TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
REGION POZA RICA – TUXPAN
FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
“TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCION
LÍQUIDO-LÍQUIDO”
TESINA
PARA APROBAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO
DE LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE
EXPERIENCIA RECEPCIONAL DEL PROGRAMA
EDUCATIVO DE INGENIERIA QUÍMICA
INGENIERO QUÍMICO
PRESENTA
PAMELA ALVA GARCIA
ASESOR
ING. ERNESTO GALLARDO CASTAN
POZA RICA
2013
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
DEDICATORIAS
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 9
I. GENERALIDADES ......................................................................................................................... 12
1.1 Conocimientos Teóricos ............................................................................................................................ 12
1.2 Ventajas y desventajas de la extracción líquido-líquido ............................................................................ 15
1.3 Campos de utilidad ................................................................................................................................... 16
1.3.1Refinación del petróleo ............................................................................................................................. 18
Extracción de furfural de aceites lubricantes ................................................................................................... 19
Desasfaltado de propano.................................................................................................................................. 19
Desulfiracion ..................................................................................................................................................... 19
Extracción de fistosteroles ................................................................................................................................ 19
1.4 Equilibrio líquido ....................................................................................................................................... 20
1.4.1 Regla de las fases ...................................................................................................................................... 20
1.4.2 Leyes de la distribución o reparto ............................................................................................................ 21
1.4.3 Coordenadas triangulares ......................................................................................................................... 21
1.4.4 Datos de equilibrio en coordenadas triangulares ..................................................................................... 23
1.5 Sistemas de componentes en la extracción líquido-líquido ....................................................................... 24
1.5.1Sistemas de dos componentes .................................................................................................................. 24
1.5.2 Sistemas de tres componentes ................................................................................................................. 27
1.5.2.1 Formación de un par de líquidos parcialmente inmiscibles .................................................................. 28
1.5.2.2 Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles ................................................................ 30
1.5.2.3 Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles. ............................................................... 32
1.5.2.4 Formación de Fases Sólidas ................................................................................................................... 33
1.6 Elección del disolvente .............................................................................................................................. 35
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
II. CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA ......................................................................................... 45
2.1 Definiciones .............................................................................................................................................. 47
2.2 Disposición del diagrama de flujo ............................................................................................................. 50
2.3 Método de cálculo .................................................................................................................................... 51
2.4 Eficacia de etapa ....................................................................................................................................... 53
2.5 Equipos para la extracción en una sola etapa ............................................................................................ 54
2.5.1 Mezcladores sedimentadores ................................................................................................................... 55
2.5.1.1 Ventajas de los mezcladores sedimentadores ....................................................................................... 56
2.5.1.2 Inconvenientes de los mezcladores sedimentadores ............................................................................ 58
2.5.1.3 Clasificación del equipo ......................................................................................................................... 58
2.5.1.4 Recipientes con agitación ...................................................................................................................... 59
2.5.1.5 Sedimentadores ..................................................................................................................................... 67
2.5.1.6 Auxiliares de sedimentadores ............................................................................................................... 70
III. CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA......................................................... 74
3.1 Método de cálculo .................................................................................................................................... 74
3.1.1 Recuperación del disolvente ..................................................................................................................... 85
3.2 Ventajas y desventajas en este tipo de contacto ....................................................................................... 86
3.3 Equipos para la extracción múltiple a corriente cruzada ........................................................................... 86
3.3.1 Mezcladores de flujo ................................................................................................................................ 86
3.3.2 Mezcladores de chorro ............................................................................................................................. 87
3.3.3 Inyectores ................................................................................................................................................. 89
3.3.4 Boquillas y orificios ................................................................................................................................... 91
3.3.5 Bombas ..................................................................................................................................................... 92
3.4 Emulsiones y dispersiones......................................................................................................................... 93
3.4.1 Estabilidad de las emulsiones ................................................................................................................... 94
3.4.2 Emulsiones inestables ............................................................................................................................... 96
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
IV. CONTACTO MULTIPLE EN CONTRACORRIENTE ............................................................ 97
4.1 Método de cálculo .................................................................................................................................... 97
4.2 Limitaciones en la cantidada del disolvente .............................................................................................. 99
4.3 Equipo para la extracción en contacto múltiple a contracorriente. ..........................................................101
4.3.1 Mezcladores sedimentadores y cascadas. .............................................................................................. 101
4.3.2 Torres de platos perforados ................................................................................................................... 105
4.4 Contacto continuo a contracorriente .......................................................................................................107
4.4.1 Equipo de extracción para contacto continuo a contracorriente ........................................................... 108
4.4.1.1 Rasgos característicos generales ......................................................................................................... 108
4.4.1.2 Clasificación del equipo ....................................................................................................................... 110
4.4.1.3 Torres de paredes mojadas y aparatos similares ................................................................................ 111
4.4.1.4 Torres de riego ..................................................................................................................................... 111
Las torres de riego son los extractores más simples de todos los que suponen dispersión de uno de los
líquidos, y, como se muestra esquemáticamente en la figura 4.11, son cascos vacios provistos de medios para
la introducción de los líquidos y para la salida de los mismos. .......................................................................111
4.4.1.5 Torres con tabiques ............................................................................................................................. 112
4.4.1.6 Torres con relleno ................................................................................................................................ 113
4.4.1.7 Torres de placas perforadas (bandejas cribosas) ................................................................................ 115
4.4.1.8 Extractores anulares rotatorios ........................................................................................................... 120
4.4.1.9 Extractores de disco rotatorio ............................................................................................................. 121
4.4.1.10 Extractores mixco (lightnin cmcontactor) y similares ........................................................................ 122
4.4.1.11 Extractores scheibel ........................................................................................................................... 123
4.4.1.12 Extractores de pulsación .................................................................................................................... 124
4.4.1.13 Extractores centrífugos ...................................................................................................................... 128
4.5 Extracción fraccionada .............................................................................................................................130
CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 133
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................... 136
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS ............................................................................................................................................138
ANEXO A ........................................................................................................................................................139
FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE CONTACTO CONTINUO ..........................................................................139
ANEXO B ........................................................................................................................................................141
ALGUNOS ASPECTOS ECONÓMICOS DE LA EXTRACCIÓN ................................................................................141
EXTRACCIÓN PARA RECUPERACIÓN DE UN SOLUTO ......................................................................................141
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Las Industrias Químicas existían mucho antes de que la profesión de Ingeniero
Químico fuera reconocida. La tecnología de cada industria se miraba como una rama
especial del conocimiento, y las personas que realizaban el trabajo que hoy hace el
Ingeniero Químico eran entrenadas como Químicos, Ingenieros Mecánicos y
Técnicos. Los primeros cursos de Ingeniería Química se orientaron al estudio de la
tecnología industrial. Estos cursos se modificaron rápidamente con la introducción
del concepto de Operación Unitaria. Estos surgieron de la observación de la similitud
en los cambios físicos que ocurrían en industrias químicas bastante diferentes. Así,
se reconoció que la evaporación de un líquido desde una solución seguía los mismos
principios independientemente de si el proceso era fabricar azúcar o un fertilizante.
Cuando se comprendieron mejor las Operaciones Unitarias, se evidenció que no
eran entes diferentes. Se puede entonces considerar las operaciones unitarias como
casos especiales o combinaciones de transferencia de calor, transferencia de masa y
flujo de fluidos. Refiriéndose a estos tres eventos como Fenómenos de Transporte y
son la base de las operaciones unitarias.
Una parte importante de las Operaciones Unitarias en Ingeniería Química está
relacionada con el problema de modificar la composición de soluciones y mezclas
mediante métodos que no impliquen, necesariamente, reacciones químicas. Por lo
que es necesario emplear métodos de separación donde tengan lugar cambios en
las propiedades físicas de las sustancias. Una de estas alternativas son los métodos
de separación por transferencia de masa.
La importancia de estas operaciones radica en que la mayoría de los procesos
químicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de la separación
final de los productos y subproductos, o simplemente por problemas ambientales, es
necesario emplear las operaciones de transferencia de masa.
Además en comparación con otras operaciones de transferencia de masa, aquí los
costos relativos son importantes. La destilación y la evaporación son métodos
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
INTRODUCCIÓN
directos de separación; los productos están formados básicamente de sustancias
puras. Por otra parte, la extracción liquida, produce nuevas soluciones, que a su vez
deben separarse, frecuentemente por destilación o evaporación. En particular para
las soluciones más diluidas en las cuales el agua debe separarse por destilación, la
extracción es mas económica; especialmente porque el calor de evaporación de la
mayoría de los disolventes orgánicos es sustancialmente menor que el agua. La
extracción también puede resultar aconsejable, como alternativa frente a la
destilación al alto vacio, a temperaturas muy bajas, para evitar la descomposición
térmica.
También como sustituto de métodos químicos, ya que los métodos químicos
consumen reactivos y con frecuencia conducen a una costosa eliminación de los
subproductos químicos. La extracción liquida que no provoca gastos químicos o
eliminación de subproductos, puede ser menos costosa.
Existen casos en los cuales la separación no se puede realizar por otro método. En
la destilación en donde la fase vapor se crea a partir del líquido por adición de calor,
el vapor y el líquido están compuestos necesariamente de las mismas sustancias;
por lo tanto son my similares químicamente. Entonces las separaciones producidas
dependen de las presiones de vapor de las sustancias. En contraste, en la extracción
liquida, los componentes principales de las dos fases son muy distintos
químicamente, por esto, son posibles las separaciones de acuerdo con el tipo
químico.
Es debido a la importancia de la utilización de la operación de extracción líquidolíquido en el campo de la Ingeniería Química que se realiza este trabajo de
investigación para conocer a fondo todas las posibilidades que nos ofrece este tipo
de operación, también todas las opciones que se tienen dentro de la misma, de esta
manera poder generar una nueva visión en las próximas generaciones de Ingenieros
Químicos para realizar procesos en los que todos los aspectos relacionados se
beneficien, así como también la posibilidad de desarrollar prototipos que
complementen este tipo de operaciones.
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
INTRODUCCIÓN
La necesidad de contar con material que hable claramente sobre la Extracción
Líquida, sobre los diferentes tipos de contacto que existen, que la información que se
desea obtener en el momento de su estudio esté recopilada de manera organizada
en un solo lugar es primordial para la continuidad y mejor aprovechamiento de los
conocimientos que se desean obtener, que pueden llevar de la mano en su estudio
para poder comprender de una mejor manera estos temas, que involucre de forma
organizada y sobre todo fundamentada, fue una de las principales razones para
realizar este trabajo.
Objetivo general:
Describir los tipos de contacto de la operación de
transferencia de masa de
extracción líquida, mediante información registrada en diferentes fuentes.
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
I. GENERALIDADES
1.1 Conocimientos Teóricos
En las operaciones de transferencia de masa, ninguna de las fases en el equilibrio
consta de un único componente. Por ello, cuando inicialmente se ponen en contacto
las dos fases, no consta de la composición que tienen en el equilibrio. Entonces, el
sistema trata de alcanzar el equilibrio mediante un movimiento de difusión
relativamente lento de los componentes, los cuales se transfieren parcialmente entre
las fases del proceso.
Las separaciones en que interviene el contacto entre dos fases líquidas insolubles se
conocen como operaciones de extracción líquido-líquido.
La extracción líquida llamada algunas veces extracción con disolventes, es la
separación de los componentes de una solución líquida por contacto con otro líquido
insoluble y, por ende una de la diversas operaciones de transferencia de masa en la
tecnología química. Las operaciones de transferencia de masa suelen basarse en la
distribución desigual en el equilibrio de las sustancias que han de separarse entre
dos fases mutuamente insolubles; aquí el termino “fase” se emplea en el sentido
fisicoquímico. La extracción en fase líquida es la operación de transferencia de masa
en un sistema de dos fases líquidas. Si las sustancias que componen la solución
original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases líquidas, se puede
lograr cierto grado de separación, que puede incrementarse mediante el uso de
contactos múltiples o su equivalente en forma de la absorción de gases y la
destilación.
En la práctica, siempre hay que elegir entre los métodos por seguir cuando se han de
efectuar separaciones de este tipo. Así podemos elegir entre métodos químicos en
los cuales se hace reaccionar químicamente con un reactivo dando una de las
sustancias que han de separarse, que de este modo se precipita o se destruye;
métodos mecánicos, como la flotación, y lo que podríamos llamar métodos físicos, de
los que son representativas las operaciones de transferencia de masa. También es
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
posible elegir entre estas operaciones que han de dividirse en dos categorías,
operaciones directas e indirectas.
Por métodos directos se entiende aquellos en que se añade alguna sustancia
extraña, como un disolvente, y entre ellos podemos nombrar, la destilación, la
evaporación, y algunas formas de cristalización y refino zonal. Por su parte la
extracción en fase líquida, por utilizar una sustancia agregada, cae en la categoría de
métodos indirectos, entre los cuales se encuentran también la destilación por
extracción y azeotrópica, la absorción de gas, la adsorción y el intercambio iónico.
En las operaciones de extracción líquido-líquido es indispensable conocer el nombre
de cada solución durante el proceso, para poder diferenciarlas tanto las que se
utilizan al inicio como las que se obtienen. El nombre que reciben las soluciones a lo
largo del proceso se puede observar en la tabla I.1.
Tabla 1.1 Etapas del Proceso de Extracción Líquido-Líquido
Contacto de las Fases
Separación de las Fases
Recuperación del
Líquidas
Líquidas Formadas
Disolvente
Alimentación
Refinado mixto
Refinado
Disolvente
Extracto mixto
Extracto
La solución que se va a extraer se llama alimentación, y el líquido con el que se pone
en contacto la alimentación se denomina disolvente. Ahora el producto de la
operación rico en disolvente se llama extracto, y el líquido residual de donde se
separó el soluto es finalmente el refinado.
En el caso más sencillo de esta operación participan tres componentes:

El soluto A

El disolvente B

El líquido portador C
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
El soluto A forma parte de la mezcla de partida junto con el líquido portador C
(alimento). Si la mezcla de partida y el disolvente B se mezclan entre si, el soluto A
pasa al disolvente B. Ha de cumplirse la condición de que la solubilidad del
componente A en el disolvente B sea mayor que la del líquido portador C. A su vez,
el líquido portador C debería ser prácticamente insoluble en el disolvente B. Esta
explicación se puede esquematizar en la Figura 1.1, para una mejor compresión.
Fuente: GUNT Hamburg Ingeniería de Procesos Térmicos
Figura 1.1 Extracción Ideal: Al agitar la mezcla de partida (A+C) y el disolvente (B), el
soluto (A) pasa al disolvente. Tras la decantación se obtienen dos fases: fase extracto
(A+B) y el líuido portador (C).
El esquema mostrado, parte del planteamiento ideal en el que el soluto A es
absorbido en su totalidad por el disolvente. En la realidad siempre queda un resto del
soluto en el líquido portador. Además se admite a insolubilidad total del líquido
portador en el disolvente. En a práctica siempre se encontrarán partes de cada una
de las sustancias en la otra fase.
El resultado es que en el proceso de separación real se forman dos fases después
de la decantación:

FASE DE EXTRACTO (principalmente A y B. restos de C)

FASE DE REFINADO (principalmente C, restos de A y B)
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
1.2 Ventajas y desventajas de la extracción líquido-líquido
En los métodos indirectos, la adición de una sustancia extraña, como un disolvente
para la extracción, presenta varios problemas. La sustancia agregada, que ha de ser
insoluble en la mezcla original, tiene que ser por necesidad químicamente distinta, lo
cual complica la elección de los materiales con la seguridad de que sean resistentes
a la corrosión. A veces será necesario tener en almacén grandes cantidades de la
sustancias que ha de agregarse, y esto supone tener invertido un capital
relativamente grande. Estas operaciones dan el producto separado, en forma de una
nueva solución, que contiene el disolvente agregado, y así ha de idearse un sistema
de recuperación del disolvente, lo que a su vez supone incurrir en gastos. Hay
pérdidas inevitables de disolvente, que habrán de reemplazarse. Y, por último,
siempre existe el riesgo de contaminación del producto final por una sustancia que
normalmente no es de esperar que la acompañe.
Por otra parte, como el disolvente agregado es químicamente distinto de la mezcla a
cuya separación se va a proceder, hay oportunidades para conseguir separaciones
no usuales y a veces extraordinarias. En el caso de la destilación, las fases de vapor
y líquido entre las cuales se distribuyen los componentes son idénticas químicamente
y por ello no son de esperar grandes diferencias de distribución. De hecho, en
muchos casos no es posible conseguir por este método una separación completa. En
cambio, en la extracción de fase líquida de ordinario es posible elegir entre muchos
disolventes hasta encontrar el mejor. Es algo así como si hubiera muchas clases de
calor disponibles para la destilación y cada una de ellas procurara grados de
separación diferentes. En realidad, lo que con frecuencia hace tan atractiva la
extracción en fase líquida es que permite efectuar separaciones por el tipo químico y
no por propiedades físicas, como a presión de vapor.
En todo caso, es evidente que la extracción en fase líquida será útil cuando fallen los
métodos directos o cuando, a pesar de sus inconvenientes, proporcione no obstante
un proceso total menos costoso que un método directo, o químico en competencia. Y
esto puede decirse, lógicamente, de cualquiera de las operaciones indirectas de
transferencia de masa.
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
1.3 Campos de utilidad
La extracción en fase líquida tiene propiedades únicas como método de separación y
existen campos representativos donde se ha demostrado esto. A continuación una
lista:
1. En sustitución de métodos más directos, cuando estos son más costosos.
a. Separación de líquidos de puntos de ebullición próximos. Un ejemplo
representativo es la separación de butadieno (p.eb., 4.75°C) de
butilenos (p.eb., -5 a -6°C), que resultaría muy costosa por destilación.
La extracción en fase líquida con solución acuosa de acetato de
cuproamonio procura una destilación fácil.
b. Separación de líquidos de mala volatilidad relativa. Un ejemplo, es la
separación de ácido acético y agua, los cuales, a pesar de su
diferencia relativamente grande de puntos de ebullición, tienen mala
volatilidad relativa. Las soluciones diluidas del ácido, en particular,
exigen la evaporación de grandes cantidades de agua y la extracción
del ácido con acetato de etilo o con mezclas de acetato de etilo y
benceno resulta un proceso mas económico.
c. En sustitución de la destilación al alto vacio, o destilación molecular,
para mezclas cuyos puntos de ebullición son tan altos que han de ser
destiladas de esta manera. Los ácidos grasos de cadena larga y las
vitaminas pueden ser extraídos de aceites naturales por propano
líquido como disolvente en lugar de por destilación.
d. En sustitución de evaporación costosa. Así el ácido benzoico puede
ser separado de solución acuosa diluida por evaporación del agua
(calor latente de vaporización=538.8 Kcal/Kg). También puede
extraerse en benceno, con un aumento de diez tantos en
concentración, y separarse del benceno por evaporación (calor latente
de vaporización=94.4 Kcal/Kg).
e. En sustitución de la cristalización fraccionada. El tantalio y el niobio
pueden separarse por una serie tediosa y sumamente cara, de
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
cristalizaciones fraccionadas de sus sales nobles con fluoruro de
potasio; pero la separación mucho más fácil, por extracción de la
solución de los metales en ácido fluorhídrico con metilisobutilcetona es
ahora la práctica normal.
2. Como método de separación cuando fallan los métodos directos
a. Separación de sustancias sensibles al calor. La penicilina y la mayoría
de los antibióticos, en solución diluida en caldos de fermentación, no
pueden concentrarse por evaporación del agua o temperaturas de
ebullición ordinarias, pues el producto sería destruido químicamente.
Además, han de separarse de otras sustancias presentes en el caso
de fermentación. Por estas causas, se extraen, purifican y concentran
en un disolvente orgánico.
b. Separación de mezclas que forman azeótropos. Estas sustancias no
pueden separase por destilación directa. Así metiletilcetona y agua
pueden separarse por extracción del agua en salmuera acuosa y
concentrada de cloruro cálcico, o de la cetona en tricloroetano.
c. Separación por el tipo químico, cuando los puntos de ebullición se
traslapan. Los hidrocarburos aromáticos, como benceno, tolueno y
xileno, se separan de hidrocarburos parafínicos del mismo intervalo de
ebullición por extracción con anhídrido sulfuroso líquido, furfural o
dietilenoglicol.
3. En sustitución de métodos químicos costosos. Como ejemplo, podemos citar
la separación de uranio del vanadio en líquidos de lixiviación de sus
minerales, y de elementos no deseados, por extracción con soluciones de
ácidos dialquilfosfóricos en queroseno a diferentes valores de pH.
4. Las técnicas de extracción en fase líquida se prestan a otros usos que aún no
han sido extensamente explotados. Así, la ejecución de una reacción química
en fase líquida podría facilitarse grandemente por extracción continua de uno
de los productos, con la consiguiente mejora del rendimiento. Se puede
efectuar fácilmente intercambio de calor entre dos líquidos mutuamente
insolubles por contacto directo, sin intervención de una pared metálica, la cual
17
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
podría ensuciar los líquidos y que, en todo caso, retarda la transferencia de
calor. Un proceso industrial en el que se utilizan ambas cosas es el
desdoblamiento continuo de grasas líquidas naturales, en glicerol y ácidos
grasos, con agua a elevada temperatura.
La extracción en fase líquida, al igual que todas las demás operaciones de
transferencia de masa, encuentra usos en el laboratorio, a pequeña escala, y en la
industria a gran escala. Aunque es lo segundo lo que nos interesa primariamente, las
operaciones en el laboratorio procuran mucha información y tienen interés. En el
laboratorio, la extracción en fase líquida se usa directamente como medio para un fin,
como en los muchos métodos recientes ideados para el análisis químico de mezclas
complejas, al igual que en el primer desarrollo de nuevos procesos químicos, que en
último término tienen por objeto la aplicación industrial. En realidad, muchas
separaciones fascinantes se hacen primero en el laboratorio, por motivos analíticos,
luego adquieren interés industrial cuando una de las sustancias así separadas llega a
ser importante. Cuando los ingenieros químicos tienen que evaluar frecuentemente
los dos aspectos, técnico y económico, de las separaciones en pequeña escala para
su posible explotación industrial.
1.3.1Refinación del petróleo
Sin duda esta industria usa los extractores más grandes y en mayor número, la
mayor variedad de procesos de extracción y por tanto trata mayores cantidades de
sustancias de alimentación del extractor que ninguna otra.
La mayoría de los procesos de extracción en la industria del petróleo se clasifican
dentro de las siguientes categorías:
a) Endulzamiento de naftas ligeras o desulfuradas. Separación de hidrocarburos
en el tratamiento de aceites lubricantes del petróleo.
b) Los que envuelven desulfuración de productos del petróleo.
18
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Extracción de furfural de aceites lubricantes
El furfural es uno de los disolventes que gozan de más estimación. Se usa a
temperatura relativamente alta en el intervalo de (65.5°C a 121°C), lo que permite el
tratamiento de fracciones cerosas de viscosidad relativamente alta, incluso en torres
con relleno, sin peligro de obturación de las torres. el disolvente tiene el
inconveniente de oxidarse fácilmente al aire y polimerizarse, y por ello no es raro
cubrirlo en los tanques de almacenamiento con gas de chimenea y desairear la
solución de alimentación para reducir al mínimo el deterioro del disolvente.
Desasfaltado de propano
En este caso el propano es un disolvente de precipitación usado para desfalcar, se
dispone de el fácilmente y a precio bajo en todas las refinerías comúnmente se usa a
temperaturas por debajo de los 121°C con razones disolvente/solución de
alimentación relativamente altas y la alta volatilidad hace fácil la recuperación del
disolvente. Los extractos (aceite lubricante desasfaltado) pueden enfriarse por
evaporación del propano para desparafinarlos antes de su separación.
Desulfiracion
Los compuestos de azufre en aceite de petróleo comprenden sulfuro de hidrogeno,
disulfuro de carbono, mercaptanos y tiofenoles. Por lo general el sulfuro de hidrogeno
se separa por extracción con solución acuosa de NaOH, que separa igualmente
tiofenoles. Después de eliminar el H2S las gasolinas pueden endulzarse por
conversión de los mercaptanes a mercaptanos. El disolvente puede ser el NaOH
acuoso, del cual se separan los mercaptanes por despojo con vapor de agua para
recuperar el álcali.
Extracción de fistosteroles
Los fistosteroles se obtienen de residuos del proceso Kraft, mediante extracción
líquido-líquido en equipos de contra-corriente. En la Unidad de Desarrollo
Tecnológico (UDT) se está realizando la implementación de una planta piloto, a
modo de lograr el escalamiento del proceso a nivel industrial.
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
1.4 Equilibrio líquido
La extracción supone el uso de sistemas compuestos por tres sustancias, aunque las
fases insolubles son predominantemente muy distintas, en la mayoría de los casos
los tres componentes aparecen en cierto grado en las dos fases.
Para el estudio de equilibrio de fases se siguen dos métodos de enfoque, ambos
importantes para sistematizar el gran número de datos ya acumulados y para
simplificar la recolección de datos nuevos. Estos métodos son la regla de las fases y
las leyes de distribución o reparto.
1.4.1 Regla de las fases
Esta regla puede enunciarse de la siguiente manera:
Donde:
F= Es el número de grados de libertad o número de variables independientes
(limitadas a temperatura, presión y concentración) que han de fijarse para definir por
completo un sistema en equilibrio.
C= Número de componentes o número mínimo de componentes variables
independientes necesarios para expresara la composición de cada fase.
P= Número de fase. Se define una fase como toda parte homogénea de un sistema,
limitada por superficies y cuya separación mecánica del resto del sistema es factible.
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, ecuación (1.1), los grados de
libertad son 3, y las variables son temperatura, presión y las cuatro concentraciones.
(Hay cuatro concentraciones porque solo es posible especificar dos de las tres
concentraciones de fracciones de masa de una fase). La tercera completa el total de
las fracciones de masa a un valor de, xA + xB + xC = 1.0. Cuando se fija la presión y la
temperatura, el sistema queda fijo al establecer una concentración en cualquier fase.
20
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Es importante hacer hincapié en que la regla solo se aplica a sistemas en equilibrio y
que otras restricciones impuestas al sistema tienen por efecto la reducción del valor
de F en una unidad por cada restricción.
1.4.2 Leyes de la distribución o reparto
Estas leyes frecuentemente empíricas, tienen por objeto sistematizar la relación entre
las concentraciones de diversos componentes en las varias fases de un sistema en
equilibrio.
1.4.3 Coordenadas triangulares
Estas coordenadas se utilizan para describir gráficamente las concentraciones en
sistemas ternarios. Una de las propiedades de un triángulo equilátero es que la suma
de las distancias perpendiculares desde cualquier punto dentro del triángulo hasta
cualquiera de los tres lados, es igual a la altura del triángulo. Por lo tanto, sea la
altura la composición al 100% y las distancias a los tres lados los porcentajes o
fracciones de los tres componentes. Cada uno de los tres vértices representa un
componente puro, A, B o C, como se muestra en la Figura 1.2
El punto M representa una mezcla de A, B y C, y 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 esta manera se puede obtener:
xA + xB + xC = 0.40+0.20+0.40=1.0
(1.2)
21
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia de Masa.
Figura 1.2 Coordenadas para un diagrama
triangular.
En la figura que se muestra a continuación Figura 1.3 se puede observar un
diagrama de fases de un par de componentes A y B parcialmente miscibles. Donde,
el líquido C se disuelve por completo en A o B. El líquido A es muy poco soluble en B
y b es un poco soluble en A. La región de dos fases corresponde a la zona delineada
por la curva envolvente. Una mezcla origina de composición M se separa en dos
fases a y b que están en la línea de unión de equilibrio que pasa a través del punto
M. Ambas fases son idénticas en el punto P, que se llama punto de pliegue.
22
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia de Masa.
Figura 1.3 Diagrama de fases líquido-líquido en el
que los componentes A y B son parcialmente
miscibles.
1.4.4 Datos de equilibrio en coordenadas triangulares
Este método es muy útil para graficar los datos de tres componentes consiste en el
empleo de coordenadas rectangulares. Se puede apreciar en la Figura 1.4 para el
sistema A, B y C. 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:
xB = 1.0 – xA – xC
(1.3)
yB = 1.0 – yA – yC
(1.4)
La región de dos fases de la Figura 1.4 se encuentra en el interior de la envolvente y
la región de una fase en el exterior.
23
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia de Masa.
Figura 1.4 Diagrama de fases líquido-líquido para
un sistema de coordenadas rectangulares.
Se muestra una línea de unión gi que conecta a la capa rica en agua i, llamada
también 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 denomina como yC en la capa de extracto, y
xC en la de refinado. Para construir la línea de unión gi mediante la gráfica de
equilibrio yA – xA debajo del diagrama de fases, se trazan líneas verticales a g e i.
1.5 Sistemas de componentes en la extracción líquido-líquido
1.5.1Sistemas de dos componentes
Los sistemas líquidos de dos componentes pueden clasificarse según que los
componentes sean completamente miscibles o solo parcialmente miscibles. En la
24
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
extracción en fase líquida solo tienen interés los sistemas con solubilidad limitada.
Desde el punto de vista práctico, a veces podría considerarse que ocurre
inmiscibilidad completa como en el caso del sistema mercurio-agua, pero ha de
entenderse que en realidad todos los líquidos se disuelven mutuamente, aunque solo
sea en grado muy pequeño. Consideremos dos líquidos A y B, de miscibilidad
parcial. Si al principio se agrega A a B en pequeñas cantidades, ocurrirá completa
disolución. Como N =dos componentes,
=dos fase, una líquida y otra vapor, F = 2-
2+2=2. El sistema es bivariante, y pueden variarse independientemente las variables
temperatura, presión y concentración, a condición de que se varíen por pares, sin
cambiar el número de fases. Así, la temperatura y la concentración pueden variarse
independientemente sin la aparición de una nueva fase, pero la presión estará fijada
por el sistema en tanto que estén presentes en equilibrio una fase líquida y otra fase
vapor, y así será sin que pueda modificarlo el experimentador.
A medida que se agrega mas A a la solución, se llegará finalmente a límite de
solubilidad de A en B a la temperatura que prevalezca, y una adición ulterior de A
dará por resultado la aparición de dos fases líquidas, que son soluciones saturadas
de A en B y de B en A.
La aparición de una nueva fase líquida cambia el sistema a univariante, y ahora el
experimentador solo puede cambiar a voluntad una de las variables principales. Por
ejemplo, a temperatura constante, la adición de más A cambiará simplemente las
cantidades relativas de las fases, sin afectar la composición, ni la presión de vapor.
Sin embargo, si la cantidad de A agregada es suficiente, el sistema volverá de nuevo
a la condición de una fase líquida cuando se disuelva en A todo el B presente. Así,
para un intervalo sustancial de composiciones en el sistema como conjunto, existen a
una temperatura determinada dos fases líquidas de composición constante: las
soluciones saturadas. La variación de la composición de estas soluciones saturadas,
con la temperatura, se muestra mejor gráficamente.
La figura 1.5 es una grafica de las composiciones de las fases líquidas saturadas en
el equilibrio, en función de la temperatura para un sistema del tipo que se acaba de
25
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
describir. En este diagrama la presión no es constante, sino que es la presión de
vapor de equilibrio de los diversos líquidos; no se indica la composición del vapor. La
curva KDM muestra la composición de soluciones saturadas de B en A, en función
de la temperatura, y la curva LGM, la de soluciones de A en B. El área por encima de
las curvas representa las mezclas que forman solo una fase líquida, y la que está por
debajo de la curva representa mezclas que forman dos soluciones líquidas que se
saturan mutuamente.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.5 Composiciones de equilibrio en un
sistema de dos componentes con una
temperatura crítica superior de disolución.
Considérese una mezcla cuya composición total y cuya temperatura, estén dadas por
el punto S. Las dos soluciones saturadas formadas por esta mezcla, llamadas
soluciones conjugadas, son las correspondientes a D y G, y la línea horizontal DG
que une estos puntos es una línea de interconexión. Podría imaginarse la existencia
26
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
de un número infinito de estas líneas horizontales de interconexión en el área que
está por debajo de la curva.
Toda mezcla cuya composición total cae en la línea de interconexión DG, entre D y
G, formará las mismas dos soluciones saturadas, D y G, en el equilibrio, pero las
cantidades relativas de las soluciones dependerán de la composición total. Para la
mezcla particular representada en S, un balance del material para el sistema
completo, en ausencia de la fase vapor es:
S=D+G
(1.5)
En que S, D y G son los pesos. Un balance de material para el componente B es
(1.6)
Si se resuelve simultáneamente las dos ecuaciones resulta
(1.7)
O como suele expresarse verbalmente, los pesos relativos de las dos fases
saturadas formadas son inversamente proporcionales a las longitudes de los
segmentos correspondientes de la línea e interconexión. En esto se basa un método
gráfico cómodo para obtener las cantidades de los materiales. Si se traza la gráfica
de la composición en términos de fracciones molares y se expresan en moles las
cantidades de la mezcla y de las soluciones saturadas, se aplica la misma regla.
1.5.2 Sistemas de tres componentes
Como en el caso de los sistemas binarios, el efecto de la presión sobre los equilibrios
en fase líquida es relativamente insignificante. Por consiguiente, podemos excluir la
consideración de la fase vapor como no importante para los presentes fines, confinar
la discusión a sistemas condensados y estudiar solo las variables temperatura y
concentración. Una representación gráfica sumamente útil supone trazar las
composiciones en coordenadas triangulares y la temperatura en ángulo recto al
27
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
plano del triángulo de la composición. Esto produce una figura prismática, y será
conveniente considerar secciones isotérmicas de los diagramas en el espacio.
Por otra parte, si los tres componentes se mezclan en todas proporciones con
formación de soluciones homogéneas, el sistema carece de importancia para la
extracción en fase líquida. Los sistemas en que ocurre inmiscibilidad, pueden
clasificarse de la siguiente manera:
TIPO 1.- Formación de un par de líquidos parcialmente
miscibles.
Los tres componentes
son líquidos a la
temperatura que
prevalece.
TIPO 2.- Formación de dos pares de líquidos parcialmente
miscibles.
TIPO 3.- Formación de tres pares de líquidos parcialmente
miscibles.
TIPO 4.- Formación de fases solidas.
1.5.2.1 Formación de un par de líquidos parcialmente inmiscibles
Esta combinación, que es la más frecuente, se ilustra por la isoterma representada
por la figura 1.6. En un sistema de esta naturaleza, los pares de líquidos A-C y B-C
son miscibles en todas proporciones a la temperatura que prevalece; A y B son
parcialmente miscibles y los puntos D y E representan las soluciones saturadas en el
sistema binario.
Como ejemplo representativo de este sistema podemos tomar el compuesto por
benceno (A), agua (B) y etanol (C).
28
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.6 Equilibrios líquidos ternarios del
tipo 1
Todas las mezclas de los componentes representadas por puntos en el área por
fuera de la curva DNPLE son soluciones homogéneas, de una sola fase líquida,
mientras las mezclas en el interior del área limitada por la curva y la línea DE forman
dos capas líquidas insolubles. La curva DNPLE representa las soluciones saturadas
y se llama curva de solubilidad o binodal.
Una mezcla de composición total M formará las dos soluciones líquidas inmiscibles
de composiciones L y N, respectivamente, y por ello el punto M está en la línea recta
LN, la cual es una línea de interconexión. Todas las mezclas representadas en la
línea LN forman capas conjugadas de la misma composición y pueden calcularse
analíticamente los pesos relativos de las dos capas a partir de las composiciones, o
gráficamente a partir del segmento de la línea de interconexión.
El área de heterogeneidad ha de imaginarse como número infinito de líneas de
interconexión, de las cuales solo se muestran algunas en la figura 1.6. Estas líneas
no son de paralelas y de ordinario cambian de pendiente lentamente en una
dirección al cambiar la concentración. Sin embargo, son bastante comunes los casos
29
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
en que hay una inversión de la pendiente, y estos sistemas han sido llamados
“solutrópicos” como el sistema benceno-piridina-agua. La solutropia desaparece
frecuentemente cuando se calcula las concentraciones en fracciones molares en vez
de fracciones en peso.
En el caso del sistema de la figura 1.6, es evidente que, cuando se añade el
componente C a una mezcla líquida heterogénea de A y B, se distribuye
desigualmente entre las dos capas conjugadas, con mayor concentración en las
soluciones ricas en B. A medida que se agrega más C a una de estas mezclas
aumenta la solubilidad mutua de A y B. En el punto P, punto de pliegue, se juntan las
dos ramas de la curva de solubilidad, de ordinario no en el valor máximo de C en la
curva. Las líneas de interconexión disminuyen de longitud a concentraciones más
altas de C, hasta que se desvanecen en el punto de pliegue (punto de
equisolubilidad).
1.5.2.2 Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles
La figura 1.7 muestra el isoterma representativo de este tipo de formación. En este
caso, a la temperatura del trazado de la gráfica, ambos pares de líquidos A-B y B-C,
son parcialmente miscibles, y C se disuelve en A en todas proporciones. El área en
el interior de la banda que atraviesa el triángulo representa mezclas que forman dos
capas líquidas y cuyas composiciones están en los extremos de las líneas de
interconexión que pasan por los puntos que representan las mezclas como conjunto.
En este tipo de diagrama no puede haber punto de equisolubilidad. Como ejemplos
representativos de este tipo de sistemas, se pueden nombrar, n-heptano (A), anilina
(B) y metilciclohexano (C); y clorobenceno (A), agua (B) y metiletilcetona (C).
En otros casos ocurren cambios de temperatura más complicados, como los
descritos en la Figura 1.8, la cual es una representación esquemática del sistema
metanol (A), isooctano (B), nitrobenceno (C), con t1, t2, t3, t4 y t5, iguales a 25, 15,
14.1, 14 y 10°C, respectivamente.
30
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente:Treybal Extracción en fase líquida.
Figura 1.7 Equilibrios líquidos ternarios
del tipo 2
El punto D, el punto de cuello, es el punto inicial de contacto de las curvas binodales
separadas y representa la fusión de los puntos de pliegue separados, P y P’.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.8 Formación de un sistema del tipo 2.
Son posibles muchas otras configuraciones, en las que a veces interviene la
formación simultanea de tres fases líquidas.
31
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Generalmente, al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad mutua; al mismo
tiempo, ese incremento modifica la pendiente de las líneas de unión.
1.5.2.3 Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles.
Estos sistemas son relativamente inusuales y pueden llegar a ser sumamente
complejos en las relaciones variables que surgen al cambiar la temperatura. Como
hasta la fecha no se ha hallado ninguna utilidad especial en la técnica de extracción
para estos sistemas, solo se presentará un ejemplo. La figura 1.9 muestra el sistema
etilenglicol (A), alcohol laurílico (B) y nitrobenceno (C), que ha 29 °C exhibe tres
regiones separadas de mezclas de dos líquidos en equilibrio, que se denominará
como (2L).
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.9 Representación esquemática del sistema
etlienglicol (A), Alcohol-Laurílico (B) Nitrobenceno (C)
Las líneas de interconexión de la figura son esquemáticas y sirven solamente para
indicar la naturaleza general de las concentraciones de equilibrio. A 28°C han
32
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
aumentado las áreas de solubilidad incompleta, y ha aparecido una pequeña región
central de tres líquidos en equilibrio, denominado (3L). Toda mezcla ternaria dentro
del área triangular DEF forma siempre los mismos líquidos insolubles en equilibrio, D,
E y F. A 22°C, esta región aumenta de tamaño y, como la temperatura está por
debajo del punto de fusión del alcohol laurílico, se ha formado un área de equilibrio
sólido-líquido (L+B).
1.5.2.4 Formación de Fases Sólidas
Estos sistemas pueden ser muy complejos en cuanto al número de equilibrios
existentes. En la extracción en fase líquida tienen interés algunas de las situaciones
más simples, por ello se describirá una de ellas.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.10 Equilibrio en el que interviene una fase sólida.
Con referencia en la figura 1.10, que es un tipo que ocurre comúnmente. A
temperatura t1, A y B son líquidos solubles sólo parcialmente y C es un sólido. Las
solubilidades de C en A puro y en B puro, respectivamente, están dadas por el punto
D y E, pero la solubilidad del sólido se modifica cuando están presentes los dos
33
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
líquidos, A y B, como muestra la curva DE. Las mezclas ternarias, como la
correspondiente a F, forman una solución saturada como en G y cristales del sólido
C. La región de equilibrio de dos líquidos, limitada por la curva JPH, es similar a la
representada para sistemas del tipo 1. Una región que contiene una sola fase líquida
separa las dos áreas heterogéneas. A una temperatura inferior t 2, las solubilidades
mutuas se vuelven menores y las regiones de heterogeneidad se expanden y se
unen; a temperatura aún más baja t3, la curva binodal de líquido se interrumpe por la
curva de solubilidad del sólido. Todas las mezclas ternarias que se encuentran
dentro del triángulo CKL forman tres fases: C sólido y las fases líquidas saturadas K
y L. Un ejemplo de este tipo de sistemas es el formado por anilina (A), isooctano (B)
y naftaleno (C).
Cuando se forman hidratos o compuestos solvatados similares, el diagrama puede
tornarse más complicado. La Figura 1.11 representa un caso bastante simple, pero
utilizado generalmente por los químicos. La solución saturada de carbonato potásico
en agua está en equilibrio, en N, con la sal hidratada, mientras la solubilidad de la sal
en alcohol es muy pequeña, como se puede observar en P. Si a la solución alcoholagua en M se agrega suficiente carbonato anhidro para dar lugar a la mezcla en D, el
sistema en equilibrio forma dos capas líquidas. Si el sistema se lleva a la
composición representada en E, por adición de más sal anhidra, las fases en
equilibrio son las soluciones F y G y el hidrato sólido. Si se agrega más carbonato,
para llevar el sistema a la composición representada en H, las fases en equilibrio son
carbonato anhidro sólido, hidrato sólido y solución saturada J. La evaporación de la
solución en J, para liberar el sistema del carbonato, produce vapores representados
en K, y como J está más cerca de P, se puede decir que K es alcohol casi puro.
El proceso que se acaba de describir es un proceso muy conocido en la industria que
lleva por nombre “salinación”, usado frecuentemente para deshidratar líquidos
orgánicos.
34
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.11 Representación esquemática del
sistema Carbonato Potásico-Agua-Etanol.
La utilidad que puede proporcionar estos equilibrios aumenta si el sistema en
operación puede mantenerse totalmente líquido, porque es entonces cuando se
pueden aplicar las técnicas de extracción en fase líquida continuas en escala
industrial.
1.6 Elección del disolvente
Para que esta operación sea exitosa es necesario elegir el disolvente adecuado, ya
que de esto dependerá la correcta separación. Varios principios pueden ser
utilizados como guía en la elección de un disolvente para un proceso de extracción
en fase líquida. Estos principios están a menudo en conflicto y puede decirse que no
existe una sustancia que posea todas las propiedades deseables para tal objeto.
Los disolventes orgánicos utilizados con mayor frecuencia son aquellos que su
polaridad es baja, como por ejemplo, el diclorometano, el éter dietílico, el acetato de
etilo, el hexano o el tolueno, son los que suelen utilizarse como disolventes orgánicos
de extracción. Por el contrario aquellos que su polaridad es alta no son los mas
recomendados porque son mas miscibles con el agua, como ejemplo tenemos a el
metanol, el etanol o la acetona.
35
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Este debe de cumplir con una serie de características especiales tanto físicas como
químicas, las cuales se nombran y se examina la importancia relativa de los diversos
factores del problema, a continuación:

Selectividad: Esta es la primera propiedad que se estudia para decidir la
aplicabilidad de un disolvente. Se entiende por selectividad la capacidad de un
disolvente para extraer un componente de una solución con preferencia a otro.
El disolvente mejor desde este punto de vista es el que disuelve un máximo de
un componente y un mínimo del otro. Como ejemplo consideremos el sistema
ternario de la figura 1.12 en el cual el punto M representa una solución de A y
C, que se planea separar por adición del disolvente B. Siguiendo el curso de
un simple proceso de extracción en este diagrama. Por adición de B a la
solución M, el punto S representa la composición de la mezcla total de dos
fases resultante. Después de energía de agitación, para tener la seguridad de
haber alcanzado el equilibrio, y sedimentación de las capas líquidas, resultan
las dos capas insolubles, en equilibrio, R y T. La línea RT, es una línea de
interconexión que une las concentraciones conjugadas. En las operaciones de
extracción es común separar el componente B de las dos soluciones y recoger
las sustancias extraídas en forma exenta de disolvente. Si se separa B
completamente de R, resulta la solución binaria en D, mientras E representa la
solución, exenta de disolvente, correspondiente a T. Por este procedimiento la
solución original en M ha sido separada en dos soluciones, representadas en
D y E, e las cuales la primera es más rica en A, y la segunda es más rica en
C. Es obvio que se espera que D y E estén separados a la máxima distancia
posible para que la operación tenga máxima eficacia.
36
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 1.12 Extracción selectiva de C, de A,
por medio del disolvente B.
La importancia de la buena selectividad en procesos de extracción guarda
paralelismo con la de la volatilidad relativa para la destilación. Los procesos prácticos
demandan que la selectividad exceda de la unidad, cuanto más mejor. Las
selectividades próximas a la unidad exigirán un equipo grande en la planta, un mayor
número de contactos de extracción o etapas de exracción, y en general la inversión y
la operación son costosas. En el caso que la selectividad sea igual a la unidad, la
separación es imposible. La selectividad favorable de un disolvente hacia el
componente minoritario de una carga, no hacia el que está en mayor cantidad, da por
resultado un proceso más económico, porque necesitará de menor cantidad de
disolvente en circulación.

Coeficiente de distribución: En el caso de un disolvente que da un coeficiente
malo, pero que en lo demás es deseable, es importante decir que los
coeficientes de distribución pueden alterarse frecuentemente por cambio del
pH de la solución cuando el soluto extraído es una sustancia que se ioniza. La
alteración deliberada del pH para obtener un coeficiente de distribución más
favorable o la adición de un amortiguador para mantener un pH favorable
37
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
durante la extracción de una sustancia ácida o básica es práctica frecuente,
que reviste especial importancia en la separación de muchos metales. La
adición de una sal que no es extraída, “salinación”, es otra manera de alterar
favorablemente el coeficiente de distribución.

Capacidad: A menos que el disolvente tenga capacidad para disolver
cantidades relativamente grandes del soluto extraído preferencialmente,
además de tener lata selectividad, su uso será posiblemente antieconómico
por las grandes cantidades de disolvente que tendrán que circular por el
sistema de extracción.

Solubilidad del disolvente: En sistemas del tipo 1, se necesita alto grado de
mutua insolubilidad del disolvente B con el no consoluto A. Como se muestra
en la figura 1.13, aumenta el intervalo de concentraciones en el binario A-C
que pueden manejarse. En los dos sistemas mostrados en la figura, es posible
usar B para separar los componentes de soluciones de A y C solo dentro de
los límites de A puro para M, pues solo en este intervalo de concentraciones
resultarán dos fases líquidas por adición de B. Es evidente que las
posibilidades en el sistema representado en (a) son mucho mayores que en el
sistema representado en (b). Además la recuperación del disolvente es
sistemas muy insolubles es más simple, y si la solubilidad de B en A es casi
cero, el producto rico en A quizá no necesite en absoluto tratamiento para
recuperar el disolvente. En sistemas del tipo 2, un alto grado de mutua
insolubilidad de B con A y con C suele producir alta selectividad, pero limita la
capacidad del disolvente. A veces se puede conseguir una mejora sustancial
en las propiedades de solubilidad del disolvente por cambio de temperatura
aun moderados.

Recuperabilidad: En todos los proceso de extracción en fase líquida, es
necesario separar de los productos el disolvente de extracción. Esto no solo
es importante para evitar contaminación de los productos con el disolvente,
sino también para reutilizarlo. Si el método que ha de usarse para ello es la
destilación, se vuelven importantes ciertas propiedades del disolvente como la
volatilidad y el calor latente de vaporización. Pero han de examinarse otros
38
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
métodos para recuperar el disolvente. Todo el problema de recuperación del
disolvente es muy importante para el éxito económico de un proceso de
extracción.
Fuente: Treybal Extracción en fase líquida.
Figura 1.13 Efecto de la solubilidad del disolvente sobre la extracción.

Densidad: Es esencial que exista diferencia en las densidades de las fases en
contacto, y esta diferencia ha de ser a mayor posible. No solo aumenta la
velocidad en que se separan mutuamente las capas inmiscibles a causa de
esta mayor diferencia, sino que también aumenta la capacidad del equipo de
contacto. Es insuficiente solo el examen de las densidades relativas de la
solución que ha de extraerse y del disolvente de extracción puro, pues al
mezclarlos, la mutua solubilidad de ambos puede alterar las densidades. La
figura 1.14 y 1.15 indican la situación deseable y potencialmente indeseable,
respectivamente. En la figura 1.15 se ha trazado la gráfica de las densidades
de las capas saturadas en el sistema del tipo 1 acetona-1, 1,2-tricloroetanoagua (con acetona como sustancia distribuida) con las capas en equilibrio
unidas por líneas de interconexión. Las densidades de las capas ricas en agua
son siempre menores que las e las capas ricas en tricloroetano, pero el
cambio en la diferencia de densidad
con la concentración de acetona es
necesariamente grande, pues en el punto de pliegue las densidades de las
soluciones conjugadas son idénticas. La figura I.6 es la misma clase de gráfica
39
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
pero el sistema del tipo 2 metiletilcetona-agua-tricloroetileno. Se puede
observar que hay una inversión del signo de diferencia de densidad entre las
capas en equilibrio. Francis llamó isopícnica a la línea de interconexión que
une soluciones de igual densidad. Al enumerar casi cien sistemas que
contienen estás líneas demostró que son bastante comunes. Pueden ocurrir
isopícnicas en cualquiera de los distintos tipos de diagramas de fases, y a
veces desaparecen en un sistema dado al cambiar la temperatura. También
puede ocurrir el mismo fenómeno en sistemas de muchos componentes de
importancia industrial, como los sistemas de la industria del petróleo.

Tension interfasal: La tensión interfasal entre las fases inmiscibles que han de
sidementar o separarse mutuamente, tiene que ser alta para producir rápida
coalescencia. Una tensión interfasal muy alta exige considerable energía para
la dispersión de un líquido en otro, pero esta necesidad suele estar dentro de
nuestros medios. En cambio, una tensión interfasal demasiado baja puede
conducir a la formación de emulsiones estables, con las que en general puede
hacerse muy poco. Se han hecho relativamente pocas mediciones de tensión
interfasal líquido-líquido en sistemas ternarios completos, pero se sabe que la
tensión interfasal entre dos líquidos parcialmente miscibles es generalmente
mas alta en ausencia de un soluto distribuido y baja a cero en el punto de
pliegue. La bien conocida regla de Antonoff, de que la tensión interfasal entre
dos fases líquidas saturadas es igual a la diferencia entre sus tensiones
superficiales respecto del aire, no ofrece suficiente seguridad para confiar en
ella. Las tensiones interfasales se influyen profundamente por cantidades muy
pequeñas de impurezas, en particular las que son absorbidas en la interface
líquido-líquido, y por lo tanto los líquidos industriales mostrarán casi siempre
valores más bajos que los normales. Es por ello importante, que cuando se
evalúen disolventes para fines de extracción, se hagan mediciones en el
sistema líquido real empleando muestras industriales. Se puede saber mucho
desde el punto de vista práctico con un simpe ensayo de agitación, en un
embudo de separación, de los líquidos que han de ponerse en contacto. Si no
se separan líquidos aceptablemente claros de una mezcla bien agitada de
40
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
cinco a diez minutos como máximo, surgirán probablemente problemas de
separación en la escala industrial.
Fuente: Treybal Extracción en fase líquida.
Figura 1.14 Densidades de soluciones en equilibrio
en el sistema agua (A) 1,1,2-tricloroetano (B)
acetona (C) a 25°C
Fuente: Treybal Extracción en fase líquida.
Figura 1.15 Densidades de soluciones en equilibrio
en el sistema agua (A) tricloroetileno (B)
metiletilcetona (C) a 25°C
41
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES

Reactividad quimica y estabilidad: Son indeseables reacciones químicas
entre el disolvente y los componentes de la solución tratada si dan
productos extraños al proceso, pues se reduce el rendimiento del producto
deseado, aumentan los problemas de recuperación del disolvente y
pueden resultar perdidas del disolvente. En cambio, a veces se busca
precisamente una reacción química tal que aumente el coeficiente de
distribución del soluto que reacciona. Sin embargo, si la reacción no se
invierte fácilmente, el costo de recuperación del disolvente, si es que
puede hacerse, probablemente será muy alto y por ello se necesitan
reacciones fácilmente reversibles. Por ejemplo, se puede extraer uranio, de
soluciones ácidas diluidas, con ciertos reactivos ácidos alquilfosfóricos, con
las cuales reacciona el uranio, y recuperar los reactivos por extracción del
uranio de ellos con ácido más concentrado. En ocasiones un producto de
reacción formado durante la extracción es justamente el producto final
deseado. El disolvente ha de ser estable en presencia de la solución que
se trata; por ejemplo no ha de afectarse por oxidantes (ácido nítrico) si los
hay en la carga de alimentación. No ha de ser susceptible a polimerización
o a oxidación por el aire y no ha de afectarse tampoco por repetido
calentamiento, ni siquiera a la temperatura máxima necesaria en el equipo
de recuperación por destilación. Disolventes (éteres) que formen peróxidos
peligrosos y explosivos habrán de ser evitados. En estos casos, la perdida
de disolvente representa un importante costo de operación.

Corrosión: A fin de reducir el costo del equipo, el disolvente no habrá de
causar graves problemas de corrosión de los materiales de construcción
comunes o de los que se usan ordinariamente para manejar las soluciones
en el proceso de extracción o para introducir la solución de alimentación en
el extractor. La actual disponibilidad de materiales inusuales a bajo costo
ha abierto posibilidades que ni siquiera se hubieran imaginado hace años.
Así, se han construido plantas comerciales de extracción completas de
plástico o de metales revestidos de plástico, y se ha de pensar en la
conveniencia de usar estos materiales si el valor del producto lo justifica.
42
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES

Viscosidad: Baja demanda de energía para bombeo y agitación, rápida
extracción, rápida sedimentación de dispersiones y atas velocidades de
transferencia de calor y de masa son los corolarios de baja viscosidad y,
por ende, esta es una propiedad de desear en los disolventes usados en
procesos de extracción. A veces se mezclan disolventes con diluyentes
inertes de baja viscosidad, a fin de mejorar en ellos esta propiedad.

Presión de vapor: Es de desear un disolvente de presión de vapor baja a
fin de que sean posibles las operaciones de almacenamiento y extracción
a la presión atmosférica, o a lo sumo, a presiones moderadamente altas y
para que la perdida de disolvente sea mínima. Con frecuencia se hacen
excepciones a este requisito en interés de recuperar fácilmente el
disolvente por volatilización y a favor de otras propiedades deseables.
Como ejemplo tenemos, el refino de productos de petróleo donde se usa
comúnmente propano líquido y dióxido de azufre, pues en este caso se
aprovechan sus buenas selectividades y entonces se aprovecha su alta
volatilidad en operaciones de recuperación de disolvente.

Punto de congelación: El disolvente ha de tener un punto de congelación
suficientemente bajo para poder almacenarlo cómodamente y manejarlo a
la temperatura del aire libre en tiempo frio.

Inflamabilidad: La baja inflamabilidad es naturalmente de desear por
razones de seguridad, y es frecuente el uso del punto de inflamación como
indicación numérica de esta propiedad. Si el disolvente puede arder, habrá
que tener alto punto de inflamación y estrechos límites de concentración
para formar mezclas explosivas con el aire.

Toxicidad: Las sustancias de ata toxicidad son dificiles de manejar en la
industria. Los disolventes que pudieran dejar residuos tóxicos en productos
alimenticios y farmacéuticos habrán de ser evitados en estas industrias.

Costo: En general, el bajo costo y la fácil disponibilidad en cantidades
suficientes guardan mutuo paralelismo y son, como es lógico, atributos
deseables en disolventes. Las grandes cantidades de disolventes que han
de almacenarse en la planta representan la inversión de sumas
43
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
GENERALIDADES
considerables. El interés sobre este dinero es una carga directa sobre el
proceso.
De todas las propiedades deseables descritas, la selectividad favorable, la
recuperabilidad, la tensión interfasal, la densidad y la reactividad química
convenientes son esenciales para el proceso, incluso para poder efectuarlo. Las
demás propiedades, aunque no necesarias desde el punto de vista técnico, merecen
ser examinadas como parte del buen trabajo de ingeniería y del cálculo del costo.
Existe un grupo de disolventes que se utilizan con mayor frecuencia, y se muestran
en la tabla 1.2.
Tabla 1.2 Tabla de disolventes de extracción comúnmente utilizados
Nombre
Fórmula
Densidad
Punto de
(g/ml)
ebullición (°C)
Peligrosidad
Disolventes de extracción menos densos que el agua.
Éter Dietílico
Muy
0,7
35
inflamable,
tóxico.
Hexano
Inflamable.
>60
Benceno
Inflamable,
0,9
80
tóxico,
carcinógeno.
Tolueno
Acetato de
Etilo
0,9
111
0,9
78
Inflamable.
Inflamable,
irritante.
Disolventes de extracción menos densos que el agua
Diclorometano
1,3
41
Tóxico.
Cloroformo
1,5
61
Tóxico.
1,6
77
Tóxico.
Tetracloruro de
carbono
Fuente www.ub.edu.com.mx
44
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
II. CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Igual que las operaciones de gas-líquido, los procesos de extracción líquida se llevan
a cabo en equipo por etapas, que pueden arreglarse en cascadas de multietapas; se
realizan también en un aparato de contacto diferencial. Se van a considerar los
métodos de cálculo y la naturaleza del equipo y sus características, por separado
para cada tipo.
La extracción en equipo del tipo de etapas puede realizarse de acuerdo con
diferentes diagramas de flujo, según la naturaleza del sistema y la separación
deseada. En el análisis que sigue se considera que cada etapa es una etapa teórica
o ideal; por tanto, el extracto efluente y las soluciones de refinado están en equilibrio,
una con respecto a la otra. Cada etapa debe incluir medios para facilitar el contacto
de los líquidos insolubles y para separar fácilmente las corrientes de los productos.
Por lo tanto, la combinación de un mezclador y un sedimentador puede constituir una
etapa; en una operación por multietapas, el mezclador y el sedimentador se pueden
arreglar en cascadas, como se desee. En el caso de la operación en multietapas a
contracorriente, también es posible utilizar torres del tipo de multietapas como las
descritas anteriormente.
La separación extractiva de los componentes de una solución puede efectuarse de
varias maneras, según la naturaleza del sistema disolvente y la disposición física del
aparato empleado. A continuación se presenta una clasificación simple para su fácil
compresión:
1. Sistemas de un solo disolvente, con inclusión de todos los sistemas ternarios
o que pueden ser reducidos al equivalente de tres componentes: los dos que
han de separarse y el disolvente.
a. Contacto por etapas. En esta categoría se incluyen todas las clases de
equipo en que el disolvente y la mezcla que ha de escindirse están en
contacto íntimo y luego de alcanzar el equilibrio se separan. Así la
operación puede repetirse.
45
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
b. Contacto continuo. Comprende disposiciones en que el disolvente y la
mezcla que ha de disociarse están continuamente en contacto en el
equipo para la operación completa.
2. Disolventes mixtos. Esta categoría comprende las disposiciones que utilizan
una solución disolvente constituida por dos componentes por lo menos, en
que las relaciones de solubilidad son de tal manera que no es factible la
simplificación al equivalente de un sistema ternario.
a. Contacto por etapas.
b. Contacto continuo.
3. Doble disolvente (extracción fraccionada). Esta categoría comprende las
disposiciones en que la mezcla que ha de separarse se distribuye entre dos
disolventes inmiscibles. Los sistemas comprenden cuatro componentes por lo
menos.
a. Contacto por etapas.
b. Contacto continuo.
El sistema que es de interés para su estudio en esta ocasión es el contacto por
etapas con un solo disolvente.
Se puede lograr una analogía con la destilación, en el estudio de los diversos
procesos de extracción es útil recordar los procesos paralelos de destilación. La
analogía entre los dos métodos de separación ha sido señalada por varios autores.
En los procesos de destilación, se separa en sus componentes una mezcla de dos
sustancias por creación de dos fases, un líquido y un vapor, por adición de calor, y la
separación se efectúa en virtud del hecho de que la concentración relativa de las
sustancias es diferente en las dos fases. La condensación de la fase vapor se
consigue por eliminación del calor. En la extracción, se forman dos fases líquidas,
por adición de un disolvente inmiscible, que así resulta el análogo del calor. Como la
concentración relativa de las sustancias que ha de separarse es diferente en las dos
fases, la sedimentación física de las capas líquidas produce le grado de separación
deseado. La eliminación del disolvente en la fase rica en disolvente es así la
operación análoga a la condensación del vapor en el caso de la destilación.
46
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
A continuación se muestra una tabla 2.1 con todas las situaciones análogas:
Tabla 2.1 Analogía entre Extracción y Destilación
OPERACIÓN O CONDICIÓN EN LA
EXTRACCIÓN
ANALOGÍA EN LA DESTILACIÓN
Adición del disolvente
Adición de calor.
Mezclador del disolvente
Rehervidor
Eliminación del disolvente
Eliminación de calor
Separación del disolvente
Condensador
Solución rica en disolvente saturada de
disolvente
Vapor en el punto de ebullición
Solución rica en disolvente con mas
disolvente que el necesario para
Vapor sobrecalentado
saturarla
Solución pobre en disolvente con menos
disolvente que el necesario para
saturarla.
Solución pobre de disolvente saturada
de disolvente
Líquido por debajo del punto de
ebullición
Líquido en el punto de ebullición
Mezcla líquida de dos fases
Mezcla de líquido y vapor
Selectividad
Volatilidad Relativa
Cambio de temperatura
Cambio de presión
Fuente: Treybal Extracción en fase líquida.
2.1 Definiciones
Antes de entrar por completo al tema es necesario dejar en claro algunas
definiciones básicas que se estarán ocupando a lo largo de este capítulo y los
siguientes, para hacer de esta forma más fácil su estudio.

Etapa: Es un artificio mecánico o una serie de artificios en que la solución que
ha de disociarse y un disolvente inmiscible se mezclan íntimamente, donde se
permite que se acerque al equilibrio y donde entonces se sedimenta la
mezcla, o se divide en dos fase líquidas inmiscibles, que entonces se extraen
47
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
por separado. La fase rica en disolvente que abandona la etapa se denomina
extracto; la fase pobre en disolvente es el refinado. Una etapa teórica o ideal
es una etapa en que el contacto entre las fases es lo suficientemente íntimo y
se mantiene por tiempo suficiente para que se establezca distribución de
equilibrio, de tal forma que el extracto y el refinado son soluciones en
equilibrio. Aunque para esta finalidad
se usan muchas variantes y
combinaciones de mezcladores y decantadores, en este particular caso se
designará diagramáticamente la etapa ideal por una figura circular como la
que se muestra a continuación, figura 2.1.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.1 Etapa ideal.

Diseño de diagramas: La interrelación entre los equilibrios de fases, el número
de etapas y las concentraciones y pesos de las diversas corrientes en un
proceso de extracción se representan de mejor manera gráficamente sobre un
diagrama que muestre los equilibrios de fases. Se pueden usar muchos tipos
de diagramas. Ciertos sistemas de coordenadas son más convenientes que
otros, según la naturaleza de los equilibrios de fases y el proceso que se trate.
Para este trabajo se examinará solo un tipo, que es el de Coordenadas
triangulares, ya que es el que resulta más útil para el estudio de este tema.
Coordenadas Triangulares: Por lo general, se describen los datos de equilibrio de
fases ternario en diagramas triangulares, y pueden representar todas las
propiedades características en cuanto a la concentración en estos sistemas, son los
más útiles. Lo relacionado con su uso se describe en el capítulo anterior, en esta
ocasión se explicará el esquema de notación que se aplicará. A, B y
C,
48
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
representarán los tres componentes puros del sistema ternario. A y C son los
componentes principales de la solución que han de separarse y B el disolvente de
extracción puro. En sistemas ternarios del tipo 1, A y B son parcialmente miscibles;
en sistemas del tipo 2, los pares A-B y B-C son parcialmente miscibles. Lo símbolos
representarán así mismos los pesos de los componentes. Así A significaría A Kg del
componente A, B significaría B kg del componente B, etc. F, E y R, designarán la
solución de alimentación, la del extracto y la del refinado, respectivamente, en peso y
en composición. Así, por ejemplo el símbolo F, representará F Kg de una solución
de alimentación de la composición indicada por el punto F en el diagrama ternario.
Otras soluciones y mezclas serán designadas por símbolos apropiados y en cada
caso el símbolo no solo representará el peso, sino también la composición que
resulte indicada en el diagrama de fases, como se explica en el capítulo I. Las
composiciones en fracción en peso serán designadas por X con los subíndices
apropiados. Así, XAB será igual a la fracción en peso de A en una solución rica en B;
XCE será igual a la fracción en peso de C en el extracto; XBF equivaldrá a la fracción
en peso de B en la alimentación, etc. Ha de observarse que si se desea pueden
sustituirse siempre pesos y fracciones por pesos en moles y fracciones molares.
Las etapas se numeran, y cuando esto se realiza, cada número se usa como
subíndice, de ordinario indican corrientes que salen de la etapa indicada. De este
modo XCR2 será equivalente a la fracción en peso de C en el refinado procedente de
la etapa 2; Rn será el peso del refinado en la etapa n, etc.
En un diagrama de fases, la longitud de un línea entre dos puntos O y P se
representará por
, como en la Figura 2.2 que se muestra a continuación.
Una mezcla en O, cuando se agrega a una en P, dará una nueva mezcla en K. sobre
la línea recta OP, de tal modo que
49
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.2 Sistemas de Coordenadas triangulares para
cálculos de extracción.
Análogamente la separación de P de K da O sobre la línea PK prolongada. Las
líneas de interconexión se mostrarán más finas que otras líneas de construcción.
2.2 Disposición del diagrama de flujo
Los procesos de extracción líquida se llevan a cabo en equipos por etapas, que
pueden arreglarse en cascadas de multietapas; se realizan también en un aparato de
contacto diferencial.
La extracción en equipos del tipo de etapas puede realizarse de acuerdo con
diferentes diagramas de flujo, según la naturaleza del sistema y la separación
deseada. En este análisis se considera que cada etapa es teórica, por lo tanto, el
extracto efluente las soluciones de refinado están en equilibrio, una con respecto a
la otra. Cada etapa debe incluir medios para facilitar el contacto de los líquidos
insolubles y para separar fácilmente las corrientes de los productos. Por lo tanto la
combinación de un mezclador y el sedimentador se pueden arreglar en cascadas.
El contacto único implica el uso de una sola etapa, en que la solución que ha de
dividirse en sus componentes y le disolvente de extracción se ponen en contacto una
vez y se separan las fases de extracto y refinado. La operación puede ser por lotes o
continua. EL análogo en destilación es la vaporización instantánea o destilación en
equilibrio.
50
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
2.3 Método de cálculo
El diagrama de operación, con indicación de los pesos de las varias corrientes se
muestra en la figura 2.1. La solución sometida a extracción consiste exclusivamente
en una mezcla de A y C y el disolvente de extracción es B puro, pero en el caso
general existen los tres componentes en estas corrientes, como se indica por las
posiciones de los puntos F y S en a Figura 2.3.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.3 Extracción por contacto único.
Se aprecia la curva RDEG que es una curva de solubilidad binodal normal de un
sistema del tipo 1, que encierra un área de dos fases líquidas. Un balance de
operación para el material es
Aquí, M representa la mezcla de a solución de alimentación y el disolvente, y se
ubica en la región de las dos fases líquidas, como se puede observar en el diagrama.
Esta puede determinarse gráficamente sobre la línea FS por la relación
o analíticamente por el cálculo de su composición por balances de material. Así un
balance de C es
51
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
de donde
de forma análoga, para un balance de B
Con las ecuaciones (2.5) y (2.6) se puede localizar el punto M. O también puede
determinar, la cantidad de disolvente necesario para una alimentación dada, a fin de
producir un M predeterminado, resolviendo así la ecuación (2.6) para S
En el mezclador de la etapa ideal se establece equilibrio, de modo que la mezcla de
dos fases, M, produce soluciones de extracto y refinado, E y R, los productos de la
operación, situados en extremos opuestos, de la línea de interconexión que pasa por
M. Las composiciones de las corrientes E y R han de determinarse gráficamente en
el diagrama. Sus pesos pueden calcularse gráficamente,
o por balance de materia, así un balance de C,
La resolución simultánea con la ecuación (2.2) da,
52
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Entonces la ecuación (2.2) permite el cálculo de R.
En la operación de una planta de esta clase, es evidente que si la mezcla M no está
situada dentro del área de dos fases líquidas no ocurrirá separación por extracción.
Por consiguiente hay una mínima cantidad de disolvente que situará M en el punto D,
dada por,
De lo que resultará un máximo de refinado de composición D y nada de extracto. Así
mismo habrá una cantidad máxima que situará M en G,
De lo que resultará un máximo de extracto de composición G y nada de refinado.
Una planta de extracción real a de usar una cantidad de disolvente comprendida
entre estos límites.
2.4 Eficacia de etapa
La etapa teórica produce como efluente dos corrientes, extracto y refinado que están
en equilibrio. Sin embargo si son insuficientes la agitación o el tiempo de contacto
que se mantiene entre el disolvente y la solución extractable, las corrientes que
saldrán de la etapa no estarán en equilibrio, lo que se expresa diciendo que la
eficacia de la etapa es de menos de 100%. Obsérvese la Figura 2.4.
Cuando se agrega el disolvente S a F, con dispersión de uno en el otro, es razonable
suponer que en la interface entre los líquidos las concentraciones llegarán muy
rápidamente a los valores de saturación en D y G. Los senos de los líquidos, en F y
S han de alcanzar últimamente los valores de equilibrio en R y E, respectivamente.
Los caminos que siguen las concentraciones en el seno del líquido, mostrados
esquemáticamente en la figura 2.4 dependerán forzosamente de las velocidades de
difusión relativas de las sustancias que las componen. Solo cuando llegan a ser
realidad las composiciones de R y E se considera la etapa como una etapa ideal.
53
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Treybal Extracción en
Figura 2.4 Fase Líquida. Difusión en una
etapa teórica.
2.5 Equipos para la extracción en una sola etapa
Al poner en contacto directo dos líquidos inmiscibles que no están en equilibrio entre
sí, comienza inmediatamente una migración espontanea por difusión de las diversas
sustancias que componen los líquidos, como un intento de establecer equilibrio
último por todo el sistema. De esta manera, se loga la separación por extracción de
las sustancias. En la extracción industrial, lo que se necesita es un ambiente que
acelere la velocidad del proceso hasta el grado máximo compatible con el costo de
esta mejora.
Cuanto mayor sea la velocidad, tanto menor tendrá que ser el equipo, aunque tal vez
el equipo más pequeño posible no siempre sea el más económico a causa del costo
que representa producir la máxima velocidad de transferencia.
Existen dos clases de equipos para la extracción líquida:

Los que procuran etapas discretas, en que los líquidos se mezclan, se deja
que ocurra la extracción y se sedimentan las fases insolubles, que se extraen
por separado (mezcladores sedimentadores).
54
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA

Los de contacto continuo a contracorriente entre las fases insolubles. Se
puede construir de una sola pieza el equipo equivalente a tantas etapas como
se deseen o como sean prácticas, sin separación intermedia de las fases.
Al diseñar un proceso de extracción no solo ha de elegirse entre las dos categorías
que se acaban de mencionar, sino que también, dentro de cada clase, es preciso
establecer el tamaño y las condiciones de operación del equipo más económico.
2.5.1 Mezcladores sedimentadores
Una etapa es todo un aparato o grupo de aparatos en que se ponen en contacto (se
mezclan) los líquidos inmiscibles, en donde ocurre transferencia de masa entre los
líquidos con tendencia al equilibrio entre ellos y en donde los líquidos resultantes se
separan uno del otro mecánicamente (sedimentación) y son extraídos. Esta
operación puede efectuarse por lotes o con los líquidos en corriente continua. De
ordinario, la mezcla supone la dispersión de uno de los líquidos, en forma de finas
gotitas (la fase dispersa) que quedan inmersas en el otro líquido (fase continua). La
primera de las fase mencionadas puede ser el líquido más denso o el más ligero, el
disolvente (extracto) o la solución de alimentación (refinado).
En la Figura 2.5a se muestra un mezclador sedimentador típico, donde el mezclador
o agitador está completamente separado del sedimentador. La alimentación de fase
acuosa o fase orgánica se representa en el mezclador, y las fases mezcladas se
separan en el sedimentador. En la Figura 2.5b se muestra una combinación de
sedimentador mezclador, que algunas veces se utiliza para la extracción de sales de
uranio o de cobre en soluciones acuosas.
55
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia de Masa.
Figura 2.5 Mezcladores-Sedimentadores típicos para
extracción: a) mezcladores sedimentadores por separado, b)
combinación de mezcladores sedimentadores.
2.5.1.1 Ventajas de los mezcladores sedimentadores
Entre estos aparatos figuran las formas de equipo de extracción más antiguas. Los
mezcladores sedimentadores ofrecen ciertas ventajas a las cuales deben su
aceptación que se mantienen al paso de los años.
1. En contraste con los extractores de contacto continuo a contracorriente, que
de ordinario son torres que funcionan por gravedad, en los mezcladores
sedimentadores se puede establecer el grado de dispersión o la intensidad
de la turbulencia a cualquier nivel por agitación mecánica, sin riesgo de
“inundación” ni reducción de la capacidad el equipo, aunque deben evitarse
emulsiones no sedimentables por el uso de dispersiones excesivamente
finas.
2. En ellos puede manejarse fácilmente cualquier proporción de los dos
líquidos, con uno u otro como fase dispersa, y la razón de los dos líquidos
en el mezclador puede gobernarse a voluntad para obtener los mejores
resultados, independientemente de la razón del flujo de la cascada como un
todo.
56
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
3. Los
sólidos
en
suspensión
se
manejan
mejor
en
mezcladores
sedimentadores que en la mayoría de los otros extractores.
4. La instalación común de cascada de multietapas es especialmente útil
cuando el techo de la sal es bajo.
5. La instalación horizontal permite agregar más etapas a la cascada si fuera
necesario.
6. Los mezcladores sedimentadores de operación continua pueden pararse por
periodos relativamente largos. Cuando se ponen de nuevo en marcha, no
hay retraso en el establecimiento de concentraciones de estado constante y
los productos especificados pueden ser retirados inmediatamente. Esto no
es posible con los aparatos en forma de torre, en que, al pararlos, los
líquidos se sedimentan por gravedad a todo lo largo de la cascada, lo que
hace poner de nuevo en circulación a los productos que no responden a lo
especificado al volver a poner los extractores en marcha, hasta que vuelvan
a alcanzarse las condiciones de estado constante. La ventaja de los
mezcladores sedimentadores en este aspecto es de gran importancia para
los procesos a pequeña escala, en que no pudiera estar justificada la
operación continua durante las veinticuatro horas del día o de siete días por
semana.
7. En estos aparatos casi siempre es posible un alto grado de acercamiento al
equilibrio (eficacia de etapa), y por eso el proyecto merece más confianza y
se establecen garantías más fácilmente.
8. Es posible, así mismo, confiar dentro de lo razonable en la ampliación del
tamaño pequeño al tamaño industrial, al menos en los casos de los diseños
más simples.
9. En algunos procesos, en que es crítico el problema del paro temporal de una
planta, los fabricantes suelen tener equipo de reserva para caso de
interrupción. Esto sería caro para los extractores del tipo de torre con
agitación mecánica, pues para estos extractores se requiere prácticamente
la duplicación completa de los medios de extracción. En cambio, una etapa
57
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
de reserva para una cascada del tipo de mezclador sedimentador es muy útil
y relativamente barata.
2.5.1.2 Inconvenientes de los mezcladores sedimentadores
Existen algunos rasgos característicos que han intentado mejorarse, como los
siguientes:
1. La instalación horizontal común ocupa mucho espacio el piso.
2. La necesidad de agitación requiere energía y equipo de agitación para cada
etapa, lo cual puede ser costoso en inversión, operación y mantenimiento.
3. La radioactividad de los líquidos puede complicar las cosas. Aunque la
radioactividad
la radiación
y
pueden manejarse de ordinario con agitación mecánica,
intensa complica los problemas de mantenimiento.
4. Usualmente se requiere bombeo de uno de los líquidos por lo menos, y en
algunos diseños de los dos, entre las etapas, si bien puede disponerse flujo
por gravedad e ambos.
El volumen de los sedimentadores suele ser grande y esto eleva el primer costo del
equipo y el costo del disolvente en almacén. Sin embargo, no puede decirse de
manera genera que el volumen de una cascada de un aparato mezclador
sedimentador o su costo serán superiores o inferiores a los de un extractor de torre
equivalente, pues ello depende de la eficiencia de etapa de cada aparato. Las torres
provistas de agitación mecánica son, en general, de volumen relativamente
pequeño.
2.5.1.3 Clasificación del equipo
El equipo mezclador sedimentador puede clasificarse en las siguientes categorías:

Mezcladores
o Recipiente con agitación

Con agitación mecánica

Con agitación por gas
o Mezcladores por flujo o tubería
58
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA


Con agitación mecánica

Sin agitación
Sedimentadores
o No mecánicos

Por gravedad

Centrífugos (ciclones)
o Mecánicos (centrífugas)
o Auxiliares del sedimentador

Conglutinadores

Membranas separadoras

Equipo electrostático
2.5.1.4 Recipientes con agitación
Los recipientes de mezcla pueden agitarse por la acción rotatoria o recíproca de
miembros internos, por uso de un gas o por balance o agitación de todo el recipiente.
Para la extracción en fase líquida, por lo general se usa alguna forma de impulsor
rotatorio, y unos cuantos aparatos utilizan agitación por gas. El balanceo y la
agitación solo se aplican en los aparatos de laboratorio más pequeños.
Lo que interesa es establecer el mejor tamaño y forma del recipiente, método de
agitación, construcción interna y aplicación de energía para conseguir la mejor
velocidad de extracción con el costo mínimo.

Tanques de mezcla
El tanque es un cilindro vertical con la parte interna lisa, salvo posibles tabiques,
preferiblemente con el fondo cóncavo por dentro. Los tanques rectangulares de
fondo plano suelen producir regiones de estancamiento y son mucho menos
eficaces. Para obtener los mejores resultados, la profundidad del líquido ha de ser
por lo menos igual o algo mayor que el diámetro del tanque.
En procesos por lotes, el volumen del recipiente ha de ser el del lote más el
correspondiente al espacio muerto por encima de la superficie del líquido (30 cm
59
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
como mínimo para recipientes descubiertos, pero podría ser menor para lotes
pequeños). Para proceso continuo, el volumen del líquido contenido es
En que el tiempo de retención
se establece por la velocidad de extracción y la
eficiencia de etapa prevista. El proceso continuo puede efectuarse con un espacio de
gas sobre el líquido o con el recipiente lleno de líquido.
En las siguientes figuras 2.6 y 2.7 se muestran tanques representativos. Por lo
regular, su contenido se agita por un impulsor dispuesto de un eje vertical que entra
por la parte superior del tanque.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.6 Tanques de mezcla y tabiques.
60
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.7 Agitador en comparimientos para
operación continua.

Impulsores
En general, hélices, turbinas, palas y sus variantes se disponen de modo que entren
por la parte superior del recipiente. Las hélices de entrada lateral, usadas para
mezclar líquidos miscibles en grandes tanques, no son útiles para el contacto entre
líquidos. Las hélices que producen flujo axial, se usan para líquidos de baja
viscosidad haciéndolas girar de manera que empujen el líquido hacia abajo. Las
turbinas y palas producen flujo radial si se usan tabiques verticales como en la figura
2.5, o flujo rotacional en torno al eje del impulsor sino se disponen tabiques.
Probablemente las turbinas son el tipo de impulsor que se presta más a la mayoría
se las situaciones en los proceso de extracción, y entre los tipos de turbinas figuran
las que están provistas de aletas planas radiales, de aletas curvas inclinadas y
turbinas espirales. Se han usado también dispersores de punta de flecha, pero ahora
ya no se recomiendan para el contacto entre líquidos.
61
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
En la figura 2.8 se muestran los principales tipos de impulsores que se utilizan a nivel
industrial.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.8 Impulsores para la mezcla.
o Agitador con hélice en un tanque vertical
Si la hélice se instala en el centro, existe una tendencia por parte del fluido
ligero (normalmente aire) a formar un vórtice reduciendo el grado de agitación.
El modelo de flujo es el indicado en la figura 2.9, en el que a corriente que
abandona la hélice se mueve a elevada velocidad e inicialmente en línea
recta. La parte exterior de la corriente, indicada por “E”, gira sobre sí misma,
volviendo atrás y entrando nuevamente en la hélice, mientras que las
corrientes interiores, indicadas por “A”, tienen u recorrido mucho más largo.
Una partícula de una corriente cualquiera penetrará en la siguiente en la
entrada de la hélice, efectuándose así las mezcla. La agitación es muy fuerte
cerca de la hélice, apareciendo espacios muertos en el fondo del tanque. En
estas instalaciones, la longitud del eje desprovista de soporte o guía no debe
de exceder los 2 metros.
62
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Ingeniería Química Unidades SI
Operaciones Básicas.
Figura 2.9 Modelo de flujo para un
agitador con hélice.
Si mediante un agitador de este tipo debe agitarse el contenido de un recipiente de
gran tamaño, es esencial instalar un cojinete de apoyo en el extremo inferior. A pesar
de la considerable experiencia práctica de que se dispone en estas instalaciones,
estos cojinetes de apoyo todavía suelen ocasionar problemas, ya que como
frecuentemente se utilizan líquidos corrosivos o disolventes, su lubricación resulta
muy difícil. Se ha demostrado que la instalación de una placa deflectora cruciforme
en el fondo del recipiente permite obtener una dispersión mucho mejor, como se
observa en la figura 2.10. El rotor se dispone de forma que provoque un flujo
ascendente; esta disposición proporciona un flujo axial mucho mejor y evita la
aparición de movimientos rotacionales del líquido.
Para mejorar la velocidad de mezcla y minimizar la formación de vórtices,
normalmente se instalan pantallas deflectoras. Estas consisten en delgadas tiras
montadas sobre las paredes del recipiente, como se muestra en a figura 2.11. Estas
pantallas aumentan considerablemente la potencia requerida. Otro método para
minimizar la formación de vórtices consiste en instalar el agitador en una posición
distante a la central.
63
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Ingeniería Química
Unidades SI Operaciones Básicas.
Figura 2.10 Modelo del flujo
en un recipiente con placa
deflectora cruciforme.
Fuente: Ingeniería Química Unidades SI
Operaciones Básicas.
Figura 2.11 Modelo de flujo en un
recipiente con placas deflectoras
verticales.
64
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
o Mezcladores portátiles
Para una amplia gama de aplicaciones, puede instalarse un mezclador portátil en la
parte superior o en el lado del recipiente. El agitador suele estar provisto de dos
hélices, de forma que a inferior mueve el líquido hacía arriba y la superior lo desplaza
hacia abajo, en la figura 2.12 se muestra una esquematización de este tipo. Esta
unidad puede encontrarse en potencias de hasta 2Kw, siendo el tamaño del motor
excesivamente grande para potencias más elevadas. Para evitar tensiones excesivas
sobre la armadura, debe instalarse algún acoplamiento flexible entre el motor y el eje
principal del agitador. Las unidades de este tipo suelen girar a velocidades
francamente elevadas (15 Hz), pudiendo instalarse fácilmente un sistema de
reducción para la operación a baja velocidad.
Fuente: Ingeniería Química Unidades SI Operaciones Básicas.
Figura 2.12 Prensa estopas para un agitador instalado
horizontalmente.
65
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
o Agitador de turbina
La hélice puede ser sustituida por una turbina, que puede ser abierta o
cerrada; estas últimas son mucho más caras. El modelo del flujo
correspondiente a una turbina, mostrado en la figura 2.13, es completamente
diferente al obtenido por una hélice. Las turbinas pueden utilizarse para
materiales más viscosos que los adecuados para las hélices, aunque la
potencia consumida es mucho mayor.
Fuente: Ingeniería Química Unidades SI
Operaciones Básicas.
Figura 2.13 Modelo de flujo con
rotor de turbina.

Colocación del impulsor
Lo más común es que los impulsores se coloquen en ejes verticales situados
axialmente, con excepción de las hélices en recipientes sin tabiques. Se suelen
disponer a cualquier distancia desde el centro del recipiente hasta una separación
del fondo igual a un diámetro del impulsor, con alguna indicación de que, para
recipientes con tabiques y de operación continua, dos tercios de profundidad de
líquido desde el fondo puede ser mejor para la extracción. Para flujo continuo en
recipientes sin tabiques, parece carecer de importancia la colocación vertical.
66
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA

Flujo de líquidos
En una operación continua en recipientes del tipo mostrado en la figura 2.6, ambos
líquidos pueden entrar por el fondo y salir del aparato por una tubería lateralmente
por la parte superior. Los líquidos pueden descargarse también por una tubería para
que salgan lateralmente del recipiente al nivel de un impulsor del tipo turbina, en
donde la velocidad del líquido que sale radialmente desde el impulsor causará
bombeo del líquido a breve distancia, a un sedimentador. Esto es particularmente
eficaz si la abertura del tubo de salida se dispone exactamente arriba de un tanque
vertical. Si se hace así, uno de los líquidos puede entrar en el mezclador por arriba y
el otro por el fondo. Si se disponen las aberturas de entrada por detrás de un tabique
vertical (esto es, corriente abajo) incluso es posible obtener una altura de succión
moderada que ayuda a aspirar los líquidos para que pasen al recipiente de una etapa
adyacente.
Es preferible el flujo de espita o émbolo, y aunque a veces está favorecido por
funcionamiento del recipiente lleno y sin tabiques, se puede lograr más fácilmente
por compartimentación como se muestra en la figura 2.7, con los dos líquidos
entrando por el fondo y saliendo por la parte superior. Si se admite que en cada
compartimiento ha habido mezcla verticalmente completa, se obtienen con mayor
facilidad el efecto de flujo de émbolo cuanto mayor sea el número de
compartimientos.
2.5.1.5 Sedimentadores
En procesos efectuados por lotes, la mezcla suele sedimentarse en el mismo
recipiente en el cual se agitó.

Sedimentadores por gravedad.
El sedimentador por gravedad más sencillo, o decantador, suele ser un recipiente
horizontal dispuesto como se muestra en la figura 2.14. El tabique para choque,
ya sea perforado o ranurado, puede usarse para proteger el contenido del
recipiente de la perturbación que produciría la entrada de un chorro de la
67
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
dispersión. La mayor parte del sedimentador determina un régimen de flujo no
turbulento que conduce a rápida sedimentación. La espita en el extremo final de
la corriente del líquido sirve para extraer periódicamente la nata de partículas de
polvo y otros sólidos que se reúnen en la interfase, aunque los líquidos que
entran parezcan estar limpios. El líquido denso fluye por un tubo provisto de sifón
que evita el vaciado del tanque y deja un nivel de la interfase en el tanque.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.14 Sedimentador por gravedad.
Existen cientos de variantes del sedimentador simple por gravedad, pues los diseños
no están normalizados. En algunos casos se usan cilindros verticales en lugar de
horizontales, y se ha asegurado que se obtienen ventajas al ubicarlos en un ángulo
con el plano horizontal. Con frecuencia se usan tabiques de diversas formas y
situaciones, para influir en la dirección de flujo y a veces para que haya choque de la
dispersión sobre los tabiques. También tienen ventaja los tabiques para asegurar
flujo laminar y reducir la distancia en que han de sedimentarse las gotitas, como se
puede observar en el sedimentador de la figura 2.15.
68
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.15 Sedimentador con tabiques.
Se han usado otros aparatos más complicados, pero la tendencia actual es mantener
los sedimentadores lo más pequeños y simples que sea posible a fin de reducir su
costo. La mayoría de los sedimentadores para la industria del petróleo están
diseñados para tiempos de retención de media a una hora; con tabiques para
asegurar flujo laminar, y pequeñas distancias de sedimentación, el tiempo puede
acortarse desde cinco hasta diez minutos si la fase continua es de baja viscosidad.

Ciclones
Estos aparatos ofrecen la ventaja de bajos tiempos de residencia, del orden de unos
segundos, siempre que pueden hacerse funcionar de manera satisfactoria. El bajo
tiempo de residencia es útil a causa del bajo costo resultante de equipo pequeño y
pequeño inventario de disolvente en almacén, y en algunos casos también resultan
ventajas en el proceso mismo.
Se puede observar un ciclón representativo en la figura 2.16, en el cual la separación
de las fases se produce por la fuerza centrífuga producida por la acción del vórtice.
El líquido ligero tiende a fluir por la parte superior (rebosa) y el líquido denso por el
fondo (desagüe), se regula por válvulas en los tubos de salida y puede fijarse en
cualquier valor.
69
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
Fuente: Treybal Extracción
en Fase Líquida.
Figura 2.16 Ciclón.
2.5.1.6 Auxiliares de sedimentadores
Entre ellos figuran el uso de coalescedores, membranas de separación, aparatos
eléctricos y la adición de reactivos para cortar emulsiones permanentes. Estas
presentan tantos problemas que las operaciones de extracción en fase líquida en que
intervienen emulsiones permanentes no pueden ser consideradas de ordinario en el
trabajo industrial.

Conglutinadores
Se puede lograr que se conglutinen las pequeñas gotas de una dispersión fina
haciendo pasar la dispersión por un conglutinador. Las gotas agrandadas se
sedimentan así más fácilmente. Los conglutinadores suelen ser esterillas, lechos o
capas de sólidos porosos o fibrosos cuyas propiedades se adaptan especialmente al
70
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
objeto deseado. Su acción parece ser noble: las películas protectoras de alta
viscosidad que rodean las gotitas son rotas y separadas por el conglutinador, y las
gotas mojan preferencialmente al sólido y así se unen mutuamente; crecen de
tamaño al coalescer con otras análogamente atrapadas. Las gotas agrandadas son
arrastradas por la corriente que fluye de la fase continua. Por ello, el conglutinador
consiste en un sólido de elevada razón superficie/volumen, con pequeños pasajes
para que obre sobre toda la dispersión, de baja caída de presión para el flujo y que
se moja preferencialmente por a fase dispersa. También ha de ser bastante fuerte
mecánicamente para resistir la caída de presión y químicamente inerte frente a los
líquidos. Las materias silíceas suelen ser hidrofílicas (se mojan preferencialmente por
agua) y pueden usarse por fases acuosas dispersas. El carbón, los plásticos
orgánicos, fibras revestidas de plásticos y análogos suelen ser hidrofóbicos
(repelentes del agua, se mojan por líquidos no acuosos) y son útiles para líquidos
orgánicos dispersos. Lechos de sólidos, granulados, como arena, tierra de
diatomáceas, hebras de madera, lana de acero, torneaduras de cobre, lana de vidrio,
Fiberglas, plásticos especiales y tela de polietileno y polipropileno se usan también
para este objeto.

Membranas de separación
Si el tamaño de los capilares de una sustancia porosa es muy pequeño, aunque el
líquido que moja con preferencia al sólido puede fluir por os capilares fácilmente, las
fuertes películas interfaciales que separan al líquido que moja al sólido del que no lo
moja. Presión suficiente causará rotura de la película y ello provocará que el líquido
que no moja al sólido atraviese el sólido poroso; pero si se regula la presión de
manera conmensurable con el tamaño del poro y la tensión interfacial, se podrán
separar las dos fases.
Las membranas de separación de este tipo se fabrican de muchos materiales, como
porcelana o papel revestido de plástico especial, y estos pueden ser hidrofílicos o
hidrofóbicos.
71
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
En la práctica, se suele pasar primero la dispersión por el conglutinador, de modo
que pueda sedimentarse la mayor parte de la fase dispersa antes de exponer la
mezcla a la membrana de separación, con lo que se alivia la carga sobre la
membrana. A continuación se representa en la figura 2.17 un aparato útil para
separar dispersiones inestables a base de los principios mencionados.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 2.17 Separador del sistema combustible-agua.
La emulsión se pasa primero por un sólido poroso para que se conglutine la fase
dispersa, con lo cual ocurre considerable sedimentación. Entonces, el líquido denso
se pasa por un sólido poroso de pequeño diámetro de poro, tratando de tal manera
que se moje preferencialmente por el líquido denso. Las gotitas de la fase ligera
dispersa no pasan por el sólido, sino que se reúnen y fusionan hasta hacerse lo
suficientemente grandes para ascender a la parte superior del aparato. El líquido
ligero se trata de igual manera.

Conglutinadores electrostáticos
Cuando una dispersión de agua en una fase continua no conductora, estabilizada por
iones, se coloca en un campo eléctrico, las gotitas se polarizan y se alinean en
cadenas a lo largo de las líneas de fuerza del campo. Entonces, el aumento de la
fuerza de colisión a medida que las partes de la cadena se ponen en contacto, causa
coalescencia. Estos métodos se usan con frecuencia en el desalado de emulsiones
72
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO EN UNA SOLA ETAPA
de aceite crudo de petróleo y salmuera y en otras operaciones de extracción en a
industria del petróleo, y también se usan para reducir el arrastre de líquidos acuosos
(aumentar la pureza) de extractos de uranio. Son comunes campos de corriente
alterna de 2000 a 4000 voltios/pulgada (800 a 1600 voltios/cm), y el rápido
movimiento de las gotitas así producido puede contribuir a la frecuencia de colisión.
Se usa con menor frecuencia la corriente continua, a voltajes mucho más bajos.
73
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
III. CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
También es conocido este tipo de contacto con el nombre de “Corriente transversa”,
puede ser por lotes o continua, y es una extensión del contacto único, en que el
refinado se pone en contacto repetidamente con disolvente de extracción nuevo. En
el límite representado por un número infinito de etapas, viene a ser lo mismo que la
extracción diferencial.
La figura 3.1 muestra un diagrama de flujo representativo de este tipo de contacto
con la cual se reduce progresivamente la concentración de C en el refinado. En las
diversas etapas pueden usarse diferentes cantidades de disolvente.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 3.1 Contacto múltiple a contracorriente o corriente transversa.
3.1 Método de cálculo
Los métodos de cálculo resultan más o menos obvios por la construcción de las
coordenadas triangulares que se muestran en la siguiente figura 3.2.
En este tipo de contacto, cada refinado se convierte en la alimentación de la etapa
que sigue. Conforme a ello todas las ecuaciones para el contacto en una sola etapa
[ecuaciones de (2.2)
a (2.12)] se aplican exactamente a la primera etapa del
contacto múltiple a contracorriente, con la debida sustitución de S, E, R y M por S1,
E1, R1 y M1, respectivamente.
74
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 3.2 Coordenadas triangulares en
contacto múltiple a contracorriente o corriente
transversa.
De igual modo, para calcular otra etapa, por ejemplo la número m, se aplica las
ecuaciones (2.2) a (2.10) con las sustitución de F por Rm-1 y R, E, M y S por Rm, Em,
Mm y Sm, respectivamente. En todas las etapas, salvo en la primera, puesto que las
soluciones de alimentación para cada una de ellas son necesariamente soluciones
saturadas, no hay una cantidad mínima de disolvente. La cantidad máxima de
disolvente para cada etapa, al igual que para el contacto único, ha de ser de tal
manera que la mezcla de alimentación y disolvente forme dos fases líquidas.
Un ejemplo de este tipo de contacto es el que se muestra a continuación, donde se
podrá observar el uso de las coordenadas triangulares para la determinación de la
cantidad de extracto y refinado del proceso:
Cien kilogramos de una solución de ácido acético (C) y agua (A) con una
concentración de 30% en peso de ácido acético va ha ser extraída tres veces con
éter isopropílico (C), utilizando 40 kg de solvente por etapa. Calcular las cantidades
de extracto y refinado en cada etapa y su concentración respectiva.
75
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Se construye el triangulo respectivo para estas sustancias a partir de la tabla de
porcentaje en peso de la capa acuosa y la capa etérea:
Acido
acético
Capa acuosa
Capa etérea
% peso
% peso
Agua
Éter
Acido
isopropílico
acético
Agua
Éter
isopropílico
0.69
98.1
1.2
0.18
0.5
99.3
1.41
97.1
1.5
0.37
0.7
98.9
2.89
95.5
1.6
0.79
0.8
98.4
6.42
91.7
1.9
1.93
1
97.1
13.3
84.4
2.3
4.82
1.9
93.3
25.5
71.1
3.4
11.4
3.9
84.7
36.7
58.9
4.4
21.6
6.9
71.5
44.3
45.1
10.6
31.1
10.8
58.1
46.4
37.1
16.5
36.2
15.1
48.7
76
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Figura 3.3 Diagrama de Equilibrio del sistema ternario agua, ácido acético y éter
isopropílico.
77
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Posteriormente se traduce la traducción del problema a un esquema.
LA=100kg
XA= 0.30
LE1
LE2
LE3
XE1
XE2
XE3
LR1
M1
LR2
M2
XR1
LR3
M3
XR2
XR3
LS1=40 kg
LS2=40 kg
LS3=40 kg
XS1=0.0
XS2=0.0
XS3=0.0
Figura 3.4 Esquema representativo del problema contacto a
corriente cruzada.
Ecuaciones para cada una de las etapas:
Primera etapa:
Ecuación general de balance
(3.4)
Ecuación balance parcial para ácido acético
(3.5)
Ecuación balance parcial para el agua
(3.6)
Segunda etapa:
Ecuación general de balance
(3.7)
78
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Ecuación balance parcial para ácido acético
(3.8)
Ecuación balance parcial para el agua
(3.9)
Tercera etapa:
Ecuación general de balance
(3.10)
Ecuación balance parcial para ácido acético
(3.11)
Ecuación balance parcial para el agua
(3.12)
Cálculos para la primera etapa:
De la ecuación (3.4)
De la ecuación 3.5
De la ecuación 3.6
79
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Con esos valores encontraremos en el diagrama de equilibrio el punto de mezcla M1,
así como la cantidad de refinado y de extracto en la primera etapa.
Figura 3.5 Diagrama de Equilibrio del sistema ternario agua, ácido acético y
éter isopropílico.
80
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
De la ecuación (3.4) y (3.5)
Segunda etapa:
De la ecuación (3.7)
De la ecuación (3.8)
De la ecuación (3.9)
Con el diagrama d equilibrio se encontrará el punto de mezcla M 2, y la cantidad de
extracto y refinado de la segunda etapa.
81
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Figura 3.6 Diagrama de Equilibrio del sistema ternario agua, ácido acético y éter
isopropílico.
82
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
De las ecuación (3.7) y (3.8)
Tercera etapa:
De la ecuación (3.10)
De la ecuación (3.11)
De la ecuación (3.12)
Con el diagrama d equilibrio se encontrará el punto de mezcla M 3, y la cantidad de
extracto y refinado de la tercera etapa.
83
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Figura 3.7 Diagrama de Equilibrio del sistema ternario agua, ácido acético y éter
isopropílico.
84
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
De la ecuación (3.10) y (3.11)
Para finalizar se calcula el extracto global
3.1.1 Recuperación del disolvente
Para la recuperación del disolvente se trata solo un refinado: el procedente de la
última etapa n. Los extractos de todas las etapas suelen reunirse y entonces se trata
la mezcla para recuperar el disolvente, aunque si se desea puede tratarse también
los extractos de cada etapa por separado. El extracto combinado E tiene las
propiedades características
85
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Como la curva de solubilidad es de ordinario cóncava hacia abajo, E estará en la
región de dos fases.
3.2 Ventajas y desventajas en este tipo de contacto
Las concentraciones de la solución de alimentación y del disolvente, así como la
cantidad de la solución de alimentación están determinadas por el proceso. Existen
otras variables que también se pueden mencionar dentro de las que se especifican
por el proceso mismo, las cuales son: la cantidad total de disolvente, el reparto del
disolvente entre las etapas, el número de etapas y las composiciones del extracto y
el refinado. Además de los aspectos antes mencionados, también se podrían
especificar:
a) El número de etapas y la cantidad de disolvente para cada etapa.
b) Las composiciones del extracto y del refinado en cada etapa, junto con el
número de etapas.
c) La composición del refinado final y la cantidad total de disolvente, con la
proporción que ha de usarse para cada etapa.
d) Composición del refinado final, número de etapas y reparto del disolvente
final entre las etapas.
3.3 Equipos para la extracción múltiple a corriente cruzada
3.3.1 Mezcladores de flujo
Los mezcladores de flujo o mezcladores de línea son aparatos en los que se efectúa
dispersión de un líquido en otro mientas las fases, ya en las proporciones debidas,
fluyen por el aparato y en que el requerimiento de energía deriva del flujo líquido. Se
usan solo en operación continua o semicontinua (en donde un líquido fluye
continuamente y el otro vuelve al ciclo continuamente). Difiere de los recipientes
agitados que funcionan en operación continua, en que su volumen es pequeño y por
consiguiente procuran muy poco tiempo de retención para transferencia de masa. Si
se necesita tiempo de dispersión, ha de ser proporcionado por el sedimentador
86
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
colocado a continuación o en la tubería de conexión. Por lo regular el aparato está
restringido a casos en que la dispersión no es difícil y en que se alcanza rápidamente
el equilibrio, como es el caso de líquidos de baja tensión interfacial y de poca
viscosidad. Son relativamente baratos en cuanto al costo inicial. Se usan mucho en
el refinado de destilados de petróleo ligeros, en que la razón entre la cantidad de
disolvente o de líquido para el tratamiento y la del líquido que ha de tratarse es
pequeña. Hay cuatro tipos principales de estos mezcladores:
1. Mezcladores de chorro o aparatos que se basan en el choque de un líquido
sobre el otro para lograr mezcla íntima de ambos.
2. Inyectores, en que se induce el movimiento de uno de los líquidos por la
corriente del otro, de lo que al mismo tiempo resulta la mezcla de ambos.
3. Orificios y boquillas, que producen mezcla y dispersión por causar un alto
grado de turbulencia en a corriente de los líquidos que fluyen.
4. Aparatos que se basan en agitación mecánica al igual que en el flujo.
Existen muchas variantes pero solo se mencionarán aquellas con mayor
relevancia.
3.3.2 Mezcladores de chorro
Son los menos satisfactorios para mezclar líquidos inmiscibles, pero tienen mayor
éxito en la mezcla de gases. Su uso está restringido a líquidos cuya densidad difiere
muy poco y de baja tensión interfacial, y en estos casos los mezcladores mas
eficientes producen emulsión. En su forma más simple, el mezclador de chorro
consiste en tubos conectados en forma de “Y”, en los cuales se bombea por
separado los dos líquidos a las ramas para que fluyan juntos por el vástago. Sin
embargo, parece casi esencial causar rompimiento más positivo de uno de los
líquidos. La acción de un mezclador de chorro, como el que se observa en la figura
3.8, se mejora al suplementarlo con boquillas de mezcla u orificios de los cuales
hablaremos a detalle más adelante.
87
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Fuente: Treybal Extracción en
Fase Líquida.
Figura 3.8 Columna de
chorro acodado con
orificios.
Un mezclador, como el que se muestra en la figura 3.9 que puede considerarse
dentro de esta categoría, ha resultado satisfactorio para la mezcla inicial de aceite y
disolvente en el proceso de Duo-Sol para el refino de aceites lubricantes. La solución
rica en disolventes entra en la boquilla grande y fluye por las perforaciones a
velocidades de 16 a 20 pies/seg. El aceite entra por la boquilla pequeña, y al recorrer
en espiral el cono perforado se mezcla intimamente con el disolvente. La mezcla sale
por la parte superior como se muestra en la figura.
En otra forma de mezclador de chorro, se arrojó el chorro de agua en tolueno en una
columna de 4 pulgadas de diámetro, con la columna lo suficientemente larga para
que ocurriera sedimentación en ella y poder extraer las fases por separado. Esta es
en realidad una forma de mezclador-sedimentador, en que la acción de mezcla es
producida por el chorro.
88
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 3.9 Mezclador de crudos Duo-Sol.
En la extracción de ácido benzoico de tolueno se obtuvieron mejores resultados. La
necesidad e energía fue intermedia entre la de un recipiente agitado mecánicamente
y el mezclador por inyección de aire.
3.3.3 Inyectores
Estos aparatos funcionan en principio de manera análoga al inyector de vapor, esto
es: el flujo de uno de los líquidos, que se bombea por el aparato, induce el flujo del
otro líquido y la mezcla de ambos. En la figura 3.10a que se muestra a continuación,
se puede apreciar que el inyector va incorporado a la cámara de sedimentación de la
etapa. La cámara está llena de una mezcla sedimentada de los líquidos insolubles,
con a interface aproximadamente en el centro. El líquido denso de una etapa anterior
es bombeado al inyector, y con eso induce el flujo del líquido ligero de la mezcla
sedimentada a la cámara.
La figura 3.10b muestra una disposición similar pero con el mezclador montado por
fuera.
Otra versión representada en la figura 3.11, se usa en operación semicontinua para
lavar un aceite con otro líquido.
89
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 3.10 Mezclador con inyector.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 3.11 Mezclador con inyector.
90
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
3.3.4 Boquillas y orificios
Los mezcladores de boquilla son aparatos relativamente sencillos, que pueden
instalarse en tuberías, como se muestra en la figura 3.12.
Fuente: Treybal Extracción
en Fase Líquida.
Figura 3.12 Boquillas
de mezcla.
Los dos líquidos son bombeados simultáneamente por la boquilla, o por varias
boquillas en serie, y la mezcla se basa en el alto grado de desarrollo de turbulencia a
expensas de la presión de los líquidos que entran en la boquilla.
Los mezcladores de orificios funcionan a base del mismo principio, como se muestra
en la figura 3.13, y se usan mucho en el refinado de destilados ligeros de petróleo. La
columna de orificios que se usa en refinerías de petróleo puede constar de 20 o 30
placas con orificios, en una tubería, colocadas a una distancia mutua de 12 pulgadas
aproximadamente, pero no existe un diseño estándar.
91
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Fuente: Treybal Extracción en Fase
Líquida.
Figura 3.13 Mezcladores con
orificios.
En cuanto al costo de compra de las boquillas es pequeño, esto representa una
operación económica.
3.3.5 Bombas
Las bombas han sido usadas extensamente como mezcladores. En a disposición
ordinaria, los dos líquidos que han de mezclarse se introducen por el lado de
aspiración de la bomba y la acción del impulsor produce la dispersión; al mismo
tiempo, los líquidos son bombeados al sedimentador que se encuentra a
continuación. Se usaban comúnmente en la extracción de fenoles de los líquidos
procedentes de los hornos de coque, con aceite ligero, pero la intensa acción de
corte produce emulsiones con este sistema y por ello las plantas modernas usan otro
tipo de extractores.
Otro tipo de mezclador de flujo agitado es el que se muestra en la figura 3.14. Este
mezclador ha prestado gran servicio en procesos de refino de petróleo y procesos
farmacéuticos entre otros.
92
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
Fuente: Treybal Extracción
en Fase Líquida.
Figura 3.14 Mezclador
agitado.
3.4 Emulsiones y dispersiones
La mezcla de líquidos inmiscibles como resultado de agitación o mezcla es una
emulsión o dispersión de un líquido en una fase continua del otro. Por lo general, las
emulsiones se consideran como dispersiones transitorias o inestables, cuya fase
dispersa está formada por gotitas relativamente gruesas. Se pueden distinguir
emulsiones de “agua en aceite” o viceversa, según que la fase dispersa sea el agua
o el aceite, respectivamente. Las condiciones que dominan la formación de uno u
otro tipo de dispersión ha sido objeto de estudio. Como esferas de tamaño uniforme
empaquetadas de manera compacta ocupan aproximadamente 74 por ciento del
espacio total, se creyó por mucho tiempo que no podían existir emulsiones que
contuvieran más de 74 por ciento en volumen de la fase dispersa. De esta forma, de
0 a 26 por ciento de agua produciría emulsiones de agua en aceite, 74 por ciento,
emulsiones de aceite en agua, y uno u otro de los dos tipos se formaría en el
intervalo de 26 a 74 por ciento. Sin embargo, en estas proporciones influyen otros
factores y se han obtenido emulsiones que contienen mucho más de 74 por ciento de
la fase dispersa. Las gotitas dispersa no son por lo regular del mismo tamaño. La alta
viscosidad de uno de los líquidos favorece que este líquido sea la fase continua. La
presencia de un emulsivo o agente de superficie activa tiene también gran influencia,
93
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
y en general el líquido en el cual es soluble el emulsivo tiene mayor tendencia a
formar la fase continua. Si hay presentes sólidos que se mojan preferentemente por
uno de los líquidos, este líquido estará probablemente como fase continua. En
ausencia de emulsivos, se forman más fácilmente emulsiones de aceite en agua con
razones volumétricas bajas de aceite a agua, y viceversa.
Se le llama inversión al cambio de una fase dispersa a la otra, y se dice que ocurre
cuando la forma de emulsión existente es la menos estable en las condiciones del
sistema. Algunos casos que originan la inversión puede ser, la dilatación de la
emulsión con la fase dispersa, aunque ésta ano siempre ocurre a la razón de fases
74:26. La presencia de sólidos y agentes de superficie activa ejercerá gran influencia.
Algunas de las dispersiones generadas en recipientes agitados se invierten al
aumentar la velocidad del agitador, lo cual ha sido probablemente la causa de
aumento en las velocidades de sedimentación de la dispersión producido por mayor
velocidad de la agitación. En ocasiones se forman emulsiones duales, en las cuales
la fase continua se encuentra presente también en forma de gotitas muy pequeñas
dentro de gotas mayores de la otra fase. La dilución de una muestra de una emulsión
suele indicar a que tipo pertenece: una emulsión se mesclará más fácilmente con
más cantidad de la fase continua y con dificultad con más de a fase dispersa.
3.4.1 Estabilidad de las emulsiones
Desde el punto de vista de una extracción en fase líquida, la estabilidad o
permanencia de una dispersión es su propiedad más importante, pues en cada etapa
de extracción es importante separar las fases. La estabilidad es la resistencia que
ofrece la dispersión a la coalescencia final de las gotitas de la fase dispersa. Para
que una dispersión se “corte” o separe de sus fases, las gotitas han de pasar por una
serie de fenómenos que se describirán a continuación.

Colisión: En el caso de dispersiones de gotitas my finas, se ha calculado la
frecuencia de colisión por estudio de su movimiento Browniano. Sin embargo,
en las dispersiones de este tipo, en que el diámetro de la gota es de cien
micras, o más, ocurre rápida sedimentación y con ello las gotitas se ponen en
94
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
contacto mutuo más rápidamente. La sedimentación será más rápida cuanto
menos viscosa sea continua y cuanto mayor sea la diferencia de densidad
entre ambas fases.

Floculación o aglomeramiento: No toda colisión de gotitas es eficaz en cuanto
a producir “corte” final de la dispersión, y si las colisiones son completamente
ineficaces se dice que la emulsión es estable. Las emulsiones estables se
caracterizan por pequeño tamaño de gotita, de 1 a 1.5 micras de diámetro, o
menor, pero algunas otras propiedades contribuyen a la estabilidad, por
impedir la floculación o aglomeramiento. Dos líquidos puros rara vez forman
emulsiones estables y casi siempre para ello ha de estar presente una tercera
sustancia. Esto es siempre el caos de los procesos de extracción. Esta tercera
sustancia rebaja la tensión interfacial y hay una relación, por lo menos
cualitativa, entre la estabilidad y el grado de reducción de esa tensión. Los
agentes de superficie activa son eficaces para bajar la tensión interfacial y
aumentar la estabilidad. La presencia de partículas sólidas tiende a producir
estabilidad. Si existen electrolitos en el sistema, las gotitas pueden adquirir
carga por adsorción de iones en la interfase y la repulsión de gotas cargadas
con carga de igual signo impiden la floculación. Los aniones suelen ser más
solubles en líquidos orgánicos que los cationes.

Coalescencia: Se le llama coalescencia a la fusión mutua de dos o más gotas
floculadas, lo que requiere perforación de la película que rodea las gotas. La
fuerza impulsora es la tensión interfacial, y para líquidos en equilibrio, cuanto
más alta es esta tensión más rápida será a velocidad de coalescencia. Si la
fase continua es muy viscosa, el tiempo más largo necesario para el drenaje y
para el adelgazamiento de la película entre las gotitas, enlentece el proceso
total y los cambios de temperatura, que afectan a la viscosidad y a la tensión
interfacial, tienen fuerte influencia también. En el caso de los líquidos no en
equilibrio, el cambio de tensión interfacial durante la extracción, entre las gotas
y el líquido circundante, influye en la velocidad de coalescencia.
95
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CORRIENTE CRUZADA
3.4.2 Emulsiones inestables
Tan pronto como se interrumpe la agitación, la mezcla se divide por sedimentación y
coalescencia, en dos capas líquidas (corte primario) con bastante rapidez si la
viscosidad de la fase continua no es grande. Durante este periodo se distinguen tres
zonas:

Una capa de líquido ligero en la superficie

Una capa de líquido denso en el fondo del recipiente

Una parte central que contiene la dispersión que quedó sin cortar.
Este periodo se considera terminado cuando las capas superior e inferior han
aumentado hasta encontrarse en una interface netamente definidas, a expensas de
la parte central. Entonces, ambas capas líquidas pueden ser claras, pero por lo
general, una de ellas, e incluso las dos, son turbias a causa de una dispersión de tipo
niebla de una cantidad relativamente pequeña de la otra fase. Pero esta dispersión
tipo niebla se sedimenta y ambas capas quedan claras (corte secundario) aunque
este proceso generalmente es lento.
96
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
IV. CONTACTO MULTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Este método supone el uso de una cascada de etapas, en que el disolvente de
extracción y la solución que ha de extraerse entran por los extremos opuestos de la
cascada. Los extractos y los refinados fluyen en direcciones contrarias. La operación
tiene más analogía con la absorción de gas que con cualquier práctica de destilación.
Necesariamente debe de ser continua, pero puede ser simulada en forma de lotes,
en el laboratorio por ejemplo, como “contacto múltiple a seudocontracorriente”.
Un diagrama de flujo representativo de este tipo de contacto es el que se puede
apreciar en la figura 4.1
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.1 Diagrama de flujo para la extracción múltiple a contracorriente.
Para cierto grado de separación, este tipo de operación requiere menos etapas para
una cantidad dada de disolvente, o menos disolvente para un número fijo de etapas
que los métodos a corriente cruzada.
4.1 Método de cálculo
En coordenadas triangulares nos fijaremos en la figura 4.2, suponiendo que se
conoce la posición de F, E1, Rn y S, en el diagrama. Un balance de materia para toda
la planta de extracción es:
97
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.2 Contacto múltiple a
contracorriente.
El punto O, punto de operación, puede localizarse entonces prolongando las líneas
E1F y SRn hasta que se corten. Un balance de materia para las etapas 1 a m
inclusive, es:
O
Para la etapa número m:
O
Las ecuaciones (4.4) y (4.6) demuestran que puede localizarse todo extracto Em+1 a
partir de todo refinado Rm prolongando la línea ORm hasta la curva de solubilidad rica
en B. Al igual que en todas las etapas ideales, el extracto Em y el refinado Rm estarán
en equilibrio y en los extremos opuestos de una línea de interconexión. Por
consiguiente puede localizarse R1 en el extremo opuesto de una línea de
interconexión que pasa por E1, E2 por la línea OR1 prolongada, R2 por una línea de
98
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
interconexión que pasa por E2, etc. El punto de operación O puede ser situado lo
mismo en el lado de la alimentación como en el lado del disolvente del triángulo,
según las cantidades relativas de alimentación y disolvente y la pendiente de las
líneas de interconexión.
Se puede calcular M y determinar sus coordenadas por las ecuaciones (2.3), (2.5) y
(2.6). E1 y Rn pueden determinarse por combinación de la ecuación (4.1) con un
balance de C.
Para cualquier etapa m, el balance total de materia de la ecuación (4.5) puede
reordenarse para obtener:
Un balance de A para la etapa m da:
La combinación de las dos últimas ecuaciones da:
Así podemos calcular R1 por la ecuación (4.10) haciendo m-1=F y m=1; E2 por la
ecuación (4.4) con m=1; R2 por la ecuación (4.10) con m=2: E3 por la ecuación (4.4)
con m=2, etc. De esta manera, se puede determinar todos los extractos y refinados
después de leer las concentraciones necesarias en el diagrama triangular. La
construcción es idéntica a coordenadas triangulares rectas.
4.2 Limitaciones en la cantidada del disolvente
En la construcción de la figura 4.2 resulta evidente que si una línea de interconexión
prolongada pasa por el punto de operación O, la determinación gradual de etapas no
tiene que pasar necesariamente más allá de aquella línea y se necesitaría un número
99
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
infinito de etapas incluso para alcanzarla. Este fenómeno en destilación se denomina
“estricción”.
En una instalación real, la línea RnS podría por ello no coincidir con una línea de
interconexión o se produciría una estricción en el extremo del disolvente de la
instalación. Cuanto más lejos esté el punto O de Rn, tanto mayor será la cantidad de
disolvente indicada. Por ello, puede describirse el procedimiento para determinar la
cantidad mínima de disolvente. Este procedimiento se ejemplifica en la figura 4.3.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.3 Cantidad mínima de disolvente en
contacto múltiple a contracorriente.
Se traza una línea RnS prolongada, y se prolongan todas las líneas de interconexión
hasta que corten a la línea RnS. La interconexión que quede más lejos de Rn (la línea
de interconexión HJ en la figura, con intersección en O’) corresponde a la cantidad
mínima de disolvente. Un punto de operación real O, con una cantidad
correspondientemente mayor de disolvente, es el que ha de elegirse. Si las líneas de
interconexión se inclinan hacia el vértice B, sus interconexiones con RnS estarán en
el lado del disolvente en el triángulo, y cuanto más cerca esté la intersección del
punto S, tanto mayor serpa la cantidad de disolvente indicada.
La cantidad máxima de disolvente será tal que se disuelva por completo la solución
de alimentación, como en el caso de una operación con contacto único.
100
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
4.3 Equipo para la extracción en contacto múltiple a contracorriente.
4.3.1 Mezcladores sedimentadores y cascadas.
Una cascada de mezcladores-sedimentadores consiste en varias etapas dispuestas
para la operación a contracorriente, con cada etapa formada por la combinación de
un mezclador y un sedimentador por lo menos. Conglutinadores y otros accesorios
pueden o no ser agregados.
Una disposición representativa se aprecia en la figura 4.4 también se muestra que
pueden utilizarse otro tipo de mezcladores y aparatos para la separación de las fases
que los mostrados en la imagen y que incluso son posibles diversas disposiciones.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.4 Planta de extracción a contracorriente en tres etapas.
Por ejemplo, si el espacio del suelo es valioso, se pueden construir los
sedimentadores de modo que vayan unos sobre otros, en forma de torre, con los
mezcladores y las bombas al nivel del suelo. El número de disposiciones y
posibilidades es muy grande. Existen algunas combinaciones especiales que han
hallado uso industrial.
Para evitar la necesidad de bombas en las combinaciones ordinarias de recipiente de
mezcla-sedimentador, se ideó la planta Holley-Mott, que se puede observar en la
figura 4.5.
101
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.5 Planta de extracción Holley-Mott: a) una
sola etapa; b) planta a contracorriente en cuatro
etapas.
En el diagrama para una sola etapa, la dispersión fluye del mezclador a
sedimentador por el tubo central y las fases sedimentadas pueden volver a circular al
mezclador para mantener las proporciones que se deseen en ese recipiente
independientemente del flujo neto por la etapa. Esto pudiera ser particularmente
importante cuando la razón de flujos neta es excepcionalmente pequeña o cuando
problemas surgidos en la sedimentación requieren que una u otra de las fases sea
continua independientemente de la razón de flujos neta.
La instalación de cuatro etapas a contracorriente muestra otra disposición escogida
para reducir la cantidad de tubería. El flujo a contracorriente por la cascada es todo él
por gravedad y, como resultado de ello, hay un cambio progresivo en el nivel de la
intercara de un sedimentador a otro. Se ha mencionado antes que se pueden
aprovechar ventajosamente las características de bombeo del impulsor en el
recipiente de mezcla y que ésta puede aumentar por colocación de tabiques en el
mezclador. Las plantas Holley-Mott han sido construidas en tamaños muy grandes,
para tratar, por ejemplo, 16000 galones de líquido por hora.
102
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Se han hecho modificaciones de la idea Holley.Mott con el fin de reducir aún más el
espacio ocupado así como también los costos. En la figura 4.6 se muestra una de
estas modificaciones para reducir costos. Representa esquemáticamente dos de
cuatro etapas de la planta de extracción de uranio de Kerr-McGee Oil Industries, en
Shiprock, Nuevo México. Los sedimentadores son tanques circulares con duelas de
madera, de 16 pies de diámetro y 7 pies de alto, dentro de los cuales se colocan los
recipientes de mezcla, de acero inoxidable, de 4x4 pies. La solución de alimentación
acuosa, 100 galones por minuto de líquido de lixiviación portador de uranio se pone
en contacto con solución de alquilfosfato en queroseno (20 galones por minuto), por
turbinas de 1.5 pies de diámetro que funcionan a 150 a 200 r.p.m. En cada etapa se
disponen de medios para la recirculación del extracto sedimentado que pasa por el
mezclador por rebose. Las etapas están colocadas a 1 pie de diferencia de altura, de
modo que el líquido acuoso fluye por gravedad y los extractos son movidos a
contracorriente por inyección de aire.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.6 Extractor de uranio Kerr-McGee
Se muestra esquemáticamente una de las dos etapas de despojo a contracorriente
en la figura 4.7, en que el extracto portador de uranio es liberado de su contenido de
metal por su contacto con solución acuosa de carbonato sódico.
103
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.7 Despojador de uranio Kerr-McGee.
Los sedimentadores de fondo cónico, se usan de esta manera porque así la pequeña
cantidad de sólidos (hidróxidos de titanio y de hierro) precipitados al efectuar el
despojo, se manejan con mayor facilidad.
Un esquema de un extractor en cascada se muestra en la figura 4.8, se observa el
plano de los extractores de vanadio en esta misma planta. La cascada consta de
cuatro etapas y está encerrada en un tanque de 32 pies de diámetro.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.8 Extractor de vanadio Kerr.McGee
vista de planta.
104
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
En la mayoría de las instalaciones industriales, la eficiencia de etapa pasa el 80 por
ciento y en las plantas más modernas se acerca mucho a 100 por ciento.
4.3.2 Torres de platos perforados
Estas torres de varias etapas a contracorriente, son muy efectivas tanto con respecto
a la capacidad de manejo del líquido como a la eficiencia en la extracción, en
particular para sistemas de baja tensión interfacial que no requiera agitación
mecánica para una buena dispersión. Su efectividad para la transferencia de masa
se deriva de:
1. El mezclado axial de la fase continua está confinado a la región entre los
platos y no se distribuye por toda la torre de etapa a etapa.
2. Las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelen a formar en cada plato,
destruyendo así la tendencia a establecer gradientes de concentración dentro
de las gotas que persisten en toda la altura de la torre.
La figura 4.9 muestra un diseño de torre sencillo, en donde el arreglo general de los
platos y vertederos es muy similar a la torre de contacto gas-líquido, a excepción de
que no se requiere de derramaderos.
Esta figura muestra el arreglo para el líquido ligero disperso. Los líquidos ligeros
pasan a través de las perforaciones y las burbujas ascienden a través de la fase
continua pesada y coalescen en una capa, que se acumula en cada plato. El líquido
pesado fluye a través de cada plato a través de las gotas ascendentes y pasa a
través de los vertederos hacia el plato inferior. Si se voltea la torre de cabeza, los
vertederos se convierten en tuberías de ascenso, que llevan el líquido ligero de plato
en plato, mientras que el líquido pesado fluye a través de las perforaciones y se
dispersa en gotas. Como alternativa, puede dispersarse el líquido pesado en una
parte de la torre y el líquido ligero en la otra, mientras que la interface principal se
mantiene en el centro de la torre. Los platos de flujo transversal de la figura 4.9 son
adecuados para diámetros relativamente pequeños de la torre (aproximadamente
hasta 2 metros). Para torres mayores se puede colocar vertederos múltiples a
intervalos a través del plato
105
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia
de Masa.
Figura 4.9 Torre de Extracción de platos
perforados, re arreglada para el líquido
ligero disperso.
En la figura 4.10 se muestra otro tipo de torre de extracción, esta consta de una serie
de agitadores de paletas montados con un eje giratorio central que proporcionan la
agitación para ambas fases. Cada agitador está 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. Este aparato, es en
esencia, una serie de mezcladores-sedimentadores, uno encima del otro.
106
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia
de Masa.
Figura 4.10 Torre de extracción con
agitación.
4.4 Contacto continuo a contracorriente
En vez de poner en contacto la solución cuyos componentes van a extraerse y el
disolvente de extracción en etapas separadas, con sedimentación intermedia,
también es posible hacer fluir la solución y el disolvente a contracorriente por un
recipiente, por lo general, una torre vertical, en virtud de su diferencia de peso
específico. Así, la solución objeto de extracción fluye hacia abajo, si es la más densa
en las dos fases, por una torre vacía y la llena por completo, mientras el disolvente,
más ligero, es dispersado en forma e riego por el fondo, a fin de que las gotas
asciendan a través del refinado que fluye hacia abajo, para ser sacadas de la
columna por la parte superior. Cualquiera de las dos fases podría ser la fase
dispersa. O, también, se pude disponer en la torre de material de relleno, similar al
que se usa en los procesos de absorción de gases y destilación, o tabiques y
bandejas perforadas, para aumentar la turbulencia o afectar de otro modo las
107
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
propiedades de flujo. La operación es necesariamente continua y al mismo tiempo
las dos fases inmiscibles están en contacto continuo en toda la longitud del aparato.
El área de la sección transversal en aparatos de esta clase depende de las
cantidades de las fases que han de pasar por ella. La altura del aparato influye
directamente en el grado de extracción.
4.4.1 Equipo de extracción para contacto continuo a contracorriente
El equipo en el cual los líquidos insolubles fluyen a contracorriente en continuo
contacto, sin sedimentación periódica ni separación física entre ellos, puede
construirse de manera que contenga el equivalente de tantas etapas como se desee.
También es posible flujo en paralelo o de corrientes concurrentes, pero si se usará
este tipo de flujo los aparatos proporcionarían como máximo el equivalente de una
etapa ideal y caerían en la categoría de mezcladores lineales. Como casi siempre lo
que se desea son efectos de multietapas, la regla general, es por ende, el flujo a
contracorriente.
4.4.1.1 Rasgos característicos generales
Se consigue el flujo a contracorriente de los dos líquidos en contacto en virtud de la
diferencia de sus densidades. Si la fuerza impulsora del flujo es la fuerza de
gravedad, el equipo suele tener la forma de una torre vertical, en la cual el líquido
ligero entra por el fondo y asciende, mientras desciende el líquido denso que entra
por la parte superior. O, también, se puede generara una fuerza centrífuga mayor
haciendo girara rápidamente el extractor, y en este caso la dirección general del flujo
es radial respecto al eje de revolución, el cual puede ser horizontal o vertical.

Área de sección transversal: Es rasgo característico de estos aparatos que, a
diferencia de los mezcladores de flujo en paralelo, para cada velocidad e flujo
de uno de los líquidos hay una velocidad máxima de flujo para el otro,
gobernada por las propiedades del líquido, el diseño de aparato y la fuerza
impulsora, ya sea gravitatoria o centrífuga. Si se intenta sobrepasar la
velocidad máxima del segundo líquido, uno de los líquido será expulsado del
equipo, para entonces se dice ha sido “inundado”. Para una velocidad
108
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
volumétrica de uno de los dos líquidos, como la que podría fijarse por las
necesidades del proceso, el área de sección transversal para el flujo ha de ser
por ello lo suficientemente grande para evitar velocidades que den por
resultado inundación del equipo.

Altura: El tiempo de contacto entre los dos líquidos, el cual para una serie de
velocidades determina la longitud de recorrido de contacto o la altura de una
torre vertical, está gobernado por el grado de extracción y por su velocidad y,
salvo los efectos secundarios de su ampliación de escala, es independiente de
las cantidades de los líquidos que se traten. En algunos casos, según el
diseño del extractor, cierta parte conveniente de la longitud se designa
arbitrariamente como etapa real, y entonces puede caracterizarse el
funcionamiento de aparato en términos de eficiencia de etapa.

Líquidos disperso y continuo: Para formar la superficie líquida interfacial
necesaria para rápida transferencia de masa, uno de los líquidos se extiende
en finas películas o se dispersa en forma de pequeñas gotitas que atraviesan
una fase continua del otro. La fase dispersa puede ser densa o ligera, extracto
o refinado. El ingeniero que hace el proyecto del equipo siempre puede elegir
cuál de los líquidos ha de ser la fase dispersa. Por o regular, es deseable
dispersar el líquido que fluye a mayor velocidad volumétrica, pues, para un
tamaño de gota dado, éste producirá la mayor área interfacial. Sin embargo,
en ocasiones hay consideraciones que deben de tomarse antes de hacer la
elección:
1. Si la razón de velocidades de flujo volumétricas difiere muchísimo de la
unidad, en los aparatos expuestos a retromezcla, será preferible
dispersas e líquido en minoría a fin de reducir al mínimo la retromezcla.
Los extractores expuestos a que se produzca retromezcla son todos
aquellos (como torres de riego, torres con relleno y algunas de las torres
mecánicamente agitadas) que requieren que los dos líquidos fluyan por
distancias relativamente grandes a contracorriente por el mismo camino.
Los
extractores
como
las
torres
de
bandejas
cribosas,
están
relativamente exentos de este problema.
109
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
2. La fase dispersa tiene de ordinario el menor tiempo de retención en el
extractor. Por razones de costo de inventario en almacén y de riesgo de
incendio, puede por ello ser deseable dispersar el líquido más costoso o
el más inflamable.
3. Las velocidades de transferencia de masa son influenciadas por la
dirección de transferencia de masa, al igual que las propiedades de
inundación. Esto puede hacer que sea deseable basar la decisión sobre
cuál de los líquidos sea el refinado y cuál es el extracto en lugar de sobre
cantidades relativas de los dos líquidos.
4. En algunos aparatos, el material de construcción usado puede mojarse
preferencialmente por uno u otro de los líquidos. En estos casos, la
capacidad e flujo y la velocidad de transferencia de masa podrían
alterarse según que el líquido, que moja al material sea la fase dispersa
o la fase continua.
4.4.1.2 Clasificación del equipo
E l equipo para contacto continuo puede clasificarse de la siguiente manera, que en
general se basan en la creciente complejidad de la construcción interior.
1. Extractores que funcionan por gravedad
a. Sin piezas móviles que funcionen mecánicamente
i. Torres de paredes mojadas y tipos similares
ii. Torres de riego
iii. Torres con tabiques
iv. Torres con relleno
v. Torres de placas perforadas (placas cribosas)
b. Extractores agitados mecánicamente
i. Torres con agitador rotatorio
ii. Torres de pulsación
1. Contenido líquido pulsado hidráulicamente
2. De placas con movimiento alternativo
2. Extractores centrífugos.
110
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
4.4.1.3 Torres de paredes mojadas y aparatos similares
En las torres de paredes mojadas se deja fluir por el interior de un estrecho tubo
circular vertical una fina película de un líquido (por lo general el más denso) y se
mantiene en un núcleo central un flujo a contracorriente del otro líquido. Una variante
de la torre de paredes mojadas es una torre en la cual un líquido fluye por una
columna vertical de discos cementados mutuamente por los bordes. La operación en
este tipo de aparatos es muy difícil de efectuar porque la película líquida tiene
tendencia a separarse de la pared y de hecho no ha tenido ninguna aplicación
práctica. Otro aparato para el mismo fin es un tubo horizontal en el que el líquido más
denso se halla confinado en la mitad inferior y el más ligero en la superior.
4.4.1.4 Torres de riego
Las torres de riego son los extractores más simples de todos los que suponen
dispersión de uno de los líquidos, y, como se muestra esquemáticamente en la figura
4.11, son cascos vacios provistos de medios para la introducción de los líquidos y
para la salida de los mismos.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.11 Torres de riego.
111
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Al no haber estructura interior en toda la parte activa de la torre (entre los
distribuidores de los líquidos), la fase continua tiene relativa libertad para circular de
arriba abajo (mezcla axial) y ello conduce a velocidades de extracción reducidas, por
destrucción de las diferencias de concentración en la verdadera contracorriente de
los líquidos. La situación se agrava por el aumento de la razón diámetro/longitud, de
modo que aún con torres de unas pulgadas de diámetro es muy difícil obtener más
que unas cuantas unidades de transferencia.
La falta de estructura interior hace que estas torres puedan adaptarse para el
tratamiento de líquidos que contengan sólidos en suspensión.
4.4.1.5 Torres con tabiques
Las torres con tabiques son cascos cilíndricos que contienen tabiques o pantallas
horizontales para dirigir el flujo de los líquidos. Los diseños más simples se
representan en la figura 4.12. En otra disposición se usan tabiques de “disco y
rosco”, que son anillos (rosco) alternantes, unidos al casco de la torre, y discos
circulares centrados apoyados en barras verticales o en brazos que se prolongan
hasta el casco. Por lo general, el espaciamiento entre los tabiques es de 4 a 6
pulgadas.
La finalidad de los tabiques es principalmente reducir la circulación vertical a la cual
está expuesta la torre vacía y procurar tiempo de residencia algo más largo para la
fase dispersa. La frecuente coalescencia y redispersión de uno de los líquidos
también contribuye a transferencia de masa más rápida.
Las torres con tabiques se vienen usando hace muchos años, en particular para la
extracción de ácido acético del líquido piroleñoso y de soluciones usadas para la
manufactura del rayón de acetato de celulosa, y en menor medida en algunos de los
procesos de refinación del petróleo.
112
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.12 Torres con tabiques: (a) flujo de lado a
lado; (b) flujo de centro a centro; (c) flujo de centro a
lado.
4.4.1.6 Torres con relleno
El casco de la torre de extracción provisto de material de relleno reduce la mezcla
axial y tuerce el curso de las gotitas del líquido disperso, lo cual promueve altas
velocidades de transferencia de masa.
La mayoría de las instalaciones usan los rellenos ordinarios destinados al contacto
gas-líquido, como anillos de Raschig, Lessing y Pall y albardillas de Berl y de Intalox,
echados al azar en la torre. En algunas de las antiguas plantas de subproductos de
coque se han usado vallas de madera, pero esta clase de relleno se considera muy
113
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
anticuada. En época reciente se han usado rellenos regulares de listonería de metal
desplegado. La presencia de rellenos, al reducir el espacio disponible para el flujo del
líquido, da por resultado que estas torres tengan menor capacidad de flujo por unidad
de área de sección transversal que las torres de riego. Además, las torres son
inadecuadas para líquidos que contienen sólidos en suspensión. No obstante, como
es posible construirlas de modo que contengan le equivalente de muchas etapas,
tienen aplicación en casi todos los tipos de procesos de extracción comercial.
El uso de rellenos de fabricación estándar requiere prestar atención a algunos
pormenores para tener éxito. Es sumamente importante escoger el relleno de un
material que se moje con preferencia por el líquido continuo, para tener la seguridad
que las gotas del líquido disperso no se conglutinarán seriamente en el volumen del
relleno. Si éste se moja preferentemente por la fase dispersa, este líquido recorrerá
la superficie del relleno a modo de riachuelos y presentará tan poca superficie líquida
interfacial que se reducirá seriamente la velocidad de extracción. Los rellenos de loza
y porcelana se mojan siempre por líquidos acuosos. El mojado relativo de rellenos de
metal es difícil de predecir, y si se usan estos rellenos, conviene hacer un ensayo
preliminar.
Para tener la plena seguridad que se ha logrado la justa densidad de relleno y la
disposición al azar, con un mínimo de “efecto de pared” y de canalización el líquido,
las piezas de relleno al azar no han de ser mayores cada una que 1/8 del diámetro
de la torre. El relleno que se echa al azar, en particular si es frágil, se suele introducir
en la torre después de llenarla primero con agua, para reducir roturas. El relleno
introducido de esta manera se posará con el uso y así se alterará el porcentaje de
huecos. Se puede lograr que esta sedimentación sea relativamente rápida pasando
bruscamente una corriente de aire ascendente por la torre empacada, con los huecos
llenos de agua.
En la figura 4.13 se muestra como se dispersa el líquido ligero en una torre
empacada; donde el relleno debe extenderse por debajo del distribuidor de la fase
dispersa; el relleno puede ir sostenido en una rejilla de barras metálicas espaciadas
lo más distantes que sea posible. Es costumbre disponer la distribución de los
114
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
líquidos a intervalos de 10 a 15 pies en torres altas, para evitar excesiva retromezcla
y canalización de los líquidos.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.13 Soporte de relleno intermedio para el líquido ligero
disperso.
En esta figura se puede observar como el líquido denso continuo denso atraviesa la
placa de soporte por tubos de bajada, mientras el líquido disperso ligero se acumula
bajo la placa y vuelve a ser dispersado en la sección empaquetada superior.
4.4.1.7 Torres de placas perforadas (bandejas cribosas)
En la torre de placas perforadas, se dispersa uno de los líquidos repetidamente y se
hace coalescer, lo que causará su flujo por una serie de bandejas en las cuales se
han hecho, por taladro o por punzón, pequeños agujeros en gran número. La
velocidad de extracción aumenta por la dispersión repetida, básicamente una
multiplicación de los efectos terminales, quizá la ventaja más notable que ofrece está
construcción es la de la eliminación de la retromezcla vertical.
En las torres más antiguas y sencillas, las placas eran similares a los tabiques
colocados para flujo de lado a lado en una torre de tabiques, con la única diferencia
de que estaban perforadas. Sin embargo, en los diseños modernos se han procurado
algunos medios más positivos para el paso del líquido continuo de una bandeja a
otra. En la figura 4.14 se muestra una torre dispuesta para dispersión de líquido
ligero.
115
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.14 Extractor de placas perforadas
dispuesto para dispersión de líquido
ligero.
La fase continua fluye por placas perforadas horizontales y de placa a placa por
medio de los conductos descendentes, de sección transversal segmentada,
dispuestos para este objeto. Las placas verticales que forman los conductos
descendentes se prolongan a suficiente distancia para entrar y terminar en la capa
de líquido continuo en la placa perforada. La fase dispersa se reúne en las bandejas,
en capas conglutinadas, y burbujea por las perforaciones de la placa. Como se
puede observar en la figura, la fase dispersa es el líquido ligero, pero podría
dispersarse de igual forma el líquido denso por inversión de la torre. O también
puede dispersarse el líquido ligero por una parte de la torre, y el denso en otra parte,
por disposición adecuada de los conductos descendientes.
116
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Torres de este diseño general se usan mucho, en particular en las industrias de
refinación del petróleo y petroquímica, y se han construido de gran diámetro, por lo
menos de 12 pies (3.60m).
Hay cientos de variantes del diseño básico; la modificación obvia para bandejas de
gran diámetro es disponer la torre para flujo del centro a los lados y de los lados al
centro de la fase continua en bandejas alternantes, como en el diseño común de
bandejas en que se divide el flujo en torres de destilación.
En la disposición de la figura 4.15 se puede observar el diseño de una bandeja
perforada, donde se ha procurado una desviación especial para que la nata que se
acumula en la interfase pase por la bandeja, aunque de esto resulte una pérdida de
la eficiencia de la misma.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.15 Diseño de bandeja
perforada.
117
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
O, también, se pueden disponer llaves en el casco de la torre, entre las bandejas,
para extraer periódicamente la nata.
También es común dispersar o dos líquidos en la bandeja, y en la figura 4.16 se
observa como puede lograrse esto. Algunas bandejas que han sido construidas en
tamaños muy grandes, se lleva la fase continua desde un espacio entre las bandejas
al siguiente por multiplicidad de tubos dispuestos sobre la sección transversal de la
placa, en lugar de utilizar solo un conducto de descenso y flujo transversal para el
líquido continuo. Además, los tubos se prolongan a través de la placa y no quedan al
ras de la superficie.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.16 Placas perforadas dispuestas para
dispersión de los dos líquidos.
Es práctica común colocar el relleno ordinario de la torre en los conductos de
descenso a fin de que los trozos de relleno actúen como conglutinadores para la fase
dispersa arrastrada.
118
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Las placas dispuestas verticalmente, en general, no han tenido mucho éxito, porque
no se dispone de la altura necesaria para proyectar los chorros de líquido disperso
horizontalmente a través de las perforaciones hasta una distancia suficiente. Sin
embargo, la torre de Koch de placas verticales, que se aprecia en la figura 4.17, se
aplica con buen resultado al refino del petróleo y otros procesos.
Fuente: Treybal Extracción en
Fase Líquida.
Figura 4.17 Torre de Koch.
En una bandeja característica, el líquido denso fluye en sentido descendente por los
conductos descendentes en a y por las aberturas en b. El líquido ligero ascendente
entra por las aberturas en c y pasa por los espacios en d, de modo que barre el
líquido denso a lo largo de las placas verticales en e. El líquido denso es dispersado
varias veces por la multiplicidad de placas verticales perforadas. La separación y
coalescencia finales ocurren en el conducto descendente de salida f.
119
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
4.4.1.8 Extractores anulares rotatorios
Los extractores anulares rotatorios, constan de un cilindro exterior estacionario,
dentro del cual gira un cilindro concéntrico, como se puede apreciar en la figura 4.18.
Fuente: Treybal Extracción en Fase
Líquida.
Figura 4.18 Extractor anular rotatorio.
El contacto líquido-líquido ocurre en el espacio anular entre los dos. Este es
probablemente el tipo más simple de los extractores agitados mecánicamente y ha
despertado interés en el campo de los procesos con energía atómica por su sencillez
y porque promete corto tiempo de residencia por etapa. Esto es necesario para la
extracción de soluciones muy radioactivas, ya que reduce al mínimo el daño al
disolvente. Hasta ahora no se encuentra registro de alguna instalación de este tipo a
gran escala.
120
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
En un aparato de esta índole, por encima de una velocidad crítica del rotor, el flujo
líquido se caracteriza por la formación de vórtices con ejes tragenciales al cilindro
rotatorio y en ángulo recto con su eje. Un líquido inmiscible en otro y disperso en el,
se incorpora a los vórtices y se rompe en gotitas a velocidades del rotor por encima
de la crítica, pero no lo haría si las paredes del espacio anular no se mojan
preferencialmente por la fase continua.
4.4.1.9 Extractores de disco rotatorio
Este extractor fue inventado en Holanda y se puede apreciar en la figura 4.19.
Fijados al casco de la torre hay varios “anillos estatores” horizontales, tabiques en
forma de anillos que dividen al extractor en varios pequeños compartimientos. Una
serie de discos planos, dispuestos en un eje central en cada compartimiento, giran
para proporcionar la agitación mecánica. El diámetro de los discos es menor que el
de las aberturas de los anillos del estator.
Fuente: Treybal Extracción en
Fase Líquida.
Figura 4.19 Extractor de
contacto de discos
rotatorios.
121
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Como se muestra en la figura, el líquido es el que se dispersa y la principal interfase
líquido-líquido está en la parte superior, pero también puede dispersarse el líquido
denso. Usados en su origen para la extracción de furfural de aceites lubricantes del
petróleo, los extractores de discos rotatorios se aplican hoy extensamente en casi
todos los procesos de extracción de la industria petrolera, entre ellos el desasfaltado
de propano y el desulfurado o endulzamiento de nafta, al igual que en la industria de
subproductos del coque, de alimentos, separación de metales e industrias químicas
orgánicas. Las torres a escala de laboratorio son de 4 a 6 pulgadas de diámetro; el
de la torre industrial más grande es de 10 pies (3m).
4.4.1.10 Extractores mixco (lightnin cmcontactor) y similares
Este extractor es conocido también con el nombre de Oldshue-Rushton, nombre de
los autores que lo usaron primero. Se muestra esquemáticamente en la figura 4.20.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura IV.20 Extractor mixco Lightnin
CMContactor.
122
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Consta de varios compartimientos formados por tabiques de anillo de estator, cada
uno provisto de cuatro tabiques verticales y un impulsor de turbinas de paletas
planas colocado en el eje. En lo fundamental, es una ampliación del recipiente con
tabiques agitado simple. El aparato se usa como recipiente para contacto a
contracorriente en multicompartimientos, y para operaciones en que intervienen
papilas sólido-líquido
y gases. Aunque se ha aplicado en la industria, los datos
disponibles están restringidos a torres de pequeños diámetros.
4.4.1.11 Extractores scheibel
Existen dos diseños de este tipo de extractores. El más antiguo es una de las
primeras torres de extracción mecánicamente agitadas, muy aceptada, consta de
compartimientos alternos agitados con impulsores situados en el centro, con los otros
compartimientos llenos de una tela metálica de tejido abierto, con 97 a 98 por ciento
de huecos, del tipo usado para los desempañadores en el arrastre gas-líquido. La
altura relativa de las secciones de relleno y la mezcla puede variarse según las
circunstancias. Una representación esquemática de este tipo de extractor se muestra
en a figura 4.21.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.21 Antiguo extractor de Scheibel.
123
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Aunque el extractor se ha usado mucho, se dispone de relativamente pocos datos
para los tamaños mayores.
El diseño moderno es el que ahora se usa exclusivamente para torres de tamaño
mayor a un pie de diámetro. En esta disposición, tabiques de forma anular, sujetos
por tirantes, están dispuestos directamente por encima y por debajo del impulsor, y
anillos de estator unidos al casco forman compartimientos de poca profundidad. Todo
esto se puede observar en la figura 4.22.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.22 Extractor de Scheibel moderno.
Con sistemas de tensión interfacial y viscosidades bajas y con diámetros de menos
de tres pies, las secciones agitadas mostradas en la figura pueden alternar con
secciones llenas de tela metálica de tejido abierto. Con sistemas de tensión
interfacial y viscosidades altas, la disposición mostrada es la más económica.
Cualquiera de las disposiciones se construyen en diámetros mayores de tres
pulgadas y en trabajo industrial se encuentran torres hasta de siete pies de diámetro.
4.4.1.12 Extractores de pulsación
En los extractores de pulsación se aplica al contenido líquido un movimiento
alternativo de amplitud relativamente corta. Los principios generales se deben a Van
Dijck, quien describió dos métodos para lograr su objeto. Uno suponía el uso de
placas perforadas horizontales que se movían hacia arriba y hacia abajo
124
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
mecánicamente mientras los líquidos pasaban por el extractor. El otro suponía el
mantenimiento de la estructura interior del extractor en reposo mientras los líquidos
eran “pulsados” por un mecanismo externo, cuyo movimiento era transmitido a los
líquidos hidráulicamente. Poco se ha hecho con a primera propuesta de Van Dijck,
sin embargo, la segunda se ha explotado extensamente en la extracción de metales
de soluciones radioactivas procedentes de operaciones en el campo de la energía
atómica. Aquí, es necesaria agitación mecánica, para reducir alturas excesivas del
extractor a fin de reducir, a su vez, el costo de pantallas masivas para protección
contra la radioactividad. Al mismo tiempo, las piezas móviles, como cojinetes, cajas
de empaquetadura, etc., que están sujetas a desgaste mecánico y corrosión, han de
evitarse en dichas operaciones, pues en la mayoría de los casos es imposible su
mantenimiento. La aplicación práctica está restringida a procesos de energía
atómica, probablemente por las necesidades de energía relativamente altas.
Existen dos categorías de extractores pulsados hidráulicamente:
1. Los corrientes (esto es, de riego, con relleno, de placas perforadas, etc.), e
los cuales la pulsación es impuesta.
2. Un diseño especial de placas cribosas que es único para columnas
pulsadas.

Medios de impulsión: El mecanismo de impulsión se muestra en la figura 4.23
don se puede mostrar la forma más obvia en a, y podría consistir en una
bomba recíproca ordinaria de la cual han sido eliminadas las válvulas de
retención, o un aparato similar fabricado especialmente para este objeto. Esta
simple disposición permite fácil ajuste de la amplitud de la pulsación, por el
ajuste de la carrera del émbolo de la bomba y de la frecuencia mediante una
caja de transmisión. Ahora, en b, se puede ver que un fuelle de metal o de
plástico (que puede ser también un diafragma flexible) se mueve con
movimiento recíproco mecánicamente, hidráulicamente e incluso por un
transductor
electrónico.
La
duración
del
fuelle
de
metal impulsado
hidráulicamente puede ser hasta de 30 millones de ciclos o más. Este aparato
125
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
puede unirse directamente al extractor, como se muestra, o por un tubo de
conexión, como se observa en a.
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.23 Aparatos para pulsación.
El impulsor en c, con una capa de aire interpuesta entre el líquido y el impulsor, no
tiene le inconveniente de que el mecanismo de pulsación esté en contacto directo
con lo que pudiera ser un líquido muy corrosivo, pero, en cambio, no permite
regulación tan positiva de la amplitud del movimiento del líquido y consume mayor
cantidad de energía. La mayoría de los pulsadores se construyen de manera que den
formas sinusoidales de la onda de pulsación, pero también se usan otras formas de
onda, como dentada y cuadrada.

Extractores de placas cribosas con pulsación
Consta de una torre de placas cribosas horizontales que ocupan toda la sección
transversal de la torre, sin conductos descendentes, como en los extractores de
placas perforadas ordinarios. Los extractores en gran escala suelen tener agujeros
de 1/8 a 1/4 de pulgada con un espaciamiento de 2 pulgadas entre las placas. El
área de los agujeros representa de 20 a 25 por ciento de la sección transversal de la
torre. Una representación gráfica se puede observar en la figura 4.24.
126
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase
Líquida.
Figura 4.24 Extractor de placas
cribosas pulsado.
La frecuencia de pulsación podría estar en el intervalo de 30 a 250 por minuto, con
amplitudes de 1/4 a 1 pulgada, con preferencia por la segunda cuando el
espaciamiento entre las placas es de 2 pulgadas. Columnas de este diseño pueden
tratar también papillas de sólidos finamente molidos en suspensión en líquidos.
Aunque estos extractores suelen usarse en posición vertical, un extractor dispuesto
horizontalmente tiene muchas ventajas. Uno de esta clase, con una construcción de
placas cribosas modificada tiene propiedades de transferencia de masa igual de
buenas que la disposición vertical.
127
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
4.4.1.13 Extractores centrífugos
Las pequeñas diferencias de densidad, características de los líquidos que se tratan
en operaciones de extracción se traducen en pequeñas cantidades de energía
disponibles para dispersión, y, como se ha demostrado, se usa como complemento
la agitación mecánica. En los extractores ordinarios se mantiene el flujo a
contracorriente por la fuerza de gravedad que actúa en virtud de a diferencia de
densidad y, por consiguiente, son imposibles grandes velocidades de los líquidos. La
sustitución de la fuerza de gravedad por una fuerza centrífuga grande, varios miles
de tantos mayor que la primera, creada por máquinas que giran rápidamente, hace
posible, altas velocidades y volúmenes pequeños del extractor en correspondencia.
Los pequeños volúmenes del extractor con altas capacidades de flujo que ofrecen los
extractores centrífugos se traducen en otras ventajas además del ahorro de espacio.
El inventario de disolvente caro almacenado se reduce materialmente; los procesos
de extracción continua llegan con rapidez a estado constante, con relativamente
poco tratamiento del refinado para llevarlo a sus especificaciones finales; en varios
casos, como por ejemplo, en la extracción de antibióticos, las condiciones en que
ocurre la extracción (pH bajo) pueden acarrear destrucción química del producto u
por ello son esenciales tiempos de residencia cortos. Para este servicio no se conoce
ningún aparato que pueda sustituir satisfactoriamente al extractor centrífugo. Entre
sus inconvenientes se cuentan sus costos iniciales, de operación y de mantenimiento
de maquinaria de alta calidad, que han de mantenerse a niveles de competencia
para que los extractores centrífugos puedan competir con los extractores ordinarios
en procesos corrientes.

Extractores de Podbienlniak
Son los más importantes de esta categoría y se puede apreciar en la figura 4.25. La
rotación es un torno de un eje horizontal. El cuerpo del extractor es un tambor
cilíndrico, cuya construcción interior puede variar considerablemente.
128
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura 4.25 Extractor centrífugo de Podbielniak.
En los primeros modelos, el tambor llevaba un pasaje de sección transversal
rectangular y arrollado en un espiral de treinta y tantas vuelas por la cual, los
líquidos, se deslizan como dos serpientes a contracorriente. Los últimos modelos
constan de cilindros concéntricos, perforados por agujeros o hendiduras que sirven
para el paso de ambos líquidos, pero la construcción interior está diseñada para el
servicio que ha de prestar la máquina. Los líquidos son introducidos por el eje
rotatorio, con ayuda de cierres mecánicos; el líquido ligero es conducido
internamente a la periferia del tambor y el líquido denso al eje del tambor. La rotación
rápida (hasta de varios miles de r.p.m., según el diámetro) causa contraflujo radial de
los líquidos, que por último salen por el eje. Por la gran fuerza centrífuga, las
presiones pueden ser considerables: de 20 a 175 lb/pulgada 2.
Las máquinas se caracterizan por la retención total extremadamente baja de los
líquidos. Esta característica en estos extractores condujo a su pronto uso en
procesos farmacéuticos, en particular en la extracción de penicilina, bacitracina,
cloromicetina y otros antibióticos. Después, hallaron uso en casi todos los procesos
de extracción, como por ejemplo, refino de aceites vegetales, desfenolización de los
líquidos amoniacales de la industria de subproductos de coque, los diversos
129
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
procesos de refino de petróleo y recuperación de uranio de los líquidos de lixiviación
de sus minerales. También puede tratarse sólidos finamente divididos presentes en
uno de los líquidos.
Con una máquina dada, el número de etapas ideales variará considerablemente
según el sistema químico y las condiciones de operación, y como las máquinas de
tamaño industrial por lo general se diseñan individualmente, el número de etapas
varía con la máquina. En la industria farmacéutica, en que los diagramas de flujo y
los productos cambian rápidamente, máquinas de un diseño fijo pueden conectarse
en paralelo (para aumentar la capacidad de flujo) o en serie (para obtener más
etapas) a fin de ajustarse a los cambios en los procesos.
4.5 Extracción fraccionada
La extracción a contracorriente con un solo disolvente adecuado es adecuada si se
desea separar dos solutos extraíbles de una solución, pero si sus coeficientes de
distribución no son lo suficientemente grandes, será imposible una gran separación
de los solutos. Pero existe una técnica que se denomina extracción con doble
disolvente o fraccionada, que se utiliza para extracciones líquido-líquido complejas,
con esta técnica se puede lograr cierta separación siempre y cuando sus coeficientes
de distribución sean diferentes. Este método es el medio de separación más
poderoso en extracción. Para esta separación, se muestra el diagrama de flujo más
sencillo en la figura 4.26.
Aquí, la alimentación que está constituida por los solutos B y C, se introducen en una
cascada a contracorriente, en donde los disolventes A y D parcialmente solubles
fluyen a contracorriente. Los dos solutos se distribuyen entre los disolventes, en la
etapa de alimentación; el soluto B favorece al disolvente A, y el soluto C al disolvente
D. En la sección que se encuentra del lado izquierdo de la etapa de alimentación, el
disolvente A extrae preferentemente a B de D; D sale de esta sección con un
contenido de soluto rico en C. En la sección que se encuentra a la derecha de la
alimentación, el disolvente D extrae preferentemente a C de A; A sale con un
contenido en soluto rico en B.
130
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: Treybal Operaciones de Transferencia de Masa.
Figura 4.26 Extracción Fraccionada.
Esta operación se considera en su forma más sencilla, en la que los disolventes A y
D son básicamente inmiscibles y entran libres de soluto; por su parte, los solutos B y
C se distribuyen independientemente, esto quiere decir que la distribución de cada
uno no se modifica por la presencia del otro.
Un ejemplo comercial que se puede expresar acerca de este tipo de extracción, es el
proceso Duo-Sol, el cual ha sido desarrollado para refinar aceites lubricantes. En
este proceso los dos disolventes son propano líquido y Selecto, que es una mezcla
de 40% de fenol y 60% de ácidos cresílicos. El aceite lubricante a refinar se introduce
por la zona media de la cascada. Los compuestos cíclicos no deseados se disuelven
preferentemente en el propano mientras mientras que las sustancias no deseadas
como los asfaltos, policíclicos aromáticos y colorantes van a parar a la parte ácida
fenol-cresílico.
Otro ejemplo de proceso de extracción fraccionada, es el de la separación de etanol
y acetona, y se puede apreciar en la figura 4.27.
131
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE
Fuente: King; Procesos de Separación.
Figura 4.27 Ejemplo de extracción fraccionada.
132
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONCLUSIÓN
CONCLUSIONES
El estudio de la transferencia de masa, particularmente de la extracción líquida es de
suma importancia debido a que permite resolver los problemas industriales
relacionados con la purificación de materias primas o la separación de productos y
subproductos finales de cualquier proceso. Una de las grandes ventajas de este
proceso que se puede mencionar es que los componentes principales de las dos
fases son muy distintos químicamente, este es el motivo por el cual son posibles las
separaciones de acuerdo con el tipo químico.
Se han mencionado a lo largo de este trabajo las numerosas ventajas y virtudes que
ofrece este tipo de extracción en comparación con otros métodos, pero también
dentro de este tipo de transferencia se encuentran diversas maneras de llevarlo a
cabo, lo que corresponde a los tipos de contacto que existen y que se estudiaron
anteriormente. Es notable que dentro de estos tipos de contacto existan diferencias y
particularidades que los hagan más, o menos apropiados para diferentes fines dentro
de la industria dependiendo de lo que se desea obtener. Pero sin lugar a duda hay
factores tan importantes que son compartidos por todos independientemente del tipo
de industria o proceso que se vaya a realizar mediante este tipo de transferencia,
como son, mantener un costo razonable en cuanto a diseño, instalación,
mantenimiento y operación del equipo de extracción; una separación ideal para
obtener calidad en los productos.
Es por ello que después de analizar las ventajas y desventajas de cada tipo de
contacto se encuentra que el que ofrece más aportaciones positivas en los aspectos
antes mencionados es el contacto con flujo a contracorriente, a continuación se
mencionan los puntos clave que la hacen ser la mejor opción a comparación de los
otros tipos de contacto:

Para cierto grado de separación, este tipo de operación requiere menos
etapas para una cantidad dada de disolvente, o menos disolvente para un
número fijo de etapas que los métodos a corriente cruzada.

Opera con pequeñas diferencias de densidad entre las fases.
133
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONCLUSIÓN

Bajo volumen de retención.

Costo razonable.

Buena dispersión.

Cambio de escala relativamente fácil.

Corto tiempo de retención.

Baja carga de disolvente.
A continuación se puede observar en la siguiente tabla la comparación entre los tres
tipos de contacto principales con las características indispensables a considerar para
poder llevar a cabo un proceso.
Tabla comparativa de los tipos de contacto en la extracción líquido-líquido
CARACTERISTICAS
TIPOS DE
Carga de
Volumen
Tiempo
CONTACTO
disolvente
de
de
retención
retención
Alto
Alto
Alto
Mala
Alto
Elevado
Medio
Medio
Medio
Media
Alto
Razonable
Dispersión
Disponibilidad
Costo
de etapas
Contacto en una
sola etapa
Contacto
múltiple a
corriente
cruzada
Contacto
múltiple a
contracorriente
Alto pero en
Baja
Bajo
Corto
Buena
una sola
Bajo
unidad
La industria moderna demanda equipos que cumplan con una serie innumerable de
requisitos, si bien existen modelos que aún son solo prototipos a escala de
laboratorio no se debe de dejar el estudio y la investigación para poder cumplir con
134
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
CONCLUSIÓN
los estándares que se requieren para hacer los procesos más eficientes. Seguir
innovando y ver de manera objetiva los beneficios que nos pueden traer ciertos
equipos aunque su costo de inversión sea un poco más elevado a comparación de
otros. Volver un proceso eficiente requiere de muchos análisis, pero lo más
importante es que no se pierda la objetividad y el fin para el que se está trabajando.
135
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
BIBLIOGRAFIA
BIBLIOGRAFIA
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TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
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137
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
ANEXOS
138
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
ANEXO A
FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE CONTACTO CONTINUO
Existe un gran número de variables que modifican la rapidez de la extracción, es por
ello que no se cuenta con una correlación satisfactoria de datos. Para el diseño de
nuevos extractores es esencial que los experimentos en plantas piloto se lleven a
cabo en condiciones lo más similares posibles a las previstas por equipo a mayor
escala. Es por eso que el análisis que a continuación se presenta se limita a una
breve consideración de las variables más importantes, pero no se presentaran datos
para el diseño.
La principal dificultad para comprender el funcionamiento del extractor radica en el
gran número de variables que influyen sobre este funcionamiento. Al menos, lo
modifican las siguientes variables:
1. El sistema líquido
a. Identidad química y propiedades físicas correspondientes. En esta
categoría pueden incluirse la presencia o ausencia de agentes
tensoactivos, sólidos finamente divididos y similares.
b. Concentración de soluto, puesto que altera las propiedades físicas.
c. Dirección de la extracción: si es de acuosa a orgánica, o de fase
continua a dispersa.
d. Flujo total de los líquidos.
e. Que líquido es el que se dispersa.
2. El equipo.
a. Diseño, que no incluye solo el diseño general y obvio, como si el
extractor es una torre empacada o agitada mecánicamente si no
también los detalles como el tamaño y a forma del empaque, el
rearreglo de los baffles y similares.
b. Naturaleza y extensión de la agitación mecánica, ya sea giratoria o
pulsante, rápida o lenta.
c. Los materiales de construcción que influyen sobre el humedecimiento
relativo por los líquidos.
139
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
d. Altura del extractor y los efectos terminales.
e. Diámetro del extractor y extensión del mezclado axial.
140
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
ANEXO B
ALGUNOS ASPECTOS ECONÓMICOS DE LA EXTRACCIÓN
El proyecto económico completo de una planta química en el cual han de incluirse
proceso de extracción es demasiado amplio, pero, una vez resueltos los problemas
mayores de idoneidad del proyecto, provecho y riesgo del mismo, lo que a menudo
puede hacerse son los costos en números redondos, con frecuencia se puede
emprender de manera independiente el diseño pormenorizado de los componentes e
la planta para establecer las condiciones óptimas. Aquí solo se consideraran los
aspectos relacionados con procesos de extracción y extractores, y como en sí
pueden llegar a ser muy complejas, solo será posible tratar algunas de ellas. En la
mayoría de los casos, la determinación de todas las condiciones y factores del
proyecto que dan como resultado una planta de extracción óptima, requerirán una
muy larga serie de cálculos de diseño y de costos. Sin embargo, a menudo, a base
de unas cuantas suposiciones razonables, se puede llegar con relativa rapidez a las
condiciones
óptimas
aproximadas.
El
análisis
pormenorizado,
solo
será
imprescindible en unos cuantos casos una vez logradas las condiciones
aproximadas.
EXTRACCIÓN PARA RECUPERACIÓN DE UN SOLUTO
Uno de los problemas que surgen más a menudo es el proyecto de un proceso de
extracción para recuperar un soluto de una solución. Usualmente se hace conforme a
un diagrama de flujo, como el que aparece en la figura A2.1 en su representación
más simple.
141
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
Fuente: Treybal Extracción en Fase Líquida.
Figura A2.1 Diagrama de flujo generalizado: extracción para
recuperación del soluto.
A fin de simplificar, se restringe la discusión al caso en que no se usa reflujo de
extracto al extractor, como con las combinaciones de disolvente y solución de
alimentación relativamente insolubles entre sí. Entre las decisiones a tomar que
influyen de manera notable en el costo de esta operación figuran las dos siguientes:
a) Elección del disolvente
b) El tipo de extractor, mezclador sedimentador, torre empacada, etc., que habrá
de usarse.
Si se pretendiera tratar estas cuestiones simultáneamente con las que siguen, el
problema sería demasiado complejo para su tratamiento. Es necesario por ello,
procurar al mejor diseño con un disolvente y un tipo de extractor dados y repetir el
análisis para cada disolvente y tipo de extractor nuevos que se desee examinar a fin
de poder llegar a un óptimo total.
Considérese que la naturaleza del disolvente, el tipo de extractor, la velocidad de
flujo de la solución de alimentación y la concentración, CF, de soluto en la solución de
142
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
alimentación están ya determinadas. El costo total anual de extracción del soluto
puede considerarse formado por la suma de seis cantidades:
Donde
CT = costo total anual del proceso de extracción
I = costo anual del extractor de multietapas a contracorriente.
II = valor anual del soluto no recuperado, no extraído.
III = costo anual de recuperación del disolvente del extracto.
IV = costo anual de recuperación del disolvente del refinado.
V = costo anual del disolvente perdido.
VI = costo anual de mano de obra.
Las cantidades que pueden variarse para producir el diseño óptimo, esto es, las
correspondientes al costo total anual mínimo, se enlistan en la tabla A2.1, al lado de
los términos de la ecuación (A2.1) que están bajo la influencia de cada una de ellas.
Tabla A2.1 Cantidades que han de ser óptimas.
Cantidad
1. Proyecto de las etapas del extractor
2. Concentración de soluto en el refinado.
3. Concentración de soluto en el disolvente
que vuelve al ciclo.
4. Razón entre disolvente y solución de
alimentación en el extractor.
5. Concentración de disolvente remanente en
el producto acabado.
6. Concentración de disolvente en el refinado
Partida de costo afectada
I
I, II, III
I, III
I, III, V
III, V
IV, V
143
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
acabado.
7. Cociente de reflujo para recuperación del
disolvente del extracto por destilación, el
número de etapas de despojo si se usa
despojo en la extracción en fase líquida o
III
partida, similar si se usa otro tipo de
operación de recuperación del disolvente.
8. Cociente de reflujo para recuperación del
disolvente de refinado por destilación o
partida similar si se usa otro método de
IV
recuperación de disolvente.
Se considera que el costo de mano de obra anual se mantiene prácticamente
constante, cualquiera que sean los cambios introducidos en las cantidades enlistadas
en la tabla y que por ello puede establecerse en las condiciones óptimas. Como el
valor de la concentración de soluto en el refinado es de ordinario muy pequeño,
incluso para solutos de valor relativamente bajo, para todos los fines prácticos la
cantidad de disolvente en el refinado que sale del extractor está determinada por la
solubilidad del disolvente de extracción en el disolvente de la solución de
alimentación y por ende no está bajo el gobierno del autor del proyecto.
La concentración de disolvente remanente en el producto acabado suele fijarse en
cierto valor óptimo para obtener un producto utilizable y vendible y, en la mayoría de
los casos es muy pequeña. En lo que sigue supondremos que las pérdidas de
disolvente en el producto y en el refinado acabado (esto es, después de la
recuperación del disolvente) son despreciables.
El método formal de reducir al mínimo el costo requiere que cada una de las partidas
variables del costo de la ecuación (.1) esté representada algebraicamente en
términos de las cantidades que han de ser óptimas, que el costo total CT sea
diferenciado parcialmente con respecto a cada una de las cantidades variables y que
144
TIPOS DE CONTACTO EN LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
ANEXOS
las expresiones resultantes se igualen a cero y se resuelvan simultáneamente con
los valores óptimos de las variables. En algunos casos este proceder no es del todo
práctico. Por ejemplo, pudieran imponerse otras limitaciones que el costo, que no
obstante influirán en el proyecto.
En la siguiente lista se mencionan los más importantes supuestos, para poder llegar
al conjunto de expresiones más útil posible:
1. El disolvente de extracción y el de la solución de alimentación son
prácticamente insolubles.
2. El coeficiente de distribución del soluto extraído es constante.
3. El extractor es del tipo de etapas: cascada de mezcadores-sedimentadores o
torre de compartimentos o de placas cuyo funcionamiento puede describirse
lógicamente en términos de eficiencia de etapa.
4. Eficiencia de etapa total constante del extractor.
La pérdida del disolvente en el producto acabado y en el refinado despojado es
despreciable.
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