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Universidad Simón Bolívar Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia Profesora Sabrina Di Scipio EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO Realizado Por: Alessandro Trigilio Sartenejas, Octubre 2007

Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

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Page 1: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Universidad Simón Bolívar Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Profesora Sabrina Di Scipio

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO

Realizado Por:

Alessandro Trigilio

Sartenejas, Octubre 2007

Page 2: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

¿Cuándo usar extracción líquido – líquido? 1. Para evitar el deterioro térmico del producto.

2. Si los compuestos tienen volatilidades relativas muy cercanas, es decir que una

separación por destilación requeriría un elevado número de platos. 3. Para evitar condiciones extremas de P y T, que encarecen o hacen peligroso el proceso. 4. Cuando existen diferencias notables de densidad entre la alimentación y el solvente.

5. Cuando los componentes de la mezcla forman azeótropos.

Generalmente se trata de un proceso isotérmico, sin embargo es posible utilizar una T diferente en cada plato con la finalidad de aumentar la solubilidad. Características del Proceso:

Alimentación líquida (soluto más solvente)

Agente de separación másico (solvente)

Productos líquidos: refinado (rico en diluente) y extracto (rico en solvente)

Extracto B+C (A)

Refinado A+C (B)

Alimentación FA+C

Solvente S (C)

Page 3: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Selección del solvente

Se debe tomar en cuenta el coeficiente de distribución k .

ii

i

ycomposición de i en extractok

composición de i en refinado x

Interesa obtener más soluto en el extracto que en el refinado, por lo tanto 1Ck .

Se define otro parámetro llamado selectividad:

C

C

A

A

yconcentración soluto en extracto

xconcentración soluto en refinado

concentración diluente en extracto y

concentración diluente en extracto x

debe ser mayor que 1 para que ocurra la separación y el soluto se recupere

mayoritariamente en el extracto. Si 1 no hay separación.

Otras características que debe tener el solvente:

Ser recuperable

Tener baja volatilidad para que no se pierda en las etapas posteriores a la separación

Baja viscosidad para bombearlo fácilmente

Inerte químicamente

Bajo costo

Alta diferencia de densidad con la alimentación

No tóxico, no corrosivo, no inflamable

Debe separarse fácilmente del soluto

Page 4: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Nomenclatura:

R Refinado (flujo másico)

E Extracto (flujo másico)

ix Fracción másica de i en R

iy Fracción másica de i en E

Y Fracción másica de C en R

y Fracción másica de C en E

'E Extracto sin incluir el solvente

'R Refinado sin incluir el solvente

X Fracción másica de soluto en base libre de solvente en el refinado /C A C

Y Fracción másica de soluto en base libre de solvente en el extracto /C A C

1 X Fracción másica del diluente libre de solvente en el refinado /A A C

1 Y Fracción másica del diluente libre de solvente en el refinado /A A C

1 Y Fracción másica del diluente libre de solvente en el extracto /A A C

EN Fracción másica de solvente en base libre de solvente en el extracto

/B A C

RN Fracción másica de solvente en base libre de solvente en el

refinado /B A C

'F Flujo másico de alimentación en base libre de solvente

'S Flujo másico de solvente en base libre de solvente (si el solvente es puro ' 0S )

Para resolver problemas de extracción se pueden utilizar dos tipos de diagramas: triangulares y de Janecke.

Page 5: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

DIAGRAMA TRIANGULAR:

En el punto crítico el extracto y el refinado tienen igual concentración de soluto

Si se supone que F es equimolar

F S E R M PuntodeMezcla

F S M MF x S x M x F S x

F SM

F x S xx

F S

,F S y M están alineados.

,R E y M están alineados. E y R están

sobre la curva de solubilidad.

DIAGRAMA DE JANECKE:

Se puede considerar como una modificación del diagrama de Ponchon–Savarit, donde el solvente (B) puede considerarse como la entalpía en destilación. Las coordenadas se definen en base libre de solvente.

A

C

B

1 fase

2 fases

N Kg B kg (A+C)

X,Y Kg C kg (A+C)

Refinado

Extracto

Extracto

Refinado

Page 6: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

masa de solventeN

masa de soluto masa de disolvente

Kg C R

XKg A C

Kg C E

YKg A C

Balance Global: F S E R M

En base libre de solvente: ' ' ' ' 'F S E R M

Balance en soluto ' ' ' ' 'F S E R MF X S Y E Y R X M X

Balance en solvente ' ' ' ' 'F S E R MF N S N E N R N M N

Si F no contiene solvente ' 0FF F y N

Si el solvente es puro ' 0, 0,s SS Y N

Tipo I: Dos pares de compuestos totalmente solubles y uno parcialmente soluble

Refinado

Extracto

N

X,Y

A

C

B

Extracto

Refinado

Page 7: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Tipo II: Dos pares de compuestos parcialmente solubles y uno totalmente soluble

Refinado

Extracto

N

X,Y

A

C

B

Tipo III: Tres pares de compuestos parcialmente solubles.

A

C

B

Extracto

Refinado

Page 8: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

EXTRACCIÓN EN UNA SOLA ETAPA

Mezclador Sedimentador

S

M1

R1

E1

F

1 1 1F S M E R

1 ,1 1 ,1 1 ,1f s M E RF x S y M x E y R x

,1f s

M

F x S yx

S F

Balance en base libre de solvente

1 1 1' ' ' ' 'F S M E R

Balance en soluto

1 ,1 1 ,1 1 ,1' ' ' ' 'F S M E RF X S Y M X E Y R X

,1

' 'F SM

F S

F X S YX

X Y

Balance en solvente

1 ,1 1 ,1 1 ,1' ' ' ' 'F S M E RF N S N M N E N R N

A

C

B

F

R1

M

S

E1

Page 9: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

,1

' '

' '

F SM

F N S NN

F S

X,Y

N

M

FR1

E1

Mmin: min. cantidad de solvente

Mmax: max. cantidad de solventeS'

A

C

B

F

R1

M

S

E1

Solventemáximo

Solventemínimo

Page 10: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Para el caso de solvente puro:

Sto: ' 'F SF X S Y 1 ,1 1 ,1 1 ,1' ' 'M E RM X E Y R X

Ste: ' 'F SF N S N 1 ,1 1 ,1 1 ,1' ' 'M E RM N E N R N

,1

'

'

FM F

F XX X

F ,1

'

' '

FM

F N SN

F S

'

'

FF N S

F

,1' /MF F N S F

X,Y

N

F

M'

R1'

E1 '

Page 11: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

EXTRACCIÓN EN CONTRACORRIENTE

1 2R y E en operación 1 1R y E en equilibrio

Balance global: 1NF S R E M

Balance por componente: 1 ,1 ,1f s M E N NF x S y M x E y R x

f sM

F x S yx

S F

Reordenando el balance global:

1 NF E R S R

F, xF

E1, y1

R1, x1

E2, y2

1 2 p N

Rp-1, xp-1

Ep, ypEp+1, yp+1

Rp, xp RN-1, xN-1

EN, yNS, yS

RN, xN

Page 12: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

1F E y sR N se intersectan en R

Para el diagrama de Janecke:

Sto: ' ' 'F S MF X S Y M X

Ste: ' ' 'F S MF N S N M N

1' ' ' ' 'NF S R E M

1' ' ' ' 'NF E R S R

A

C

BS

E1

F

RRN

R1

R2

R3

E2

E3

E4

Page 13: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Solvente mínimo necesario:

Se extienden las rectas de equilibrio hasta la recta formada por NR y S , y el punto

de intersección más cercano a S define el minR . Generalmente esto ocurre con la línea

de equilibrio que corta con la alimentación.

X,Y

N

F

M'

E1 '

R

E2 'E3 'E4 '

RN' R1'R2'R3'R4'

Page 14: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Para el caso en que la composición del soluto es mayor en el refinado que en el

extracto:

,maxF s

M

F x S yx

minF S

Hace falta una relación del tipo min#S S

Para el caso de solvente puro, Con S se determina el ,M realX : FM

F xx

F S

En el diagrama de Janecke, se traza la recta que une NR y S . Se ubica la

alimentación. Se trazan las líneas de equilibrio hasta intersectar con la recta NR S . La línea

que de el corte más a la izquierda determina el minR . Generalmente esa línea de equilibrio

es la que pasa por la alimentación. Con la unión de minR y F en el corte de la curva del

extracto hallo 1,maxE . Luego se unen 1,maxNR y E y donde corte a la recta FS hallo

,maxMx .

A

C

F

R

B

Rmin

M

Mmax

Mreal

E1max

E1

Page 15: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Veamos ahora el caso en que la composición de soluto es menor en el refinado que en el extracto.

Etapas mínimas: Las etapas mínimas se encuentran cuando se utilizan rectas de operación verticales u horizontales, según sea el caso.

A

C

B

E1max

Rmin

RN

Mmax

Mreal

E1

F

A

C

BRN

E1F

X,Y

N

F

E1 '

RN'

Page 16: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

EXTRACCIÓN EN CONTRACORRIENTE CON REFLUJO:

Balance global E NS F D S R

En base libre ' ' ' 'ES F D S 'NR M

, ,' ' ' ' 'F S N R N D E S EF X S Y R X D X S Y

, ,' ' ' '

E

F S N R N D E S E

S

F N S N R N D X S N

Tenemos que definir puntos pivote: Zona de fondo: desde p hasta N

1' ' ' 'p p NR S E R

1' ' ' 'p p NR E R S R flujo neto de salida del fondo

Zona del tope: desde n hasta el separador Hago primero un balance en el separador

1 0' ' 'EE R S 'D

1 0' ' ' 'E R D E flujo de salida para el tope

E1

Rf-1

SE (B) SeparadorSolvente 1

E0 R0

E2

R1

n

Ep

RN-1

SEf

RfRn-1

En En+1

Rn

Ef+1

f

Rp-1

p N

Ep+1 EN

Rp RN

DXD

FXF

E1

SE (B) SeparadorSolvente

E0 R0

DXD

Page 17: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

1 1 0 ,0' ' 'R D EE Y R X D X E X

1 1 0 ,0

1 0

' '

' '

RE

E Y R XX

E R

1 ,1 0 ,0 ,' ' ' '

E

E R D E S E E

S

E N R N D N S N E N

,' '

' '

D E S EE

E

D N S NN

D S

Zona del tope: Desde n hasta el tope

0 1 1' ' 'm NR E E R

1 0 1' ' ' 'm NE R E R E

1' ' ' 'N p pS R E R R

,' 'S N R N RS Y R X R X (si el solvente es puro ,R N RX X )

,' 'S N R N R

S

S N R N R N

,'

'

N R NR

N

S R NN

S R

Del balance en el separador y de la regla de la palanca:

,10 0

,1 ,0

'

'

E E

E R

N NR RR

D D N N ,' 1N N R NR R N

Page 18: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

,1D EX y Y son iguales porque todo el A C que sale de 1E va a ser la misma

cantidad que en D . Los puntos ,E R y F están alineados.

Balance global: ' ' ' ' ' 'N EF S R D S M

Haciendo un balance en la zona seleccionada: 0 1' ' ' ' ' 'NF S R R E M

1 0' ' ' ' ' 'NF S R E R M

' ' ' 'NF S R E M

Balance en todo el equipo: ' ' ' ' 'N EF S R D S

' ' 'NF S R D

' ' ' 'NF R S D

'F R E

Coordenadas: , ,R N RR X N

' ,F FF X N

,D EE X N

Se realizara el diagrama asumiendo conocidos lo siguiente:

, , 0', , , , /D f f R NX F X N X R D

E'1

SE' SeparadorSolvente

L0 R0S'

RN'

D',XD F',XF

Page 19: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

X,Y

NYE1

XD=XR0

F,XF

M'

RN'

XRN'

N

X,YXD=XR0

E

RN'

R0

R

E3 E2 E1E4E5E6

R1R5R6 R4 R3 R2

Page 20: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

El punto de mezcla M:

' ' ' 'NF S E R M

FN

F NM

' '

S

F S'

SF F

F

Reflujo mínimo:

Se toma la línea de reparto que de un minE más arriba. Por lo general esta es la

línea que pasa por F .

N

X,YXD

E min

F

Page 21: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

Etapas mínimas:

EXTRACCIÓN CON DOS ALIMENTACIONES:

Balance global: 1 2 1' ' ' ' ' 'NF F S R E M

1' ' ' ' 'M NF S R E M

1 2' ' 'MF F F

, 1 ,1 2 ,2' ' 'M F M F FF X F X F X

N

X,Y

E1

R0

XRN XD

F2, xF2

E1, y1

R1

E2

Rm RN-1

ENEm-1

F

RN,XRN

S1,YS

F1

XF1

N1

Page 22: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

, , 1 1' ' ' ' 'M F M S N R N MF X S Y R X E Y M X

, , 1 ,1' ' ' ' 'M F M S N R N E MF N S N R N E N M N

Puntos alineados: ', ', 'MF M S recta

1', ', 'NR E M recta

1 2', ', 'MF F F relación

Balance por zonas: Zona 1: Por debajo de la alimentación (entre n y N)

1 1' ' ' ' ' ' ' ' 1n N N N N NR S E R R E R S

Del balance global: 1' ' ' 'M NF S R E 1' ' ' ' 1M NF E R S

Zona 1: Por debajo de la alimentación (entre m y 1)

2 1 1' ' ' 'm mF E E R

2 1 1' ' ' ' 2m mF E R E

Del balance global: 1 2 1' ' ' ' 'NF F S R E

1 2 1' ' ' ' 'NF F E R S

1 ' 2 1F

Datos conocidos: 1 2 ,2 , ,1 ,2', ', , , ', , , , ,F F S s R N F FF F X X S N Y X N N

Alineados: 1, ', 1 1ME F Hallando

1 2 1, ', 2 ', 1, 2 2E F y F Hallar

Page 23: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

N

X,Y

E1

RN'

XDXRN

M'

S'

F1'

1

2

FM' F2'

Page 24: Guia Tema 5 Extraccion Liquido Liquido

A

C

B

RN S

F1

F2

FM

E1

1

2