama de fases. Se trabajará tanto en base másica como molar. Así pues, las unidades de las distintas mezclas implicadas serán kg o mol para las operaciones en discontinuo y kg/h o mol/h para los caudales en operaciones en continuo.
3.1.2. Uso general de la extracción líquido-líquido
En la antigüedad se usaba para la separación del oro y la planta. Actualmente se emplea excesivamente en la industria petroquímica, metalúrgica y biotecnológica.
Su uso es factible cuando la volatilidad de los componentes es próxima a 1, y el soluto se encuentra muy diluido. Además, es favorable energéticamente en disoluciones acuosas y es una alternativa de la destilación molecular económicamente.
Su uso es obligatorio cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, cuando existe un azeótropo y no se conoce la destilación azeotrópica, o incluso cuando las sustancias no pueden soportar la temperatura de destilación. Además, cuando la presión de vapor se aproxima a cero se aplica la extracción líquido-líquido.
3.1.3. Transferencia de materia en la extracción
Según la definición de la operación de extracción líquido-líquido, la transferencia de materia se da en el proceso de separación. La mezcla de la corriente de alimentación y del disolvente se forma en dos fases, fase α y fase β (ver figura 3.1). En la fase α se forma la especie extraíble a una velocidad dada. Una parte esencial del proceso extractivo tiene lugar por transferencia de materia entre estas dos fases, fase α y fase β, hasta que se establece un equilibrio dinámico. Desde el punto de vista del equilibrio se define la transferencia de materia por medio del coeficiente de distribución, con el que se obtiene el resultado final del reparto entre las fases.
La transferencia de materia puede ser debida a dos mecanismos: difusión y convección.
La difusión es el movimiento relativo de los componentes causado por los gradientes de potencial químico. Un gradiente de concentración tiende a mover el componente en una dirección tal que iguale las concentraciones y anule el gradiente. Es un fenómeno espontáneo de migración de especies hasta que se consigue el mencionado equilibrio, que se logra al igualarse los potenciales químicos en ambas fases.
La convección en cambio, tiene su origen en factores mecánicos o energéticos externos que ocasionan el movimiento de la mezcla "en bloque".
El segundo de los mecanismos está siempre provocado artificialmente mediante agitación, que da lugar a una difusión por turbulencia, siendo su magnitud mucho mayor que la difusión molecular, y que aparece por movimientos desordenados de
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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.
3.2.2. Coeficiente de distribución, k (^) i
Se expresa como en la siguiente ecuación:
Aunque no es necesario que este coeficiente sea mayor que la unidad, tiene que ser lo más alto posible, para llevar a cabo la operación y disminuir así el consumo de disolvente.
3.2.3. Solubilidad del disolvente
La solubilidad del disolvente en la alimentación tiene que ser lo más baja posible para extraer la máxima cantidad del componente deseado y lo no deseado se quede en el refinado.
3.2.4. Recuperabilidad
Siempre habrá que recuperar el disolvente para su reutilización, por lo tanto, el disolvente debe tener alta recuperabilidad mediante destilación, cambio del pH o salinidad.
3.2.5 Densidad
La separación posterior se desarrollará más fácilmente cuanto mayor sea la diferencia de densidades de la alimentación. Así pues, se seleccionarán aquellos disolventes con densidad lo más distinta posible a la mezcla a extraer.
3.2.6. Tensión interfacial, σ
La tensión superficial tiene que ser adecuada para reducir el consumo de agitación. 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.
Normalmente, la etapa más lenta es de coalescencia y separación de fases. La mezcla se puede favorecer aplicando energía mecánica, por ello, se suelen preferir disolventes que proporcionen altas tensiones interfaciales.
3.2.7. Reactividad y corrosividad
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Los disolventes deben ser químicamente estables, es decir, inertes tanto a los componentes del sistema, como a los materiales de construcción de las instalaciones. Esta alta inercia química, puede minimizar los costes del equipo.
3.2.8 Adecuadas propiedades
El disolvente tiene que tener las propiedades adecuadas como viscosidad, presión de vapor, inflamabilidad, temperatura de congelación, coste y toxicidad. Dichas propiedades, deben ser lo más bajas posibles, para facilitar el manejo y almacenamiento del disolvente.
3.3. EQUIPO DE EXTRACCIÓN
Los principios de diseño son la velocidad de transferencia, seguridad y coste reducido. Difiere en la menor velocidad de separación de fases y puede ser controlante.
Los equipos principales son mezcladores-sedimentadores, extractores centrífugos y contactores en columna.
3.3.1. Mezcladores-sedimentadores
En este equipo se realizan la etapa de transferencia en el tanque agitado y la etapa de separación en el sedimentador. Se suele usar en una sola etapa. Tiene alta eficacia y flexibilidad, pero elevada superficie de planta con muchas etapas.
Figura 3.2. Equipo de mezcladores-sedimentadores
3.3.2. Extractores centrífugos
En el equipo extractor centrífugo, se utiliza la aceleración centrífuga para impulsar los fluidos, provocando el contacto entre ambos. Tiene una elevada transferencia y separación posterior del extracto y refinado.
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Figura 3.5. Diagrama triangular en equilibrio líquido-líquido.
Los diagramas pueden ser equiláteros o rectangulares. Estos últimos presentan la desventaja de no conocer directamente el tercer componente, pero permite trabajar con corrientes diluidas y papel milimetrado.
Figura 3.6. Diagrama equilátero y diagrama y-x en equilibrio líquido-líquido.
La representación se hace a presión y temperatura constante y se representa la curva de solubilidad, curva de equilibrio o curva binodal (que separa las regiones de una y dos fases) y las rectas de reparto. Una mezcla tal como la M en la región de dos fases, es inestable y se desdobla en las fases E y R en equilibrio (recta de reparto). Una mezcla tal como la H, es estable ya que se encuentra en la región de una fase. Este diagrama se suele acompañar con un diagrama y-x donde se representa la composición de soluto (o de otro componente) en la fase extracto frente a su composición en la fase refinada. El punto de pliegue P se corresponde, lógicamente con un punto sobre la recta y = x, tal como se muestra en la figura 3.6. Este punto separa la curva binodal en dos zonas, la correspondiente al extracto (rica en disolvente B), y la correspondiente al refinado (rica en componente A).
La temperatura determina el nivel de inmiscibilidad. Excepto a presiones muy elevadas, la influencia de la presión en el equilibrio líquido-líquido es muy pequeña y puede ser ignorada.
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Figura 3.7. Efecto de temperatura en el equilibrio líquido-líquido
3.5. TIPO DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
Según el número de etapas realizadas en el proceso de extracción líquido-líquido, se puede clasificar el proceso como extracción en una sola etapa y extracción en múltiples etapas.
3.5.1 Extracción en una sola etapa
El esquema del proceso de la extracción líquido-líquido en una sola etapa se demuestra en la siguiente gráfica:
Figura 3.8. Esquema de extracción líquido-líquido en una sola etapa.
Se introduce una corriente de disolvente S, de composición yS , y se pone en contacto con una corriente de alimentación F de composición xF. La operación puede realizarse en continuo o por cargas. En cualquier caso, después de separar las fases se obtendrá una corriente de extracto E1, de composición y 1 (y (^) E ) y una corriente de refinado R1, de composición x 1 (x (^) R), que como se ha indicado anteriormente, estarán en equilibrio.
Según el esquema de la operación, se plantean los siguientes balances de materia.
- Balance de materia global:
- Balance de materia del soluto:
(5)
- Balance de materia del disolvente:
, donde F es el caudal másico de alimentación (kg/h), S es el caudal másico de la corriente de disolvente (kg/h) y M es la cantidad de la mezcla en la etapa 1 con unidad kg/h. R y E son los caudales másicos de las corrientes de refinado y extracto respectivamente con unidades de kg/h.
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Figura 3.9 b). Determinación de la cantidad mínima del disolvente para una sola etapa.
En la figura 3.9 b), el punto D coincide con la cantidad mínima del disolvente, Smin. Dicha cantidad mínima se calcula mediante la regla de Palanca como:
donde es la distancia entre los puntos F y D.
La eficacia del proceso se determina mediante la concentración de salida. (9)
donde EMy es la eficacia de la operación, siempre expresada en tanto por ciento, % y es la fracción másica del soluto C en la corriente de extracto en equilibrio con una unidad de kg soluto C/ kg extracto, cuando la eficacia del proceso es del 100%. yE es la fracción másica real del soluto C en la corriente de extracto con una unidad de kg soluto C/kg extracto y yS la fracción másica del soluto C en la corriente de disolvente con una unidad de kg soluto C/ kg disolvente.
La cantidad máxima y mínima del disolvente vienen determinadas por la miscibilidad de la alimentación con el disolvente.
Para sistemas inmiscibles, se considera que sólo el soluto se transfiere y se simplifica la solución operando en términos de no soluto. Se plantea un balance de materia de soluto. (10)
donde A y B son caudal de la alimentación y disolvente respectivamente, y tienen unidades de L/h. XF y X (^) R son concentraciones del soluto C en la alimentación y refinado respectivamente, con unidades de mmol C/ L alimentación y mmol C/ L refinado. YS y Y (^) E son las concentraciones del soluto C en el disolvente y extracto respectivamente con unidades de mmol C/ L disolvente y mmol C/ L extracto. En general, YS se iguala a cero.
Evidentemente, la ecuación (10) representa una recta en el diagrama X-Y, que pasa por los puntos (XF , YS) y (X (^) R, Y (^) E) y tiene pendiente –A/B. Por otra parte, las corrientes de salida de la etapa deben estar en equilibrio, por lo que el punto XR, Y (^) E debe estar sobre
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la curva de equilibrio. Así pues, se podrán determinar las corrientes de salida de una etapa de equilibrio, conocidas las de entrada, bien analíticamente resolviendo la ecuación (10) que representa el equilibrio, o bien gráficamente, obteniendo el punto de corte de la recta indicada por la ecuación (10) con la curva de equilibrio. Para ello, se sitúa en el diagrama la posición del punto (XF , YS) y se traza la recta (operativa) de pendiente (–A/B). La intersección de esta recta con la curva de equilibrio se resuelve planteando el problema como en la figura 3.10. Si la eficacia del proceso no es del 100%, hay que añadir una pseudocurva como se demuestra en la figura 3.10.
Figura 3.10. Diagrama del equilibrio líquido-líquido de sistema inmiscible en una sola etapa.
En la figura 3.10, la curva con línea continua es la curva de equilibro de eficacia 100% y la curva con línea intermitente es la pseudocurva de eficacia menor que 100%. La recta de operación del proceso es la recta con pendiente (–A/B).
La eficacia del proceso se puede determinar con la ecuación (9).
Para este caso, se puede relacionar la eficacia con el número de unidades de transferencia, Ntod. (11) (12)
Despejando el número de unidades globales de transferencia, Ntod, mediante la ecuación (12), se llega a: (13)
El coeficiente global de transferencia de materia, K (^) d, se calcula mediante las ecuaciones (11) y (12).
, donde el producto Kd*a, es el coeficiente volumétrico con unidades de h-1^ , qd es el
caudal de la fase dispersa con unidades de L/h, V es el volumen de la zona de mezcla, donde ocurre la transferencia de materia con una unidades de L, y a es el área interfacial por unidad de volumen, m^2 /m 3 , que se calcula mediante la siguiente ecuación:
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Figura 3.11. Esquema de extracción líquido-líquido en múltiple etapa para corrientes cruzadas.
Los datos del equilibrio se demuestran en el siguiente diagrama:
Figura 3.12. Diagrama triangular en equilibrio líquido-líquido para etapas múltiples en corrientes cruzadas.
La resolución gráfica del diseño es similar a la de una sola etapa. Se plantea el balance global de materia.
, donde el subíndice i indica etapa i y i-1significa la etapa i-1.
El punto mezcla, M1, es la suma de F y S, por lo que se encontrará situado sobre la recta
que une F y S. Para situar el punto M 1 bastará con resolver el balance de materia anterior y calcular su composición. Una vez alcanzado el equilibrio, la composición de las corrientes de refinado, R1, y extracto, E1, obtenidas vendrá dada por los extremos de la recta de reparto que pasa por el punto de mezcla.
También se puede aplicar la Regla de Palanca como la ecuación (7) para colocar el punto M (^) 1.
Si x (^) R1, la fracción másica del soluto C en el refinado de la etapa 1, es mayor que xNp , la fracción másica del soluto C en el refinado de la etapa n, es evidente que se requiere al menos una etapa más. Como en el caso anterior, M 2 se localiza sobre la recta que une S
con R 1 y se localiza igualmente la recta de reparto que pasa por M (^) 2. Esto permite determinar E 2 y R (^) 2. Se vuelve a comparar x (^) R2, la fracción másica del soluto C con el refinado de la etapa 1, xNp , y se opera sucesivamente de este modo, hasta conseguir una x (^) Rn inferior a la deseada (xNp ). Evidentemente, n será la solución buscada.
La eficacia de cada etapa se determina como:
(25)
GRUPO 5
, donde i significa etapa i.
Si el sistema inerte-disolvente es inmiscible, la solución se simplifica mediante la utilización de un diagrama X-Y como la figura 3.13 en términos de no soluto.
Figura 3.13. Diagrama del equilibrio líquido-líquido de sistema inmiscible en múltiple etapa para corrientes cruzadas.
El procedimiento de determinación de la composición del soluto C en el refinado y extracto es igual que el de una sola etapa. Pero en múltiples etapas de corrientes cruzadas. La pendiente de la línea de operación de cada etapa es (-A/Bi), donde i indica la etapa i. Se unen los puntos representativos de las corrientes de entrada a cada etapa con los de salida de la misma (estos últimos localizados también sobre la curva de equilibrio). El proceso se va repitiendo hasta encontrar una Yn inferior a la especificada, YNp.
En la figura 3.13, la curva con línea continua es la curva de equilibro de eficacia 100% y la curva con línea intermitente es la pseudocurva de eficacia menor que 100%.
Si la eficacia de cada etapa puede considerarse constante, la pseudocurva correspondiente a la eficacia media permite obtener de forma rápida el número de tanques hasta bajar la composición por debajo de x (^) Np.
3.5.2.2. Extracción en múltiple etapa en contracorriente
El proceso en contracorriente, permite hacer máximo el gradiente de concentración poniendo en contacto el refinado de la etapa anterior con el extracto de la etapa posterior. Su esquema general, se muestra en la siguiente figura:
GRUPO 5
El punto de mezcla, M1, es la suma de F y S, por lo que se encontrará situado sobre la recta que une F y S. Para situar el punto M 1 bastará con resolver los balances de materia
anteriores y calcular su composición o mediante la regla de Palanca como la ecuación (7).
Cuando se fija el punto M1, se une el punto RNp con M 1 y se alarga hasta tocar el lado del extracto de la curva de equilibrio. El punto de intersección de la recta R (^) Np M 1 con la
curva de equilibrio es el punto E1. Mediante la recta de reparto se busca el punto R1. El punto P es la intersección de la recta FE 1 y R (^) Np S. Cuando x (^) R1 sea mayor que xNp , se realiza otro etapa. Se une R 1 con P para encontrar el punto E 2 y mediante la recta de reparto, se determina el punto R2. Se repite este procedimiento n veces, hasta encontrar el xRn menor o igual que xNp.
Cuando el disolvente es inmiscible, se plantea el balance de materia del soluto.
Para la ecuación (30) la solución se simplifica mediante la utilización de un diagrama X-Y como la figura 3.16 en términos de no soluto.
Figura 3.16. Diagrama del equilibrio líquido-líquido de sistema inmiscible en sistema de múltiple etapa en contracorriente.
En la figura 3.16, la curva con línea continua es la curva de equilibro de eficacia 100%, y la curva con línea intermitente es la pseudocurva de eficacia menor que 100%.
Para determinar las etapas se sigue el proceso como: X (^) F Y 1 X 1 Y (^) 2etc, hasta que Xn<XNp. Cuando la eficacia es 1, Y se sitúa en la curva de equilibrio de eficacia 100%. Cuando la eficacia es menor de 1, Y se sitúa en la pseudocurva y los platos reales se trazan asociado línea de operaciónpseudocurva.
GRUPO 5
Material necesario y PROCEDimiento
4.1 MATERIAL NECESARIO Y REACTIVOS
4.1.1 Material
1 unidad de extracción. (Figura 4.1)
- un mezclador-sedimentados de DN
- 4 depósitos de 5 l de capacidad para alimentar y recoger los productos separados
- 2 bombas dosificadoras
- calderín de 5 l con manta calefactora y condensador a la salida para destilar los componentes de la fase ligera a la salida del extractor
- Indicadores de la temperatura del calderín y de destilación
- Indicador de la velocidad de agitación
1 agitador de ocho brazos con 8 Erlenmeyers esmerilados.
1 Bureta de valoración.
1 Pipeta de 25 ml de toma de muestra.
1 Pipeteador
2 Probetas de 100 ml.
3 Erlenmeyers de 100 ml.
3 Erlenmeyers de 250 ml.
1 Matraz aforado para la dilución de la sosa.
4.1.2 Reactivos
Disolución diluida de ácido orgánico en agua
Disolvente de extracción (n-hexano).
Sosa 0.01 M.
Fenolftaleína.
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