Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Dpto de Operaciones Unitarias y Proyectos Dpto. Extracción Líquido-Líquido. q q Fundamentos. Prof. Jesús F. Ontiveros Prof. Jesús F. Ontiveros O. Contenido Extracción Líquido- Líquido Generalidades. Separación. Usos. Equilibrios Nomenclatura. Factor de Líquido-Líquido ¿ ¿Por qué se forman dos fases al mezclar dos líquidos?. Equilibrio binario LL. Representación Gráfica de equilibrio LL en sistemas ternarios. Separación en Etapas Extracción en una sola etapa. Solvente mínimo y máximo. Extracción en varias etapas p a corriente cruzada. Extracción a contracorriente en varias etapas. Equipos. Aplicaciones Industriales 2 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Extracción Líquido-Líquido Generalidades Método de separación indirecto que aprovecha la solubilidad preferencial de una sustancia A en un solvente B. Se añade un líquido B Molécula A Solvente C ¿Porque no se destila A y C? ¿Añadir una sustancia B no complica la separación? 3 Usos 1. Se usa si la volatilidad relativa de A y C es cercana a la unidad o 1 si la cantidad de calor es muy alta. 2. Si A y C forman azeótropos. Como es un método indirecto si se quiere obtener sólo A y recuperar el solvente se debe…. Aplicar otro proceso de separación Concentración de Ácido Acrílico mediante extracción con Acetato de Etilo FUENTE [1] 4 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Nomenclatura. Factor de Separación Alimentación ((F)) Refinado (R) Solvente (S) Extracto (E) Decantador Mezclador yi = Composición en el Extracto xi = Composició i i n en ell Refinado fi d xi1 α ijsj = xi 2 x j1 x j2 yC β= xC yA xA yC ⋅ x A = y A ⋅ xC 5 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Equilibrio Líquido-Líquido ¿Por qué se forman dos fases al mezclar dos líquidos? Estructuras químicas í i muy diferentes Cambio de Energía libre de Gibbs en el mezclado. FUENTE [2] d 2 ∆G dx1 2 >0 Es mas estable que existan 2 fases 6 Prof. Jesús F. Ontiveros O. fˆ1α = fˆ1β Equilibrio LL en sistemas binarios Representación Gráfica del equilibrio LL en sistemas ternarios x1α γ 1α = x1β γ 1β Una fase líquida. Curva Binodal. Líneas de reparto. p Dos fases líquidas. Diagrama g de equilibrio q Benceno,, n-Heptano, p , Acetonitrilo a 1 atm y 318,15 K. 7 8 Efecto de la Temperatura p en los equilibrios q ternarios. ((P=CTE)) FUENTE [4] 9 Triángulo Equilátero vs. Triángulo Rectángulo Diagrama T Di T. E Equilatero il Hunter y Nash (1934) • • • Extracto Refinado Punto crítico Diagrama T. Rectángulo Kinney (1942) Diagrama de equilibrio Etilenglicol, Agua, Furfural a 1 atm y 25°C. 10 Diagrama de Janecke. (libre de solvente) ⎛ A ⎞ X =⎜ ⎝ A + C ⎠ refinado ⎛ A ⎞ Y =⎜ ⎝ A + C ⎠ extracto ⎛ B ⎞ S =⎜ ⎝ A+C ⎠ Diagrama de equilibrio Etilenglicol, Agua, Furfural a 1 atm y 25°C. 11 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Separación en Etapas Extracción en una sola etapa R, x1 F, xf S, ys 1 F+S =M E, y1 x f ⋅ F + y s ⋅ S = xM M E+R=M x f ⋅ F + y s ⋅ S = y1E + x1R F E M S R 12 Prof. Jesús F. Ontiveros O. El mismo problema anterior en un triángulo rectángulo S R, x1 F, xf S ys S, 1 E y1 E, F +S =M E E+R=M x f ⋅ F + y s ⋅ S = y1E + x1R M R F 13 Prof. Jesús F. Ontiveros O. ….en un diagrama libre de solvente. R´, X1 F´, Xf S´, Ys S 1 E´, Y1 E F´+ S´= M ´ X f ⋅ F´+Ys ⋅ S´= X M M ´ E´+ R´= M ´ X f ⋅ F´+Ys ⋅ S´= Y1E´+ X 1R´ M´ E´ ⎛0⎞ YS = ⎜ = IND ⎝0⎠ ⎛ 50 ⎞ S =⎜ =∞ ⎝ 0 ⎠ F´ R´ 14 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Solvente Mínimo y Máximo • • Solvente Mínimo: Menor cantidad de solvente “S” capaz de producir una separación de fases Solvente Máximo: Mayor cantidad de solvente “S” que puede agregarse al sistema sin que coalescan las fases. Solvente Mínimo Solvente Máximo 15 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Extracción en varias etapas a corriente cruzada E1, y1 F, xf 1 S1, yS1 E2, y2 R1, x1 2 S2, yS2 F + S1 = M 1 = E1 + R1 x f ⋅ F + y s1 ⋅ S1 = y1 E1 + x1 R1 E3, y3 R2, x2 3 E, yE R3, x3 S3, yS3 x Rn −1 ⋅ R n −1 + y sn ⋅ S n = y n E n + x n R n 16 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Extracción en varias etapas a contracorriente E2, y2 E1, y1 F, xf 1 R1, x1 2 E3, y3 En, yn R2, x2 Rn-1, xn-1 F + S = E1 + R s F − E1 = R s − S = ∆ R Balance Etapa 1 R n −1 + E n +1 = E n + R n R n −1 − E n = R n − E n +1 = ∆ R En+1, yn+1 n Rn, xn S Es, ys Rs-1, xs-1 S Rs Balance Global F + E 2 = E1 + R1 F − E1 = R1 − E 2 = ∆ R Balance Etapa n Dado que ∆R es constante en cada etapa, entonces el Refinado de la etapa “n” y el extracto de la etapa “n+1” se encuentran sobre una recta que pasa por el punto ∆R. 17 Prof. Jesús F. Ontiveros O. E1 E2 E3 R1 R2 ∆R Rs Esquema de trazado de etapas en extracción a contracorriente . 18 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Equipos Industriales Extracción por etapas etapas. Mezclador Sedimentador • • • Sedimentación por gravedad…. Diferencia de Densidades Emulsiones Viscosidad de fase continua 19 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Aumenta tasa de coalescencia Arreglo de “Caja”: Mezclador/sedimentador en un mismo equipo. Evita tuberías intermedias Flujo en un separador KnitMesh® FUENTE [1] 20 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Extracción p por etapas. p Columnas. a)) De platos p b)) De bandeja j • Redispersión pobre entre etapas, bajas eficiencias FUENTE [1] Columna Scheibel ® • • Incorpora agitadores radiales Mallas entre etapas para favorecer coalescencia. 21 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Extracción p por contacto diferencial. Columnas de Spray p y • • Es común dispersar la fase ligera. Tamaño de gotas es un factor crítico FUENTE [1] Columnas de Spray. a) Fase ligera dispersa b) Fase Pesada dispersa 22 Prof. Jesús F. Ontiveros O. • • Extracción p por contacto diferencial. Columnas Empacadas Columnas Pulsantes Mejora la transferencia de masa en comparación ió a la columna de espray No se puede usar con líquidos sucios o muy viscosos 23 Prof. Jesús F. Ontiveros O. ¿Qué hacer si la diferencia de densidad es muy poca? Extracción por contacto diferencial diferencial. Extractor Centrífugo Flujo j en un separador p KnitMesh® FUENTE [1] Extractor Podbielniak ® 24 Prof. Jesús F. Ontiveros O. Extracción en la Industria Industria Petrolera Extracción de compuestos aromáticos y nafténicos para producción de aceites lubricantes. Desalfaltado del residuo de destilación de crudo. Separación de Aromáticos de cortes de reformado catalítico * Metalurgia Separación de metales pesados (Ni,Cu,Zn,…) de efluentes acuosos con ácidos orgánicos g p para cationes o aminas p para aniones. Recuperación de Uranio. Industria Farmacéutica Extracción de penicilina y proteínas. 25 Sistema con 3 componentes Utilidad Pedagógica Mezclas con mas de tres componentes Simuladores Diagrama de Flujo proceso UOP Sulfolane ® FUENTE [5] 26 Prof. Jesús F. Ontiveros O. R f Referencias i [1] Coulson J., J Richardson J., J “Chemical Chemical Engineering. Engineering Volume 2: Particles Technology and Separation Processes.” Quinta Edición. (2002). Pág. 723 y ss. [2] Smith J., Van Ness H., Abott M., “Introducción Introducción a la Termodinámica para ingenieros Químicos.” . McGraw Hill. (1997). Pág. 576 y ss. [[3]] Henley y E. ; Seader J. “Operaciones p de Separación p por etapas p p de equilibrio en Ingeniería Química” Editorial Reverté (2000). Pág 108. [4] Treybal R. “Operaciones de Transferencia de Masa”. S Segunda d Edición. Edi ió (2000). (2000) Pág. Pá 536 y ss. [5] Meyers R. “Handbook of Refining Petroleum Process”. McGraw Hill. Tercera Edición. (2003). Pág. 2-13 y ss. Foto de la portada fue tomada de la web http://cmbe.engr.uga.edu/specialtopics/Other/Ch%206%20LiqLiq%20Extraction%20Column.jpg 27