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UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICASCOATZACOALCOS, VER

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA II

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO

Presentación

Ing. Gustavo A. Robelo Grajales

Junio 2008


INTRODUCCIÓN:LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO ES UNA OPERACIÓN UNITARIA DE TRANSFERENCIA DE MASA ENTRE DOS FASES LÍQUIDAS EN EQUILIBRIO, CONSISTE EN LA SEPARACIÓN DE UNO O MAS COMPONENTES DE UNA MEZCLA, MEDIANTE LA ADICIÓN DE UN SOLVENTE SELECTIVO A LOS COMPONENTES A SEPARAR.EN LA EXTRACCIÓN LIQ-LIQ LAS FASES EN EQUILIBRIO RECIBEN EL NOMBRE DE EXTRACTO Y REFINADO, NORMALMENTE EL EXTRACTO CONTIENE LA MAYOR CANTIDAD DEL SOLVENTE SELECTIVO JUNTO CON LOS COMPONENTES A EXTRAER. EL REFINADO CONTIENE LA MENOR CANTIDAD DE SOLVENTE.

Mezcla A-BSolvente

Mezclador Decantador

Extracto

Refinado


VARIABLES INVOLUCRADAS EN EL PROCESO DE EXTRACCIÓN.

Temperatura

Presión

Velocidad del flujo de alimentación

Composición

Temperatura de las corrientes de entrada

Presión de las corrientes de alimentación


LOS COMPONENTES DEBEN PERMANECER EN FASE LÍQUIDA PARA UNA BUENA EFECTIVIDAD EN LA SEPARACIÓN.ALTAS TEMPERATURAS AUMENTAN LA SOLUBILIDAD DE TODOS LOS COMPONENTES EN AMBAS FASES.A TEMPERATURAS EXTREMAS PUEDE SER PROBLEMÁTICO ENCONTRAR UN SOLVENTE APROPIADO.LA MAYORÍA DE LOS SISTEMAS DE EXTRACCIÓN SE ENCUENTRAN BENEFICIADOS POR LAS CONDICIONES TE TEMPERATURA AMBIENTE. (NO EN TODOS LOS CASOS)LAS BAJAS TEMPERATURAS DE OPERACIÓN SON ATRACTIVAS PARA LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN DONDE LOS COMPONENTES SUFREN DESCOMPOSICIÓN COMO EN LA EVAPORACIÓN, DESTILACIÓN, ETC.


CONSIDERACIONES PARA EL SOLVENTE

DISPONIBILIDADSOLVENTE PARCIALMENTE SOLUBLE CON EL COMPONENTE NO DESEADO DE LA CORRIENTE MEZCLA.ESTABLE QUÍMICAMENTE E INERTE HACIA LOS OTROS COMPONENTES DEL SISTEMA.LA BAJA VISCOSIDAD INCREMENTA LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN Y LA SEDIMENTACIÓN DE LA FASE DISPERSA ES MAS RÁPIDA.BAJO COSTO, NO TÓXICO Y NO INFLAMABLE.LA DIFERENCIA DE DENSIDADES CON LOS COMPONENTES DE LA ALIMENTACIÓN, PARA UNA FASE DE SEPARACIÓN FACILITAN Y MANTIENEN LA CAPACIDAD DE LA ALTURA DEL EXTRACTOR.


CONSIDERACIONES DEL EQUIPO

ALTA TENSIÓN SUPERFICIAL Y VISCOSIDAD CONDUCEN A SUMINISTRAR MAYOR POTENCIA PARA MANTENER UNA RÁPIDA TRANSFERENCIA DE MASA A TRAVÉS DEL PROCESO DE SEPARACIÓN.BAJA TENSIÓN SUPERFICIAL Y VISCOSIDAD CONDUCEN A LA FORMACIÓN DE UNA EMULSIÓN.

MEZCLADOR - SEDIMENTADOR:

Una sola etapa en equilibrio.Requieren de recipientes de gran volumen y grandes cantidades de solvente.


COLUMNAS DE CONTACTO

Sistema de extracción preferido, relleno, platos ó de espreado.Altos flujos a través de la columna.En la selección del empaque es necesario seleccionar un material que esté “humedecido” por la fase continua.Los flujos siempre son a contracorreinte.

CONTACTOR CENTRÍFUGO

Ideales cuando la diferencia de densidades es menor al 4%En procesos donde se requieren muchas etapas de equilibrio.La agitación de la mezcla incrementa el área interfacial y disminuye la resistencia a la transferencia de masa.


Unidad de Unidad de operaciónoperación

VentajasVentajas DesventajasDesventajas

Mezclador-SedimentadorMezclador-Sedimentador EficienteEficientePoca alturaPoca alturaBuen contactoBuen contactoPueden manejarse varias etapasPueden manejarse varias etapas

Gran espacio de pisoGran espacio de pisoAltos costos de Altos costos de implementaciónimplementaciónAltos costos de operaciónAltos costos de operación

Columnas Columnas (sin agitación)(sin agitación)

Bajo costo de inversiónBajo costo de inversiónBajo costo de operaciónBajo costo de operación

Requiere de espacios altos Requiere de espacios altos Dificultad para el escalamiento Dificultad para el escalamiento de datos de laboratoriode datos de laboratorioMenor eficiencia que los Menor eficiencia que los Mezcladores - SedimentadoresMezcladores - Sedimentadores

Columnas Columnas (con agitación)(con agitación)

Buena dispersiónBuena dispersiónBajo costo de implementaciónBajo costo de implementaciónPueden manejarse variasetapasPueden manejarse variasetapas

Dificultad para separar Dificultad para separar diferencias de densidades diferencias de densidades pequeñaspequeñasNo tolera altos flujosNo tolera altos flujos

Extractor centrífugoExtractor centrífugo Puede separar diferencias de Puede separar diferencias de densidades pequeñasdensidades pequeñasTiempos cortos de retensiónTiempos cortos de retensiónPequeños volúmenesPequeños volúmenes

Altos costos de Altos costos de implementaciónimplementaciónAltos costos de operación y Altos costos de operación y mantenimientomantenimientoNo maneja muchas etapas.No maneja muchas etapas.


TEORÍA

EL EQUILIBRIO LÍQUIDO – LÍQUIDO ES REPRESENTADO POR LA ECUACIÓN DEL POTENCIAL QUÍMICO DE AMBAS FASES: LII

i

LI

iµµ =

Expresada en función de la fracción molar y los coeficientes de actividad

LII

i

LII

i

LI

i

LI

ixx γγ =

Modelos de coeficientes de actividad UNIFAC, UNIQUAC y NRTL


DIAGRAMA TERNARIO DE FASES

PRINCIPIOS QUE GOBIERNAN EL DIAGRAMA TERNARIO DE FASES:

LA SUMA DE LAS DISTANCIAS PERPENDICULARES DE ALGÚN PUNTO DENTRO DEL TRIÁNGULO A LOS TRES LADOS ES IGUAL A LA ALTURA DEL TRIÁNGULO.CADA VÉRTICE DEL TRIÁNGULO A CADA UNO DE LOS COMPONENTES PUROS.ALGÚN PUNTO DE UN LADO DEL TRIÁNGULO REPRESENTA UNA MEZCLA BINARIA.PUEDEN DIBUJARSE LÍNEAS PARALELAS A LOS LADOS DEL TRIÁNGULO EQUILÁTERO PARA TRAZAR LAS COMPOSICIONES.


Comportamiento anormal de fases en sistemas ternarios afectados por la temperatura


Ejemplo 3.5 Henley SeaderCalcúlese la composición de las fases en equilibrio que se forman cuandouna solución del 45 % en peso de glicol (G) y 55 % en peso de agua (W) se pone en contactocon su mismo peso de furfural (F) a 25 ºC y 101 kPa. Utilicese, si es posible, cada uno de loscinco diagramas de la figura 3.10. Cual es la composición de la mezcla glicol-agua que seobtiene al separar todo el furfural del extracto.


Solución: a).- diagrama del triángulo equiláteroExtracto V1

YE = G/FFurfural, Vo Y = G/(G+W)

100 g yG = G/(G+W+F)

100 % yF = F/(G+W+F)

SE = F/(G+W)

Refinado L1

Alimentación, Lo XR = G/W45 % G X = G/(G+W)55 % W xG = G/(G+W+F)

Lo= 100 g xF = F/(G+W+F)

SR = F/(G+W)M = Vo + Lo = L1 + V1

M= 200 g Mezcla MG= 45 g 22.50 %W= 55 g 27.50 %F= 100 g 50.00 %

ETAPA DE EQUILIBRIO


En el diagrama ternario se ubica el punto de alimentación Lo, y se traza una linea desdeVo (furfural 100%) hasta el punto de alimentación siendo esta ahora la línea de alimentación.

Se ubica el punto de mezcla M y se traza una línea de reparto.


La línea de reparto corta a la línea de equilibrio en

Extracto Refinado% peso % peso

yG, xG 28 7.6

yW, xw 6 85

yF, xF 66 7.4

Balance para determinar el extracto (V1) y el refinado (L1)

Balance Total M = V1 + L1

Balance para G M*xGM = V1*yG + L1*xG

L1 = M*(xGM - yG)/(xG - yG) 53.9215686 g

V1= 146.078431 g


Diagrama de equilibrio L-L Furfural - Etilenglicol - Agua

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% peso de furfural

% p

es

o d

e e

tile

ng

lic

ol

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