extracciÓn sÓlido-lÍquido fernando nÚÑez, ing. químico, esp. cga [email protected] ...
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EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
www.fernandon.com
EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
CON LA EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO SE PUEDE EXTRAER COMPONENTES SOLUBLES DE SÓLIDOS CON AYUDA DE UN DISOLVENTE. CAMPOS DE APLICACIÓN DE ESTA OPERACIÓN BÁSICA SON, POR EJEMPLO, LA OBTENCIÓN DE ACEITE DE FRUTOS OLEAGINOSOS O LA LIXIVIACIÓN DE MINERALES.
UN EJEMPLO DE LA VIDA COTIDIANA ES LA PREPARACIÓN DE LA INFUSIÓN DE CAFÉ. EN ESTE PROCESO, LA SUSTANCIA AROMÁTICA DEL CAFÉ (SOLUTO) SE EXTRAE CON AGUA (DISOLVENTE) DEL CAFÉ MOLIDO (MATERIAL DE EXTRACCIÓN, FORMADO POR LA FASE PORTADORA SÓLIDA Y EL SOLUTO). EN EL CASO IDEAL SE OBTIENE LA INFUSIÓN DE CAFÉ (DISOLVENTE CON LA SUSTANCIA AROMÁTICA DISUELTA) Y EN EL FILTRO DE LA CAFETERA QUEDA EL CAFÉ MOLIDO TOTALMENTE LIXIVIADO (FASE PORTADORA SÓLIDA).
EN LA PRÁCTICA, AL TÉRMINO DE LA EXTRACCIÓN, LA FASE PORTADORA SÓLIDA SIEMPRE CONTENDRÁ TODAVÍA UNA PARTE DEL SOLUTO EN EL SÓLIDO. ADEMÁS, UNA PARTE DEL DISOLVENTE PERMANECERÁ TAMBIÉN LIGADA DE FORMA ADSORBATO A LA FASE PORTADORA SÓLIDA.
ESQUEMA DE LA EXTRACCIÓN; ANTES DE LA EXTRACCIÓN (IZQUIERDA) Y DESPUÉS DE LA EXTRACCIÓN (DERECHA):1 DISOLVENTE, 2 MATERIAL DE EXTRACCIÓN (FASE PORTADORA SÓLIDA CON SOLUTO), 3 SOLUTO,4 FASE PORTADORA SÓLIDA LIXIVIADA, 5 DISOLVENTE CON EL SOLUTO DE TRANSICIÓN EN ÉL DISUELTO
CONTACTO SENCILLO
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
CONTACTO SENCILLO
BALANCE DE MASA
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
Xf*F+xs*S=x*R+y*ECOMPONENTE C
F+S=E+RTOTALTODO EL SISTEMA, VC3
RESOLVIENDO ELSISTEMA DEECUACIONES TENEMOS
Xm*M=y*E+x*RCOMPONENTE C
M=E+RTOTAL
DECANTADOR, VC2
Xf*F+xs*S=xm*MCOMPONENTE C
F+S=MTOTALMEZCLADOR, VC1
ECUACIÓNTIPO DE BALANCEVOLUMEN DE CONTROL
Xf*F+xD*D=x*R+y*ECOMPONENTE C
F+D=E+RTOTALTODO EL SISTEMA, VC3
RESOLVIENDO ELSISTEMA DEECUACIONES TENEMOS
Xm*M=y*E+x*RCOMPONENTE C
M=E+RTOTAL
DECANTADOR, VC2
Xf*F+xD*D=xm*MCOMPONENTE C
F+D=MTOTALMEZCLADOR, VC1
ECUACIÓNTIPO DE BALANCEVOLUMEN DE CONTROL
11
111
11
111
xy
xmyMR
xy
xxmME
APLICACIÓN DE LA REGLA DE LA PALANCA AL SISTEMA DE CONTACTO SENCILLO ANTERIOR
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
xsxm
xmxF
MS
FM
F
D
xyxxm
ER
MRME
xyxy
ER
EMMR
DECANTADOR, VC2
M=S+FMEZCLADOR, VC1
REGLA DE LA PALANCA
VOLUMEN DE CONTROL
DECANTADOR, VC2
MEZCLADOR, VC1
REGLA DE LA PALANCA
VOLUMEN DE CONTROL
Contacto múltiple en contracorriente directa
Este método de extracción consiste en la repetición del proceso para una etapa sencilla.
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
E1
F,xF
D,xD
R1
E2
M1M2
MN-1
EN-1
RN-1
MN
EN
RN
R2
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MnDR -1.
n1n
Balance de materia en el componente soluto, mezclador:
nnn M*xmD*xDR*x -2.n1-n1-n
Sustituyendo 1 en 2 y despejando xmn obtenemos:
n1n
n1-n1-n
n1nn1-n1-n
DR
D*xDR*xxm -4.
DR*xmnD*xDR*x -3.
n
n
n
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
APLICANDO BALANCE DE MATERIA PARA LA ETAPA N, SE LLEGA A LAS SIGUIENTES EXPRESIONES.
Balance de materia total, mezclador:
Rn
UBICACIÓN GRÁFICA DE XM,N
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE DISOLVENTE:Para determinar el disolvente utilizado para una determinada separación en la unidad n se usa la siguiente expresión:
Sustituyendo 1 en 2 y despejando Dn obtenemos:
nn
n
nn
xD-xm
xm-1-nx*RD
DR*xmD*xDR*1-nx
1-n
n
n1-nn1-n
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
D
SI
DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA CANTIDAD DE DISOLVENTE EN LA ETAPA N
nn
-1nn
NN
N
xD-xm
x-xm
DM
RM
R
D1-n
1-n
n
n-1nN xm-xMR1-n
nxm
Rn-1
-1nxnxD
nnNN xD-xmDM
BALANCE GLOBAL DE MATERIA EN EL DECANTADOR
Balance de materia en el componente soluto
nnnnnn1-n1-nR*xE*yD*xDR*x-2.
nnn1nREDR-1.
Balance global de materia en el decantador
Despejando Rn de la ecuación 1 y sustituyéndolo en la expresión 2 obtenemos En.
nn
nnnn
n
xy
)x(xmME
EM*xE*yD*xDR*xnnnnnn1-n1-n
Aplicando balance de materia para la etapa n, se llega a las siguientes expresiones.
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D
SI
DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA CANTIDAD DE REFINADO EN LA ETAPA N
nn
mnn
NN
NN
x-y
x-y
RE
ME
M
R
n
n
nnNN xm-yME
nxm
Rn-1
ny
nx
nnNN x-yRE
EJERCICIO DE ETAPAS MULTIPLES EN CORRIENTE DIRECTA
De una harina de pescado que contiene el aceite que ha de extraerse con benceno operando en múltiples etapas en corriente directa. Experimentalmente se a encontrado que la disolución retenida por el sólido inerte es función de la composición de la disolución, de acuerdo a los datos de las dos primeras columnas de la tabla. Al sistema de extracción, que consta de tres etapas, entran 1000 Kg/hr de alimentación que contienen 40% en peso de aceite y la cantidad de benceno en cada etapa es de 750 Kg/hr.Calcúlese:1.- composición global de los extractos2.- flujos másicos de extracto y refina en cada etapa
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
Kg de aceite/Kg
de disolución
Kg de disolución/Kg
de Higado exento de
aceite
Kg de aceite/Kg
higado exento de aceite
KG BENCEN
O/Kg higado
exento de aceite
TOTAL=(Kg DE DISOLUCIÓN+Kg
de HIGADO EXENTO DE
ACEITE)/Kg de HIGADO EXENTO
DE ACEITE
Kg Aceite/Kg(aceite+benceno+higadexe
nto de aceite)
Kg benceno/Kg(aceite+benceno+hig
adexento de aceite)
0 0,5 0 0,5 1,5 0 0,3333333330,1 0,505 0,0505 0,4545 1,505 0,033554817 0,3019933550,2 0,515 0,103 0,412 1,515 0,067986799 0,2719471950,3 0,53 0,159 0,371 1,53 0,103921569 0,242483660,4 0,55 0,22 0,33 1,55 0,141935484 0,2129032260,5 0,571 0,2855 0,2855 1,571 0,181731381 0,1817313810,6 0,595 0,357 0,238 1,595 0,223824451 0,1492163010,7 0,62 0,434 0,186 1,62 0,267901235 0,114814815
DATOS EXPERIMENTALES DE LA MEZCLA BENCENO-ACEITE-HIGADO
Se grafican los datos experimentales dadorSe ubica el punto de alimentación F,xf y de disolvente S1, Xs1 de la primera
etapa en la grafica.Se traza la línea de alimentación de la etapa Ise realiza un balance de materia en la etapa I y se determina xm1Balance de materia total, mezclador: 1.- F+S1=M1 Balance de materia en el componente aceite: 2.- F*xf+S1*xs=M1*xm1Se sustituye 1 en 2 y se despeja xm1
0,23
hr
Kg7501000
hr
Kg750*01000*0,4
SF
S*xSF*xxm -4.
SF*xm1S*xSF*x -3.
11
11
F
1f
ETAPA 1
x y%ACEITE % BENCENO
0 33,33,36 30,26,8 27,2
10,39 24,214,19 21,318,17 18,1722,4 14,9226,8 11,48
xm1
y1
x1
F,xf
D,xS
0,23
hr
Kg7501000
hr
Kg750*01000*0,4
SF
S*xSF*xxm -4.
SF*xm1S*xSF*x -3.
11
11
F
1f
De la grafica se obtiene x1= 0,65; y1=0,35
hr
Kg921
0,1220,35
0,230,35
hr
Kg1750
x1y1
)xmM1(yR
hr
Kg829
0,1220,35
0,122)(0,23
hr
Kg1750
x1y1
)xM1(xmE
111
111
0,067
hr
Kg750921
hr
Kg750*0921*0,122
SR
S*xSR*xxm -4.
SR*xm2S*xSR*x -3.
21
212
12
21
2211
hr
Kg
0,0350,1
0,0670,1
hr
Kg1671
x2y2
)xmM2(yR
hr
Kg
0,0350,1
0,035)(0,067
hr
Kg1671
x2y2
)xM2(xmE
222
222
4,848
6,822
Trazar la alimentación de la etapa 2, R1S2Se determina xm2
Se traza la línea que parta de inerte puro y para por xm2, para determinar E2 Y R2De la grafica se obtiene x2= 0,035; y2=0,1Se determina extracto y refinado de la etapa 2 haciendo un balance en el mezclador
Trazar la línea de alimentación de la etapa 3
ETAPA 2
xm1
y1
x1
xm2
y2
x2
D,xS
F,xf
0,067
hr
Kg750921
hrKg
750*0921*0,122
SR
S*xSR*xxm -4.
SR*xm2S*xSR*x -3.
21
212
12
21
2211
hr
Kg
0,0350,1
0,0670,1
hr
Kg1671
x2y2
)xmM2(yR
hr
Kg
0,0350,1
0,035)(0,067
hr
Kg1671
x2y2
)xM2(xmE
222
222
4,848
6,822
De la grafica se obtiene x2= 0,035; y2=0,1
ETAPA 3
Trazar la alimentación de la etapa 3, R2S3Se determina xm3Se traza la línea que parta de inerte puro y para por xm3, para determinar
E3 Y R3De la grafica se obtiene x3= 0,01; y3=0,036Se determina extracto y refinado de la etapa 3 haciendo un balance en el
mezclador
0,02
hr
Kg7508
hr
Kg750*0848,4*0,035
SR
S*xSR*xxm -4.
SR*xm3S*xSR*x -3.
32
3323
32332
2
2
4,48
hr
Kg
0,010,036
0,020,036
hr
Kg1598,4
x3y3
)xmM3(yR
hr
Kg
0,010,036
0,01)(0,02
hr
Kg1598,4
x3y3
)xM3(xmE
333
333
6,983
8,614
xm1
y1
x1
xm2
y2
x2
xm3
x3
y3
0,02
hr
Kg7508
hr
Kg750*0848,4*0,035
SR
S*xSR*xxm -4.
SR*xm3S*xSR*x -3.
32
3323
32332
2
2
4,48
hr
Kg
0,010,036
0,020,036
hr
Kg1598,4
x3y3
)xmM3(yR
hr
Kg
0,010,036
0,01)(0,02
hr
Kg1598,4
x3y3
)xM3(xmE
333
333
6,983
8,614
De la grafica se obtiene x3= 0,01; y3=0,036
D,xS
F,xf
COMPOSICIÓN GLOBAL DE LOS EXTRACTOS OBTENIDOS
0,17E3E2E1
y3*E3y2*E2y1*E1
Ei
yi*EiYG 3i
1i
3i
1i