cap vii extraccion 2009
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7. EXTRACCION LIQUIDO - LIQUIDO
La extracción líquido-líquido consiste en la separación de los constituyentes de una
disolución líquida por contacto con otro líquido inmiscible que disuelve selectivamente a
uno de los constituyentes de la disolución original.
Esquemáticamente un proceso de éste tipo es:
donde:
la alimentación contiene el componente que se desea separar (soluto)
el disolvente es el líquido que extrae al soluto de la disolución original o
alimentación
el extracto es la fase rica en disolvente
el refinado es la fase pobre en disolvente
el solvente de la alimentación y el disolvente deben ser, a lo menos
parcialmente miscibles, mientras más inmiscibles sean entre sí, más fácil será
la separación entre las fases.
el proceso de extracción va frecuentemente seguido de otro proceso donde se
separa el disolvente del soluto, en éste último se emplea por ejemplo la
destilación o la evaporación.
Como se puede ver, para estudiar el proceso de extracción líquido-líquido es necesario
saber como representar la composición de tres sustancias distintas en algún tipo de gráfica
y tener conocimientos acerca del comportamiento de los compuestos involucrados en su
estado de equilibrio.
Alimentación
Extracto ( E )
Disolvente ( B ) Refinado ( R )
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Representación Gráfica de Sistemas Ternarios en Coordenadas Triangulares
Una de las formas de representar los sistemas de tres componentes son los triángulos
equiláteros:
donde: los vértices representan los componentes
puros. los lados representan las mezclas binarias
de los componentes que se encuentran en los vértices correspondientes a ese lado.
los puntos interiores representan mezclas ternarias.
cuando se juntan dos mezclas de composiciones representadas por R y E , la mezcla resultante tiene una concentración M sobre la recta de unión RE donde según la regla de la palanca:
EM
MR
XXXX
EMRM
RE
7.1. EQUILIBRIO LIQUIDO - LIQUIDO
El caso más simple se presenta cuando una alimentación contiene 2 componentes; el
solvente y el soluto que interesa separar, y el disolvente, que permite hacer la extracción
es un líquido puro inmiscible con el solvente de la alimentación.
Se llama "coeficiente de distribución" ó también "coeficiente de reparto" de un
componente i entre las dos fases líquidas separadas ( extracto y refinado ) a la
relación:
Ki = CE / CR
donde CE y CR son las concentraciones del componente i en las fases extracto y
refinado, respectivamente. El coeficiente de reparto depende de:
la naturaleza de los componentes de la alimentación
la naturaleza del disolvente
la composición de alimentación
la temperatura de operación
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7.1.1. Equilibrio de Sistemas de 3 Líquidos: Un Par Parcialmente Soluble (3.1)
Consideremos un sistema de 3 componentes A, B y C, en que el soluto C es miscible en A
y B, en tanto que A y B son parcialmente miscibles entre sí. Un caso como éste se da
frecuentemente en problemas industriales de extracción. Veamos como representarlo en
un diagrama equilátero:
En ésta gráfica, L y K son soluciones líquidas saturadas, L rica en el componente A
y K rica en el componente B.
Cuanto más insolubles sean A y B, más cerca de los vértices estarán L y K.
Dado que un lado cualquiera del triángulo representa una mezcla binaria, entonces
una mezcla binaria como J, en cualquier punto entre L y K, se separará en 2 fases
líquidas de composición L y K.
La curva LRPEK, llamada "curva binodal de solubilidad", indica el cambio de
solubilidad de las fases ricas en A y B al agregar el tercer componente C. Fuera de
la curva binodal existe una mezcla ternaria homogénea en fase líquida.
Una mezcla como M dentro de la curva de solubilidad, forma 2 fases líquidas
insolubles saturadas de composiciones en equilibrio, representadas por los puntos R
(rico en A) y E (rico en B).
La línea de unión RE representa el equilibrio. De éstas líneas existen infinitas dentro
de la curva binodal. Dichas líneas pueden tener pendiente positiva, negativa o nula,
dependiendo de la naturaleza de la mezcla y de las composiciones de C.
El punto P, llamado "punto de pliegue ó crítico", es el punto donde se encuentran las
curvas de solubilidad de las fases ricas en A y ricas en B. En éste punto Ki = 1.
Al graficar el porcentaje de C en el extracto v/s el porcentaje de C en el refinado
para las diferentes líneas de unión, se obtiene la curva de distribución.
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Efecto de la Temperatura sobre el Equilibrio de Sistemas (3.1)
Es sabido que la solubilidad aumenta al elevar la temperatura, T, luego, como es de
esperar, las curvas de solubilidades disminuyen con el aumento de la temperatura. Así
mismo también cambian las pendientes de las líneas de unión cuando cambia la
temperatura. En un gráfico tridimensional:
Considerando que la extracción líquido-líquido depende de la formación de 2 fases
insolubles, ésta operación no puede efectuarse a temperaturas superiores a t4 del punto P.
Por otro lado, excepto a presiones muy elevadas, el efecto de la presión sobre éste tipo de
equilibrios puede ignorarse, sin olvidar que ésta debe ser superior a las presiones de vapor
de los componentes de modo que el sistema este completamente condensado.
7.1.2. Equilibrio de Sistemas de 3 Líquidos: Dos Pares Parcialmente Solubles (3.2)
En éste caso los diagramas pueden tener las siguientes formas:
que el diagrama adopte una u otra forma depende del sistema en estudio.
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En éste caso, la transformación del diagrama triangular al diagrama de distribución es:
Los puntos K y J ; H y L, representan las solubilidades de A y B ; C y B,
respectivamente.
La curva KRH es rica en el componente A, en tanto que la curva JEL es rica en el
componente B.
Efecto de la Temperatura sobre el Equilibrio de Sistemas (3.2)
Al igual que en el caso anterior, la solubilidad aumenta con la temperatura,
gráficamente:
Figura 10.6 Efecto de la temperatura sobre el equilibrio ternario
Gráficos semejantes se pueden encontrar cuando se trata de sistemas ternarios donde los 3 componentes son parcialmente solubles entre sí.
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7.2. EXTRACCION LIQUIDO – LIQUIDO
Como se ha dicho, la extracción líquido-líquido permite separar un compuesto contenido
en una corriente de alimentación líquida, poniéndola en contacto con un líquido puro o de
reciclo denominado disolvente, que “atrapa” al elemento valioso.
Para que el proceso de separación de buenos resultados, el disolvente y el solvente o
líquido acarreador (que transporta el compuesto valioso en la alimentación) debe ser
inmiscible o a lo más parcialmente soluble en el rango de temperatura y concentraciones
del problema. Por su parte, un buen disolvente debe ser capaz de disolver al soluto en
mayor proporción que el solvente y debe poder recuperarse con cierta facilidad, por
ejemplo por destilación.
Así, un esquema del proceso de separación por extracción líquido-líquido será:
ó si se trata de un proceso de extracción de múltiples etapas en contracorriente:
también puede ser un proceso en corrientes paralelas o uno en el cual el disolvente se
alimenta en una etapa intermedia.
EN E4 E3 E2
RN-1 R3 R2
Extracto
Refinado
Disolvente
Alimentación
Alimentación
Extracto ( E )
Disolvente ( B ) Refinado ( R )
EXTRACCION
DES
TI
LA
CION
1 2 3 N • • • • • •
R1
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7.2.1. Extracción en Una Etapa
Esta forma de hacer la extracción la veremos con un ejemplo. El esquema general del
proceso es:
Enunciado: Se tratan 10 Kg de una mezcla de benceno - ácido acético (al 20 % p de
ácido) con 5 Kg de agua a fin de extraer el ácido. Suponiendo que la operación se lleva a
cabo a 25 C, encuentre las cantidades y composiciones de las dos fases formadas.
Solución: En bibliografia es posible encontrar los datos de equilibrio para el sistema a
25 C. A partir de ellos se construye el diagrama triangular y se grafican los puntos F y B1.
Sobre la recta de unión de éstos dos puntos deberá estar el punto de equilibrio que se
define por la regla de la palanca:
MFMBMFMB
BF 22
510
11
1
luego por distancias se puede graficar el punto M. La línea de reparto que pasa por el
punto M indica las composiciones del extracto y del refinado:
Extracto Refinado
0 % Benceno 97 % Benceno
26 % Ac. Acético 3 % Ac. Acético
74 % Agua 0 % Agua
De un balance de agua: B1 = E1 yagua E1 = B1/yagua = 5 Kg/0.74 = 6.8 Kg
De un balance global: F + B1 = E1 + R1 R1 = F + B1 - E1 = 8.2 Kg
Alimentación ( F , XF )
Extracto ( E1 , Y )
Disolvente ( B1 ) Refinado ( R1 , X )
EXTRACCION
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7.2.2. Extracción en Múltiples Etapas en Flujo Cruzado
Este tipo de proceso, semejante al anterior, con la diferencia que es en varias etapas y que
en cada una de ellas se agrega disolvente fresco. Esquemáticamente:
Enunciado: Sí la fase bencénica del problema anterior se trata, en una segunda etapa con 5
Kg de agua a 25 C, calcule las composiciones y cantidades de las fases obtenidas y el
porcentaje de recuperación de ácido acético del sistema total.
Solución: Uniendo los puntos R y B1 se encuentra el punto M' que está sobre ella y para el
cual se cumple que:
121
2
2
1 '64.1'64.152.8
'' RMBMRMBM
BR
luego se puede graficar M' y determinar así los puntos E2 y R2:
Extracto Refinado
0.0 % Benceno 99 % Benceno
3.5 % Ac. acético 1 % Ac. acético
96.5 % Agua 0 % Agua
De un balance de agua: B2 = E2 y2 agua E2 = 5 Kg/0.965 = 5.2 Kg
De un balance global: R1 + B2 = E2 + R2 R2 = R1 + B2 - E2 = 8 Kg
EN, xN En, xn E2, y2 E1, y1
BN Bn B2
R2, x2 R1, x1
B1
RN-1 xn-1
Rn, xn Rn-1 xn-1
Extracto E
Refinado RN, xN
Disolvente B
Alimentación
1 2 n N • • • • • • • •
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Así en términos generales, un proceso de extracción en flujo cruzado presenta balances de
materia y diagramas según lo siguiente:
Figura 10.14 Extracción a corriente cruzada.
7.2.3. Extracción Multietapas en Contracorriente
La resolución de problemas de extracción multietapas en contracorriente puede hacerse
gráficamente empleando alguno de los tipos de diagramas que existen para ello, de los
cuales nosotros usaremos el Diagrama Triangular y el de Distribución:
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En ambos casos el proceso es el mismo, por lo que se verá sólo uno:
Balance Global al Sistema: F + B = RN + E1 = M (7.1)
Balance Global de Soluto: FxF + BxB = RNxRN + E1y1 = MxM (7.2)
reordenando (7.1): F - E1 = RN - B = P (7.3)
gráficamente éstas ecuaciones serán:
Cálculo de la cantidad mínima de disolvente requerido:
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Proceso en Contracorriente en un Diagrama de Distribución
En especial cuando el número de etapas teóricas es grande, la resolución de problemas en
diagramas triangulares o rectangulares se hace difícil y se recomienda el empleo de otros
diagramas, como el de distribución (y v/s x).
El cálculo del número de etapas puede efectuarse sobre el diagrama y-x en conjunto con
datos obtenidos con el diagrama triangular al trazar la curva de equilibrio y la curva de
operación del sistema.
Esta última se obtiene trazando de un diagrama triangular o rectangular trazando al azar
líneas que pasen por el punto o polo de operación (punto P), sus intersecciones con la
curva binodal nos dan puntos (yn+1, xn) que corresponden a puntos de la curva de
operación.
Por su parte la curva de equilibrio se obtiene de las rectas de reparto o líneas de unión
sobre la curva binodal.
Una vez trazadas las dos curvas, se procede a hacer los platos entre las líneas de operación
y de equilibrio de forma similar a la empleada en destilación.
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