capitulo 2. extracciÓn

Fabrizzio Valer Gómez

CAPITULO 2. EXTRACCIÓN

Operaciones Unitarias Extracción

CAPITULO 2. EXTRACCIÓN

2.1 Introducción

La extracción es una operación unitaria de transferencia de masa basada en

la disolución de uno o varios componentes de una mezcla líquida o que

forman parte de un solidó en un disolvente selectivo.

2.2 Diferencias entre extracción

2.2.1 Extracción Líquido-Líquido

La extracción de un componente de una mezcla líquida mediante un

disolvente que presenta en ocasiones ventajas respecto a la separación por

destilación, tiene las aplicaciones siguientes:

• Se encuentran constituyentes claves en grandes concentraciones

• Hay posibilidad de extracción de componentes sensibles al calor, sin

necesidad de realizar una destilación al vacío.

• Las sustancias que no son volátiles, es decir la volatilidad es menor a

la unidad.

• Las combinaciones no se separan fácilmente por medio de

evaporación.

• Es complementario a la destilación

Sólido-Liquido Líquido-Líquido Lixiviación Lavado Percolación

La materia a

extraer está en

el sólido

La materia a

extraer está en el

líquido, el

disolvente debe

ser inmiscible en

el fase líquida

que contiene al

producto

Si el componente

extraído es

valioso, ósea

constituye el

soluto del sólido,

mediante un

disolvente.

Si se pretende

eliminar un

componente no

deseado de un

sólido.

La extracción se

hace mediante un

disolvente caliente

o en su punto de

ebullición.


Página 2


• La selección del disolvente para componentes de naturaleza

química similar, permiten separaciones de grupo de componentes

imposibles de lograr si nos basamos solo en el punto de ebullición.

• Cuando el soluto esta en bajas concentraciones.

• Cuando sea imposible separar la mezcla mediante destilación

fraccionada, debido a la formación de mezclas azeotrópicas, a la

falta de volatilidades, y otros.

Para asegurar el alto grado de extracción es necesario disponer de muchas

etapas de contacto haciendo circular el solvente en contracorriente con el

material a tratarse.

2.2.1.1 Modos de Operación

Son muy variadas las formas a la que se lleva a cabo la extracción

líquido-líquido, normalmente se trabaja en forma continua, ya sea por

etapas ó contacto continuo.

1. Contacto por Etapas.- Puede realizarse de diversas maneras según

la forma como el disolvente extractor se mezcla con el líquido

alimentado

a. Contacto Simple

b. Contacto en Contracorriente


Página 3


c. Contacto Continuo en Contracorriente

La extracción líquido – líquido es análoga a la absorción. El disolvente

se introduce por el extremo inferior de la columna con una inspección

de gotas que ascienden a través de la alimentación que es la fase

continua alimentada por el extremo superior de la columna. La

columna puede llenarse de anillos cerámicos o algún otro dispositivo,

tal como, discos giratorios, platos punzantes ó un anillo giratorio para

mezclar en forma continua las dos fases y hacer que se realice la

separación, el disolvente contenido en la corriente de extracto y del

refinado deben separarse y recircularse para la economía de la

operación, y eso se consigue por destilación.


Página 4


EXTRACTOR S, YS

R, XR

E, YE

F0, XF0

2.2.1.2 Balance de materia de extracción en una sola etapa

Balance Total F0 + S = R + E = M

Balance de masa componente “A” F0 (XF0)A + S (YS)A = R (XR)A + E (YE)A = M (XM)A

2.2.1.3 Balance de materia Sistema de extracción de múltiples etapas en

contracorriente PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA FONDO DE LA COLUMNA Simple Multiple S SN+1

R RN

E E1

Balance de Materia Total

F0 + SN+1 = RN + E1 = M Ec. 1

Balance de Masa Componente “C” F0 (XF0)C + SN+1 (YSN+1)C = RN (XRN)C + E1 (YE1)C = M (XM)C Ec. 2

Relacionando ambas expresiones M = F0 + SN+1 F0 (XF0)C + SN+1 (YSN+1)C = M (XM)C

Donde:

S: Flujo de alimentación del solvente o

disolvente E: Flujo de extracto obtenido

F0: Flujo de Alimentación del material

fresco R: Flujo de los lodos o refinados

X: Fracción en peso según las corrientes

de masa de F ó R Y: Fracción en peso según las corrientes

de S ó E

ETAPA 1

R1

E1

F0 ETAPA

2 E3

R2

ETAPA 3

E2 E4

R3

EN

RN-1

ETAPA N

SN+1

RN


Página 5


( )( ) ( ) ( ) ( )0 N+1 N 10 F N+1 S N R 1 ECC C C

M C0 N+1 N 1

F X +S Y R X +E YX = =

F +S R +E Ec. 3

XA+XB+XC = 1

Aplicación

En una columna de extracción se extrae el alcohol presente en una solución acuosa mediante éter puro, la solución de alcohol tiene 30% en peso de alcohol, e ingresa por la parte superior

de la columna a una velocidad de 0.1030 kg/s, el éter se alimenta por la parte inferior de la

columna a 0.0970 kg/s, se extraerá aproximadamente el 90% del alcohol, es decir la

concentración del alcohol en la corriente acuosa de salida será de 3 %, los datos

experimentales sobre la composición de las 2 fases en equilibrio rica en agua y en éter

aparecen en la siguiente tabla. Determinar:

1. Velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto. 2. La composición de la fase agotada de salida. (Agua casi sin alcohol)

3. La Fase extraída, es decir éter enriquecido con alcohol.

4. Numero de Etapas de extracción necesarias.

Sistema: Alcohol – Éter – Agua

Fracción en Peso de la Fase Fase Acuosa Fase Éter

Alcohol Éter Agua Alcohol Agua Éter 0.000 0.075 0.925 0.000 0.225 0.755 0.100 0.076 0.823 0.090 0.170 0.740 0.200 0.090 0.710 0.175 0.120 0.705 0.310 0.095 0.595 0.250 0.080 0.670 0.440 0.118 0.442 0.290 0.050 0.660 0.530 0.150 0.320 0.310 0.035 0.655 0.645 0.195 0.160 0.330 0.019 0.651 0.750 0.250 0.000 0.350 0.000 0.650

Solución

Datos y Definición de Conceptos Básicos


Página 6


Objetivo a) Velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto

b) Composición de la fase agotada de salida

c) Composición de la fase extraída

d) Numero de Etapas de extracción

Hipótesis: Extracción Líquido – Líquido, en estado estacionario, dicha columna esta libre

de corrosión.

Aplicación de Principios Fundamentales

Extracción

ALIMENTACIÓNF0 = 0.1030 Kg/s(XF0) Alcohol = 0.3

SOLVENTESN+1= 0.0970 Kg/s(ySN+1) Éter = 1

REFINORN =(xRN) Alcohol = 0.03

EXTRACTOE1 =

Es necesario construir un diagrama triangular rectangular para determinar las fases que

se forman y sobre todo las composiciones de cada flujo.

Determinación del punto medio Balance de masa con respecto al éter

( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S E NME E

F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +

( ) ( )

( )0 10 1

0 1

NF N SE EE M

N

F x S yx

F S++

+

⋅ + ⋅=

+

( )0.1030 0 ( )( )

0.0970 10.485

0.1030 0.0970 E Mx

+= =

+

Balance de masa con respecto al alcohol

90 % deExtracción

Columna de Extracción: Solución de alcohol tratada con éter puro

Solución de Alcohol: 30% en peso de alcohol0.1030 kg/s

Éter Alimentado:Éter Puro0.1030 kg/s

RefinadoCorriente Acuosa3% de Alcohol


Página 7


( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S A NMA A

F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +

( ) ( )

( )0 10 1

0 1

NF N SA AA M

N

F x S yx

F S++

+

⋅ + ⋅=

+

( ) ( )0.1030 0.3 0.0970 0+( ) 0.1545

0.1030 0.0970 A Mx= =

+

En el diagrama se ubican los puntos que corresponden a las

composiciones del flujo de alimentación y del refino, también el punto

medio.

El punto extrapolado que se muestra en la grafica se denomina punto de

operación, nos sirve para calcular el número de etapas de extracción.


Página 8


10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

R1R2

E1

E2

F0

M

E3

R3

E4

R4

E5

R5

Alcohol

Éter

Agua

Líneas de ExtracciónLínea limite de la Fase

Punto Experimental de la Línea de Fase

Punto Ubicado


Página 9


Según el diagrama existen 5 líneas de extracción, esto quiere decir que

hay 5 etapas de extracción. También se pueden determinar las

coordenadas de los puntos E1 y RN.

Determinación de la velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto Balance de Masa Total

0 1 1

1

1 0.2

N N

N

N

F S R E MR E MR E

++ = + =+ =+ =

0 1

0.1030 0.09700.2

NF S MM

M

++ =+ =

=

Balance de masa con respecto al alcohol

( ) ( ) ( ) ( )1 0 11 0 1N NN R E F N SAA A AR x E y F x S y

++⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅

( ) ( ) ( ) ( )1

1

0.03 0.225 0.1030 0.3 0.097 00.03 0.225 0.0309

N

N

R ER E⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅

+ =

Sistema de Ecuaciones

1

1

0.03 0.03 ( 0.03) 0.20.03 0.225 0.0309

N

N

R ER E

− − = − ⋅

+ =

1

1

0.195 0.02490.1277 /0.0723 /

N

EE Kg sR Kg s

===

Respuestas a) Velocidad de flujo de la fase agotada y del extracto

Extracto E1= 0.1277 Kg/s Fase Agotada o refinado RN = 0.0723 Kg/s

b) Composición de la fase agotada de salida

Composición del Refinado RN o R5 según el diagrama: Alcohol: 3% Éter: 7.5% Agua: 100 – (3+7.5) = 89.5%

c) Composición de la fase extraída

Composición del Extracto E1 según el diagrama: Alcohol: 21.5% Éter: 68.4% Agua: 100 – (68.4+21.5) = 10.1%


Página 10


d) Numero de Etapas de extracción. Según el diagrama Nº Etapas = 5

Aplicación

La acetona se extrae empleando clorobenceno a partir de la solución acuosa al 50% en masa

el residuo máximo es de 2% en masa de acetona. Utilizar los datos de equilibrio para el

sistema. Determinar para una mezcla inicial de 100 Kg: 1. Composición y rendimiento de los productos.

2. Numero de Etapas Teóricas de extracción, si se realiza en contracorriente siendo la

correlación entre flujos de 1 es a 1.

Composición de equilibrio de las fases (% en masa)

Capa Acuosa Capa Clorobenceno Agua Acetona Clorobenceno Agua Acetona Clorobenceno

99.89 0 0.11 0.18 0 99.82 89.79 10 0.21 0.49 10.79 88.72 79.79 20 0.31 0.79 22.23 76.98 69.42 30 0.58 1.72 37.48 60.80 58.74 40 1.36 3.05 49.44 47.51 46.28 50 3.72 7.24 59.19 33.37 27.41 60 12.59 22.85 61.07 15.08 25.66 60.58 13.76 25.66 60.58 13.76

Solución


Objetivo: Para 100 Kg de mezcla inicial

a) Composición y rendimiento de los productos

b) Numero de Etapas Teóricas de extracción en contracorriente

Hipótesis: Se considera la extracción Líquido – Líquido, en contracorriente, cuando la

correlación entre flujos es de 1:1


Solución Acuosa: 50% en peso de acetona

Clorobenceno:Clorobenceno Puro

RefinadoResiduo Máximo2% de Acetona


Página 11


Extracción

ALIMENTACIÓNF0 = 100 Kg(XF0) Acetona = 0.5

SOLVENTESN+1= (ySN+1) Clorobenceno = 1

REFINORN =(xRN) Acetona = 0.02

EXTRACTOE1 =

La correlación de los flujos es de 0

1

1N

FS +

= , entonces 1100

1 NS +=

Es necesario construir un diagrama triangular rectangular para determinar las fases que se forman y sobre todo las composiciones de cada flujo.

Determinación del punto medio Balance de masa con respecto al clorobenceno

( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S Cl NMCl Cl

F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +

( ) ( )

( )0 10 1

0 1

NF N SCl ClCl M

N

F x S yx

F S++

+

⋅ + ⋅=

+

( )100 0 ( )( )

100 10.5

100 100 Cl Mx

+= =

+

Balance de masa con respecto a la acetona

( ) ( ) ( ) ( )0 10 1 0 1NF N S Ac NMAc Ac

F x S y x F S++ +⋅ + ⋅ = ⋅ +

( ) ( )

( )0 10 1

0 1

NF N SAc AcAc M

N

F x S yx

F S++

+

⋅ + ⋅=

+

( ) ( )100 0.5 100 0+( ) 0.25

200 Ac Mx= =



medio.

El punto extrapolado que se muestra en la grafica se denomina punto de

operación, nos sirve para calcular el número de etapas de extracción.


Página 12


Según el diagrama existen 4 líneas de extracción, esto quiere decir que

hay 4 etapas de extracción. También se pueden determinar las

coordenadas de los puntos E1 y RN ó R4.


Página 13


10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Acetona

Clo

robe

ncen

o

Agua

Punto de Operación

R1R2 F0R3

E1

E2

E3

E4

M

R4

Líneas de ExtracciónLínea limite de la Fase

Punto Experimental de la Línea de Fase

Punto Ubicado


Página 14


Determinación del flujo de refinado y extracto Balance de Masa Total

0 1 1

1

1 200

N N

N

N

F S R E MR E MR E Kg

++ = + =

+ =

+ =

0 1

100 100200

NF S MM

M Kg

++ =+ ==

Balance de masa con respecto al Agua

( ) ( ) ( ) ( )1 0 11 0 1N NN R E F N SAguaAgua Agua AguaR x E y F x S y

++⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅

( ) ( ) ( ) ( )1

1

0.9785 0.0141 100 0.5 100 00.9785 0.0141 50

N

N

R ER E

⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅

+ =

Sistema de Ecuaciones

1

1

0.0141 0.0141 ( 0.0141) 2000.9785 0.0141 50

0.9644

N

N

N

R ER E

R

− − = − ⋅+ =

1

47.1848.922

151.078

NR KgE Kg

===

Flujos: Extracto E1= 151.078 Kg Refinado RN = 48.922 Kg

Respuestas a) Composición del Refinado RN o R4 según el diagrama:

Acetona: 2% Clorobenceno: 0.15% Agua: 100 – (2+0.15) = 97.85%

Composición del Extracto E1 según el diagrama: Acetona: 32.45% Clorobenceno: 66.14% Agua: 100 – (32.45+66.14) = 1.41%

Rendimiento del extracto


Página 15


( )( )

( )( )

1

0

1

0

151.078 0.3245% 100 100 98.05%

100 0.5E Acetona

F Acetona

E yR

F x

⋅= ⋅ = ⋅ =

⋅

b) Numero de Etapas Teóricas de extracción en contracorriente

Nº Etapas = 4 Aplicación

Usando disolvente puro de éter isopropílico a 600 Kg/h, para extraer una solución acuosa de

200 Kg/h que contiene 30% de ácido acético, por medio de una extracción a contracorriente en

etapas múltiples. La concentración de salida para el ácido acético en la fase acuosa es de 4%.

Determinar:

1. Composición de los productos.

2. Cantidades en el extracto de éter y en el refinado de ácido acético.

Composición de equilibrio de las fases (% en masa)

Capa Acuosa Capa Éter

Ácido Acético Agua Éter

Isopropílico Ácido Acético Agua Éter

Isopropílico 0 98.8 1.20 0 0.6 99.4

0.69 98.10 1.21 0.18 0.5 99.30 1.41 97.10 1.50 0.37 0.7 98.90 2.89 95.50 1.60 0.79 0.8 98.40 6.42 91.70 1.90 1.93 1.0 97.10

13.30 84.40 2.30 4.82 1.90 93.30 25.50 71.10 3.40 11.40 3.90 84.70 36.70 58.90 4.40 21.60 6.90 71.50 44.30 45.10 10.60 31.10 10.80 58.10 46.40 37.10 16.50 36.20 15.10 48.70

Solución


Objetivo: a) Composición de los productos

Solución Acuosa: 30% en peso de ácido acético200 Kg/h

Éter Isopropílico:Éter Isopropílico Puro600 Kg/h

Refinado4% en peso de acido acético


Página 16


b) Cantidades de extracto y refinado (cantidades de cada uno de los

componentes)

Hipótesis: Se considera la extracción Líquido – Líquido, en contracorriente, en una sola

etapa


Extracción

ALIMENTACIÓNF0 = 200 Kg/h(XF0) Ac. Acético = 0.3

SOLVENTESN+1= 600 Kg/h(ySN+1) E. Isopropílico = 1

REFINORN =(xRN) Ac Acético = 0.04

EXTRACTOE1 =

Es necesario construir un diagrama triangular rectangular para determinar las fases que

se forman y sobre todo las composiciones de cada flujo.

Determinación del punto medio Balance de masa con respecto al ácido acético

( ) ( )

( )0 10 1

0 1

NF N SAA AAAA M

N

F x S yx

F S++

+

⋅ + ⋅=

+

( ) ( )200 0.3 600 0+( ) 0.075

200 600 AA Mx= =

+

Balance de masa con respecto al éter isopropílico

( ) ( )

( )0 10 1

0 1

NF N SEI EIEI M

N

F x S yx

F S++

+

⋅ + ⋅=

+

( )200 0 ( )( )

600 10.75

800 EI Mx

+= =



medio.


Página 17


10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Acido Acético

Éter Isopropílico

Agua

RN

E1

M P ( AA ; EI ; Agua )E1 (0.0816; 0.8893; 0.0291)M (0.0750; 0.7500; 0.1750)RN (0.0400; 0.0174; 0.9426)

Determinación del flujo de refinado y extracto Balance de Masa Total

0 1 1

1

1 800 /

N N

N

N

F S R E MR E MR E Kg h

++ = + =

+ =

+ =

0 1

200 600800 /

NF S MM

M Kg h

++ =

+ ==

Balance de masa con respecto al éter isopropílico

( ) ( ) ( ) ( )1 0 11 0 1N NN R E F N SEIEI EI EIR x E y F x S y

++⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅

( ) ( ) ( )1

1

0.0174 0.8893 0 600 10.0174 0.8893 600

N

N

R ER E

⋅ + ⋅ = + ⋅

+ =


Página 18

Operaciones Unitarias Extracción Sistema de Ecuaciones

1

1

0.0174 0.0174 ( 0.0174) 8000.0174 0.8893 600

N

N

R ER E

− − = − ⋅+ =

1

1

0.8719 586.08672.187 /127.813 /

N

EE Kg hR Kg h

===

Flujos: Extracto E1= 672.18 Kg/h Refinado RN = 127.81 Kg/h

Respuestas a) Composición del Refinado RN y cantidades según el diagrama:

Ácido Acético: 4% 5.11 Kg/h AA Éter Isopropílico: 1.74% 2.22 Kg/h EI Agua: 100 – (4+1.74) = 94.26% 120.48 Kg/h AGUA

Composición del Extracto E1 y cantidades según el diagrama: Ácido Acético: 8.16% 54.85 Kg/h AA Éter Isopropílico: 88.93% 597.77 Kg/h EI Agua: 100 – (8.16+88.93) = 2.91% 19.56 Kg/h AGUA


Página 19

capitulo 2. extracciÓn

Documents