Universidad Simón Bolívar Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia
Profesora Sabrina Di Scipio
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
Realizado Por:
Alessandro Trigilio
Sartenejas, Octubre 2007
¿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)
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
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.
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
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
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
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
,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
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 '
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
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
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'
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
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'
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
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
,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
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
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
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
, , 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
N
X,Y
E1
RN'
XDXRN
M'
S'
F1'
1
2
FM' F2'
A
C
B
RN S
F1
F2
FM
E1
1
2