Extraccion Liquido-liquido 5a3u18
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EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO NINI JOHANNA BARRIOS OSUNA Haga clic para modificar el estilo de subtítulo del patrón TRANSFERENCIA DE MASA
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD 5/26/12
Bogotá, Cundinamarca 2012
INTRODUCCION
Los procesos de separación por extracción líquidolíquido también reciben los nombres de extracción con líquido o extracción con disolvente.
En la destilación, el líquido se vaporiza parcialmente para crear otra fase, que es un vapor. La separación de los componentes depende de las presiones de vapor relativas de las sustancias. La fase de vapor y la líquida tienen gran semejanza química. En la extracción líquidolíquido, ambas fases son químicamente muy diferentes, 5/26/12 lo que conduce a una separación de los componentes de
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Reglas de las fases
En general, un sistema líquido-líquido tiene tres componentes, A,B y C, y dos fases en equilibrio. Sustituyendo en la regla de las fases, los grados de libertad son 3, y las variables son temperatura, presión y las cuatro concentraciones. (Hay cuatro concentración porque sólo es posible especificar dos de las tres concentraciones de fracciones de masa de una fase.) La 5/26/12 tercera completa el total de las fracciones de masa a un
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Coordenadas triangulares y datos de equilibrio Las coordenadas triangulares equiláteras se usan con mucha frecuencia para representar los datos de equilibrio de un sistema de tres componentes, puesto que se tienen tres ejes. Cada uno de los tres vértices representa un componente puro A, B o C.
5/26/12
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
El punto M representa una mezcla de A, B y C, la distancia perpendicular desde el punto M hasta la base AB representa a la fracción de masa xc de C en la mezcla en el punto M, la distancia a la base CB es la fracción de masa XA de A, y la distancia a la base AC es la fracción de masa XB de B. 5/26/12
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Algunos ejemplos típicos son metil-isobutil-cetona (A)-agua (B)acetona (C), agua (A)-cloroformo (B)-acetona (C), y benceno (A)agua (B)-ácido acético (C).
Con respecto a la figura 12.5-2, el líquido C se disuelve por completo en A o B. El líquido A es muy 5/26/12 poco soluble en B y B
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Datos de equilibrio en coordenadas rectangulares Los disolventes B y C son parcialmente miscibles. La concentración del componente C se grafica en el eje vertical y la de A en el eje horizontal. La concentración del componente B se obtiene por diferencia de las ecuaciones:
5/26/12
5/26/12
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
La región de dos fases de la figura 12.5-3 está en el interior de la envolvente y la región de una fase en el exterior. Se muestra una línea de unión gi que conecta a la capa rica en agua i, llamada capa de refinado, y la capa de disolvente rica en éter g, llamada capa de extracto.
La composición del refinado se designa como X y la del extracto Y. Por consiguiente, la fracción de masa C se 5/26/12 denomina como Yc en la capa de extracto y xc en la de refinado. Para construir la línea de unión gi mediante la
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Deducción de la regla del brazo gráfica
5/26/12
para adicción
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Deducción de la regla del brazo para adicción gráfica En la figura 12.5-5a se mezclan (suman) dos corrientes L kg y V kg, que contienen los componentes A, B y C, para obtener la corriente de mezcla resultante de M kg de masa total. Si se escribe un balance total de masa y un balance con respecto a A,
(1) (2)
5/26/12
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Donde xAM es la fracción masa de A en la corriente M. Al escribir un balance para el componente C, (3) Combinando las ecuaciones (1) y (2); (4) Combinando las ecuaciones (1) y (3);
5/26/12
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Igualando las ecuaciones (4) y (5) y reordenando; (6) Esto indica que los puntos L, M y V deben formar una línea recta. Usando las propiedades de los triángulos rectángulos semejantes, (7)
5/26/12
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Ésta es la regla del brazo de palanca, la cual señala que kg L/kg V es igual a la longitud de la línea M / longitud de la línea EM. Además, (8)
Estas ecuaciones también son válidas para kg mol y frac mol, Ibm, etc. 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Como en el caso de los procesos de separación de absorción y destilación, las dos fases de la extracción líquido-líquido se ponen en o íntimo con un alto grado de turbulencia para lograr velocidades de transferencias de masa elevadas. Después de este o, ambas fases se separan. Existen dos tipos principales de equipo para extracción con disolvente: recipientes equipados con agitación mecánica para el mezclado, y recipientes en los que el 5/26/12 mezclado se obtiene por el propio flujo de los fluidos. El equipo de extracción se puede operar por lotes o en
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Mezcladores-sedimentadores para la extracción Para lograr una transferencia de masa eficiente, con frecuencia se usa un mezclador mecánico que permite un o íntimo entre las dos fases líquidas. 5/26/12 En general,
una de las fases se dispersa en la otra
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Mezcladores-sedimentadores para la extracción
5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Mezcladores - sedimentadores para la extracción En la figura 12.6-1a se muestra un mezclador-sedimentador típico, donde el mezclador o agitador está completamente separado del sedimentador. La alimentación de fase acuosa y fase orgánica se presenta en el mezclador, y las fases mezcladas se separan en el sedimentador.
En la figura 12.6-1b se muestra una combinación de mezcladorsedimentador, que algunas veces se usa para la extracción de sales de uranio o de cobre de soluciones acuosas. Ambos tipos de mezclador-sedimentador se pueden combinar en serie para 5/26/12 extracción a contracorriente o en etapas múltiples.
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
ores de platos y de torres agitadas para la extracción En la figura 12.6-2a se muestra una torre de extracción de platos perforados, donde se dispersan las gotas del disolvente ligero líquido que tienden a elevarse. Las gotas dispersadas coalescen o se aglutinan debajo de cada plato y se vuelven a formar por encima de éste, al pasar a través de las perforaciones. El líquido acuoso pesado fluye hacia abajo en los platos, donde se pone en o con las gotas flotantes y después pasa por la bajada del plato hacia el plato inferior.
5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
ores de platos y de torres agitadas para la extracción
5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
ores de platos y de torres agitadas para la extracción En la figura 12.6-2b se muestra una torre de extracción con agitación. Una serie de agitadores de paletas, montados sobre un eje giratorio central, proporcionan la agitación para ambas fases. Cada agitador esta separado del siguiente por una sección en calma constituida por un tamiz de alambre que promueve el aglutinamiento de las gotas y la separación de las fases. 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
ores de platos y de torres agitadas para la extracción Este aparato es, en esencia, una serie de mezcladoressedimentadores, uno encima del otro (C8, P1, T1). Otro tipo es la columna de platos de vaivén de Karr, que contiene una serie de platos de criba con una gran área abierta del 60% donde los platos se mueven de abajo hacia arriba (C6, C8, L3). Éste es uno de los pocos tipos de torres de extracción cuya escala se puede aumentar con precisión razonable (C6, K3). 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Torres de extracción empacadas y de rocío Las torres de extracción empacadas y de rocío permiten os diferenciales, y en ellas el mezclado y la sedimentación proceden con régimen continuo y simultaneo (C8). En torres de platos o en ores mezclador-sedimentador, la extracción y la sedimentación se verifican en etapas definidas.
5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Torres de extracción empacadas y de rocío
5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Torres de extracción empacadas y de rocío En la figura 12.6-3, el líquido pesado entra por la parte superior de la torre de rocío, llena la torre, lo que constituyendo la fase continua y fluye hacia afuera, por el fondo. El líquido ligero entra a través de un distribuidor de tobera en el fondo, que lo dispersa hacia arriba en forma de rocío de gotas pequeñas. El líquido ligero se aglutina en la parte superior y fluye hacia afuera. En algunos casos, el líquido pesado se rocía hacia abajo sobre la fase ligera continua que se va elevando. 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Torres de extracción empacadas y de rocío Un tipo de torre más eficaz es una columna con empaques como anillos de Raschig o sillas de Berl, que promueven el aglutinamiento y la redispersión de las gotas a intervalos frecuentes a lo largo de la torre. En las referencias (T1, P1) se pueden encontrar estudios detallados del funcionamiento y la construcción de torres empacadas. 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
En la extracción en una sola etapa se usó un o de equilibrio en una sola etapa para transferir el soluto A de una fase líquida a otra. Para transferir más soluto se puede repetir el o en una sola etapa, mezclando la corriente de salida L1 con disolvente nuevo V2.
De esta manera se logra un mayor porcentaje de extracción del soluto A. Sin embargo, este procedimiento desperdicia corriente de disolvente y además, da lugar a la formación de un producto A diluido en las corrientes de salida de extracto. Para usar menos disolvente y obtener una corriente de extracto de salida más concentrada, generalmente se usa el o a contracorriente en etapas múltiples.
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EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general
La corriente de alimentación que contiene el soluto A que se va a extraer, entra por un extremo del proceso y la corriente de disolvente entra por el otro. Las corrientes de extracto y de refinado fluyen a contracorriente de etapa a etapa, y los productos finales son la corriente de extracto V1 que sale de la etapa 1, y la corriente de refinado LN que sale de la etapa N.
Estableciendo un balance en todas las etapas N; 5/26/12
(1)
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Donde M representa los kg totales/h(lbm,/h) y es una constante, L0 es el flujo de alimentación de entrada en kg/h, VN+1 es el gasto de entrada del disolvente en kg/h, V1 es la corriente de extracto de salida, y LN es la corriente de refinado de salida. Llevando a cabo un balance general con respecto al componente C, (2) 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Combinando las ecuaciones (1) y (2) y reordenando; (3) Un balance similar con el componente A, proporciona la expresión; 5/26/12
(4)
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Las ecuaciones (3) y (4) se pueden usar para calcular las coordenadas del punto M en el diagrama de fases, que relaciona las dos corrientes de entrada L0 y VN+1 y las dos corrientes de salida, V1 y LN. Por lo general, se conocen los flujos y las composiciones de L0 y VN+1, y la composición de salida XAN deseada tiene un valor fijo. Al graficar los puntos L0, VN+1 y M como se ilustra en la figura 12.7-2, deben quedar conectados por una recta 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Entonces, LN, M y V1 quedan en una misma línea. Además, LN y V1 estarán situados en la envolvente de las fases, como se muestra en la figura. Estos balances también son válidos para lbm, y fracciones de masa, kg mol y fracciones mol, entre otros elementos.
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente El siguiente paso después de establecer el balance general consiste en pasar de etapa a etapa para determinar las concentraciones en cada una, de ellas y el numero total de etapas N necesario para llegar a LN en la figura 12.7-1.
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente El balance total en la etapa 1 es: (5) Estableciendo un balance similar en la etapa n; (6) 5/26/12
Reordenando la ecuación (5) para obtener la diferencia A en
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente Este valor de A en kg/h es constante para todas las etapas. (8) Esto también es valido para un balance del componente A, B o C,
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente Combinando las ecuaciones (8) y (9) y despejando x∆ (10) Donde x∆ es la coordenada x en el punto A. 5/26/12
Las ecuaciones (7) y (8) se pueden escribir como:
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente La ecuación (11) indica que L0 está en una línea que pasa a través de A y Vn, Ln, está en una línea que pasa a través de A y Vn+ , y así sucesivamente. Esto significa que A es un punto común a todas las corrientes que se cruzan, como L0 y V1, Ln, y Vn+, y LN y VN+1, etc.
Las coordenadas para localizar este punto de operación A corresponden a XC∆ y XA∆ en la ecuación (10). Puesto que los puntos fínales VN+, LN o V1, y L0 son valores conocidos, es posible 5/26/12 calcular x∆ y localizar el punto A.
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente Para escalonar el número de etapas usando la ecuación (1), se empieza en el punto L0, y se traza la línea L0 A que localiza al punto V1, en el límite de las fases. Después, una línea de unión a través de V1 localiza el punto L1, que está en equilibrio con V1. Entonces, se traza la línea L1 A con la que se obtiene V2. Se traza después la línea V2 L2. Este procedimiento escalonado se repite hasta que se llega a la composición de refinado LN deseada. Se obtiene así el número de etapas N necesario para llevar a cabo la extracción. 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cantidad mínima de disolvente Si se selecciona una cantidad de disolvente VN+ , con un valor muy bajo se llegará a un caso límite en el cual una línea a través de A y una línea de unión son iguales. Entonces, para lograr la separación deseada se requerirá un número infinito de etapas. Así se logra la cantidad mínima de disolvente. No obstante, para la operación real se deberá usar una cantidad mayor de disolvente. 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cantidad mínima de disolvente
El procedimiento para obtener este mínimo es como sigue. Se traza una línea de unión a través del punto L0 (Fig. 12.7-4) que interseque a la prolongación de LN VN+. Se trazan otras líneas de unión a la izquierda de esta línea, incluyendo una a través de LN que interseque a la línea LN VN+1. La intersección de una línea de unión con la línea LN VN+ , que esté más cerca de VN+1, representa el punto ∆min, esto es, la cantidad mínima de disolvente. La posición real de A que se usa deberá estar más cercana a VN+ , que a ∆min para un número finito de 5/26/12 etapas. Esto significa que se usará más disolvente. Por lo general, la línea de unión a través de L0 representa el valor de ∆min.
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Cantidad mínima de disolvente
5/26/12
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MUCHAS 5/26/12
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Bogotá, Cundinamarca 2012
INTRODUCCION
Los procesos de separación por extracción líquidolíquido también reciben los nombres de extracción con líquido o extracción con disolvente.
En la destilación, el líquido se vaporiza parcialmente para crear otra fase, que es un vapor. La separación de los componentes depende de las presiones de vapor relativas de las sustancias. La fase de vapor y la líquida tienen gran semejanza química. En la extracción líquidolíquido, ambas fases son químicamente muy diferentes, 5/26/12 lo que conduce a una separación de los componentes de
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Reglas de las fases
En general, un sistema líquido-líquido tiene tres componentes, A,B y C, y dos fases en equilibrio. Sustituyendo en la regla de las fases, los grados de libertad son 3, y las variables son temperatura, presión y las cuatro concentraciones. (Hay cuatro concentración porque sólo es posible especificar dos de las tres concentraciones de fracciones de masa de una fase.) La 5/26/12 tercera completa el total de las fracciones de masa a un
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Coordenadas triangulares y datos de equilibrio Las coordenadas triangulares equiláteras se usan con mucha frecuencia para representar los datos de equilibrio de un sistema de tres componentes, puesto que se tienen tres ejes. Cada uno de los tres vértices representa un componente puro A, B o C.
5/26/12
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
El punto M representa una mezcla de A, B y C, la distancia perpendicular desde el punto M hasta la base AB representa a la fracción de masa xc de C en la mezcla en el punto M, la distancia a la base CB es la fracción de masa XA de A, y la distancia a la base AC es la fracción de masa XB de B. 5/26/12
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Algunos ejemplos típicos son metil-isobutil-cetona (A)-agua (B)acetona (C), agua (A)-cloroformo (B)-acetona (C), y benceno (A)agua (B)-ácido acético (C).
Con respecto a la figura 12.5-2, el líquido C se disuelve por completo en A o B. El líquido A es muy 5/26/12 poco soluble en B y B
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
Datos de equilibrio en coordenadas rectangulares Los disolventes B y C son parcialmente miscibles. La concentración del componente C se grafica en el eje vertical y la de A en el eje horizontal. La concentración del componente B se obtiene por diferencia de las ecuaciones:
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5/26/12
RELACIÓN DE EQUILIBRIO EN LA EXTRACCIÓN
La región de dos fases de la figura 12.5-3 está en el interior de la envolvente y la región de una fase en el exterior. Se muestra una línea de unión gi que conecta a la capa rica en agua i, llamada capa de refinado, y la capa de disolvente rica en éter g, llamada capa de extracto.
La composición del refinado se designa como X y la del extracto Y. Por consiguiente, la fracción de masa C se 5/26/12 denomina como Yc en la capa de extracto y xc en la de refinado. Para construir la línea de unión gi mediante la
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Deducción de la regla del brazo gráfica
5/26/12
para adicción
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Deducción de la regla del brazo para adicción gráfica En la figura 12.5-5a se mezclan (suman) dos corrientes L kg y V kg, que contienen los componentes A, B y C, para obtener la corriente de mezcla resultante de M kg de masa total. Si se escribe un balance total de masa y un balance con respecto a A,
(1) (2)
5/26/12
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Donde xAM es la fracción masa de A en la corriente M. Al escribir un balance para el componente C, (3) Combinando las ecuaciones (1) y (2); (4) Combinando las ecuaciones (1) y (3);
5/26/12
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Igualando las ecuaciones (4) y (5) y reordenando; (6) Esto indica que los puntos L, M y V deben formar una línea recta. Usando las propiedades de los triángulos rectángulos semejantes, (7)
5/26/12
EXTRACCIÓN EN EQUILIBRIO EN UNA SOLA ETAPA
Ésta es la regla del brazo de palanca, la cual señala que kg L/kg V es igual a la longitud de la línea M / longitud de la línea EM. Además, (8)
Estas ecuaciones también son válidas para kg mol y frac mol, Ibm, etc. 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Como en el caso de los procesos de separación de absorción y destilación, las dos fases de la extracción líquido-líquido se ponen en o íntimo con un alto grado de turbulencia para lograr velocidades de transferencias de masa elevadas. Después de este o, ambas fases se separan. Existen dos tipos principales de equipo para extracción con disolvente: recipientes equipados con agitación mecánica para el mezclado, y recipientes en los que el 5/26/12 mezclado se obtiene por el propio flujo de los fluidos. El equipo de extracción se puede operar por lotes o en
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Mezcladores-sedimentadores para la extracción Para lograr una transferencia de masa eficiente, con frecuencia se usa un mezclador mecánico que permite un o íntimo entre las dos fases líquidas. 5/26/12 En general,
una de las fases se dispersa en la otra
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Mezcladores-sedimentadores para la extracción
5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Mezcladores - sedimentadores para la extracción En la figura 12.6-1a se muestra un mezclador-sedimentador típico, donde el mezclador o agitador está completamente separado del sedimentador. La alimentación de fase acuosa y fase orgánica se presenta en el mezclador, y las fases mezcladas se separan en el sedimentador.
En la figura 12.6-1b se muestra una combinación de mezcladorsedimentador, que algunas veces se usa para la extracción de sales de uranio o de cobre de soluciones acuosas. Ambos tipos de mezclador-sedimentador se pueden combinar en serie para 5/26/12 extracción a contracorriente o en etapas múltiples.
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
ores de platos y de torres agitadas para la extracción En la figura 12.6-2a se muestra una torre de extracción de platos perforados, donde se dispersan las gotas del disolvente ligero líquido que tienden a elevarse. Las gotas dispersadas coalescen o se aglutinan debajo de cada plato y se vuelven a formar por encima de éste, al pasar a través de las perforaciones. El líquido acuoso pesado fluye hacia abajo en los platos, donde se pone en o con las gotas flotantes y después pasa por la bajada del plato hacia el plato inferior.
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ores de platos y de torres agitadas para la extracción
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ores de platos y de torres agitadas para la extracción En la figura 12.6-2b se muestra una torre de extracción con agitación. Una serie de agitadores de paletas, montados sobre un eje giratorio central, proporcionan la agitación para ambas fases. Cada agitador esta separado del siguiente por una sección en calma constituida por un tamiz de alambre que promueve el aglutinamiento de las gotas y la separación de las fases. 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
ores de platos y de torres agitadas para la extracción Este aparato es, en esencia, una serie de mezcladoressedimentadores, uno encima del otro (C8, P1, T1). Otro tipo es la columna de platos de vaivén de Karr, que contiene una serie de platos de criba con una gran área abierta del 60% donde los platos se mueven de abajo hacia arriba (C6, C8, L3). Éste es uno de los pocos tipos de torres de extracción cuya escala se puede aumentar con precisión razonable (C6, K3). 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Torres de extracción empacadas y de rocío Las torres de extracción empacadas y de rocío permiten os diferenciales, y en ellas el mezclado y la sedimentación proceden con régimen continuo y simultaneo (C8). En torres de platos o en ores mezclador-sedimentador, la extracción y la sedimentación se verifican en etapas definidas.
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Torres de extracción empacadas y de rocío
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Torres de extracción empacadas y de rocío En la figura 12.6-3, el líquido pesado entra por la parte superior de la torre de rocío, llena la torre, lo que constituyendo la fase continua y fluye hacia afuera, por el fondo. El líquido ligero entra a través de un distribuidor de tobera en el fondo, que lo dispersa hacia arriba en forma de rocío de gotas pequeñas. El líquido ligero se aglutina en la parte superior y fluye hacia afuera. En algunos casos, el líquido pesado se rocía hacia abajo sobre la fase ligera continua que se va elevando. 5/26/12
EQUIPOS PARA EXTRACCIÓN LIQUIDO-LIQUIDO
Torres de extracción empacadas y de rocío Un tipo de torre más eficaz es una columna con empaques como anillos de Raschig o sillas de Berl, que promueven el aglutinamiento y la redispersión de las gotas a intervalos frecuentes a lo largo de la torre. En las referencias (T1, P1) se pueden encontrar estudios detallados del funcionamiento y la construcción de torres empacadas. 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
En la extracción en una sola etapa se usó un o de equilibrio en una sola etapa para transferir el soluto A de una fase líquida a otra. Para transferir más soluto se puede repetir el o en una sola etapa, mezclando la corriente de salida L1 con disolvente nuevo V2.
De esta manera se logra un mayor porcentaje de extracción del soluto A. Sin embargo, este procedimiento desperdicia corriente de disolvente y además, da lugar a la formación de un producto A diluido en las corrientes de salida de extracto. Para usar menos disolvente y obtener una corriente de extracto de salida más concentrada, generalmente se usa el o a contracorriente en etapas múltiples.
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general
La corriente de alimentación que contiene el soluto A que se va a extraer, entra por un extremo del proceso y la corriente de disolvente entra por el otro. Las corrientes de extracto y de refinado fluyen a contracorriente de etapa a etapa, y los productos finales son la corriente de extracto V1 que sale de la etapa 1, y la corriente de refinado LN que sale de la etapa N.
Estableciendo un balance en todas las etapas N; 5/26/12
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EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general
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EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Donde M representa los kg totales/h(lbm,/h) y es una constante, L0 es el flujo de alimentación de entrada en kg/h, VN+1 es el gasto de entrada del disolvente en kg/h, V1 es la corriente de extracto de salida, y LN es la corriente de refinado de salida. Llevando a cabo un balance general con respecto al componente C, (2) 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Combinando las ecuaciones (1) y (2) y reordenando; (3) Un balance similar con el componente A, proporciona la expresión; 5/26/12
(4)
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Las ecuaciones (3) y (4) se pueden usar para calcular las coordenadas del punto M en el diagrama de fases, que relaciona las dos corrientes de entrada L0 y VN+1 y las dos corrientes de salida, V1 y LN. Por lo general, se conocen los flujos y las composiciones de L0 y VN+1, y la composición de salida XAN deseada tiene un valor fijo. Al graficar los puntos L0, VN+1 y M como se ilustra en la figura 12.7-2, deben quedar conectados por una recta 5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Proceso a contracorriente y balance general Entonces, LN, M y V1 quedan en una misma línea. Además, LN y V1 estarán situados en la envolvente de las fases, como se muestra en la figura. Estos balances también son válidos para lbm, y fracciones de masa, kg mol y fracciones mol, entre otros elementos.
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente El siguiente paso después de establecer el balance general consiste en pasar de etapa a etapa para determinar las concentraciones en cada una, de ellas y el numero total de etapas N necesario para llegar a LN en la figura 12.7-1.
5/26/12
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente El balance total en la etapa 1 es: (5) Estableciendo un balance similar en la etapa n; (6) 5/26/12
Reordenando la ecuación (5) para obtener la diferencia A en
EXTRACCIÓN A CONTINUA EN CONTRACORRIENTE EN ETAPAS MULTIPLES
Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente Este valor de A en kg/h es constante para todas las etapas. (8) Esto también es valido para un balance del componente A, B o C,
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Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente Combinando las ecuaciones (8) y (9) y despejando x∆ (10) Donde x∆ es la coordenada x en el punto A. 5/26/12
Las ecuaciones (7) y (8) se pueden escribir como:
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Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente La ecuación (11) indica que L0 está en una línea que pasa a través de A y Vn, Ln, está en una línea que pasa a través de A y Vn+ , y así sucesivamente. Esto significa que A es un punto común a todas las corrientes que se cruzan, como L0 y V1, Ln, y Vn+, y LN y VN+1, etc.
Las coordenadas para localizar este punto de operación A corresponden a XC∆ y XA∆ en la ecuación (10). Puesto que los puntos fínales VN+, LN o V1, y L0 son valores conocidos, es posible 5/26/12 calcular x∆ y localizar el punto A.
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Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente
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Cálculos de etapa a etapa para la extracción a contracorriente Para escalonar el número de etapas usando la ecuación (1), se empieza en el punto L0, y se traza la línea L0 A que localiza al punto V1, en el límite de las fases. Después, una línea de unión a través de V1 localiza el punto L1, que está en equilibrio con V1. Entonces, se traza la línea L1 A con la que se obtiene V2. Se traza después la línea V2 L2. Este procedimiento escalonado se repite hasta que se llega a la composición de refinado LN deseada. Se obtiene así el número de etapas N necesario para llevar a cabo la extracción. 5/26/12
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Cantidad mínima de disolvente Si se selecciona una cantidad de disolvente VN+ , con un valor muy bajo se llegará a un caso límite en el cual una línea a través de A y una línea de unión son iguales. Entonces, para lograr la separación deseada se requerirá un número infinito de etapas. Así se logra la cantidad mínima de disolvente. No obstante, para la operación real se deberá usar una cantidad mayor de disolvente. 5/26/12
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Cantidad mínima de disolvente
El procedimiento para obtener este mínimo es como sigue. Se traza una línea de unión a través del punto L0 (Fig. 12.7-4) que interseque a la prolongación de LN VN+. Se trazan otras líneas de unión a la izquierda de esta línea, incluyendo una a través de LN que interseque a la línea LN VN+1. La intersección de una línea de unión con la línea LN VN+ , que esté más cerca de VN+1, representa el punto ∆min, esto es, la cantidad mínima de disolvente. La posición real de A que se usa deberá estar más cercana a VN+ , que a ∆min para un número finito de 5/26/12 etapas. Esto significa que se usará más disolvente. Por lo general, la línea de unión a través de L0 representa el valor de ∆min.
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Cantidad mínima de disolvente
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