Extracción Líquido- Líquido

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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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´
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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
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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
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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.
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Prof. Jesús F. Ontiveros O.
E1
E2
E3
R1
R2
∆R
Rs
Esquema de trazado de etapas en extracción a
contracorriente .
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Prof. Jesús F. Ontiveros O.
Equipos Industriales
“
Extracción por etapas
etapas. Mezclador Sedimentador
•
•
•
Sedimentación por gravedad…. Diferencia de Densidades
Emulsiones
Viscosidad de fase continua
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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.
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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
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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
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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 ®
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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]
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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
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