Teoricas Ind2 - Tp Extraccion

TRABAJO PRACTICO DE EXTRACCION DE LIQUIDOS CON LIQUIDOS

Grupo 2 Valenzuela , Nicolás Asioli, Sebastián Morandi, Hernán Besteiro, Martín Magneres, Julián León, Julieta Aryan, Jeremías Pryce Jones, Patricio Wolluschek, Laura Hasquiry Paiva

73.495 74.286 74.700 72.307 72.909 73.181 72.767 73.678 73.346 73.310

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO INTRODUCCIÓN Los procesos para separar los componentes de una solución que dependen de la distribución desigual de los componentes entre dos líquidos inmiscibles se conoce como proceso de extracción líquido-líquido o extracción de líquidos. El proceso se puede efectuar de muchos modos.En la mayoría de los casos, la solución líquida que se va a tratar se pone en contacto íntimo con un líquido que sea completamente inmiscible, apropiado y que, de preferencia, extraiga uno o dos componentes.Las separaciones de este tipo, son de carácter físico y los componentes no cambian químicamente. La extacción de líquidos, separa primordialmente según los tipos químicos, y por ello puede realizar separaciones que serían imposibles por medio de la destilación. El requisio mínimo para este proceso, es el contacto íntimo de los dos líquidos, para producir la transferencia de masas de constituyentes de un líquido otro. Cualquier dispositivo que realice esto una vez, es una etapa. Si los líquidos efluentes están en equilibrio, la etapa es ideal. El acercamiento al equilibrio que se obtiene en realidad es la eficiencia de la etapa. Una cascada de etapas múltiples, es un grupo de etapas, dispuestas para el flujo en contracorriente, u otro tipo de flujo, con el fin de realizar la amplitud de la separación. La recuperación del solvente se puede realizar por destilación. Ejemplos: La acetona se puede extraer de preferencia de la solución de agua, al ponerla en contacto con cloroformo. También se puede separar una solución de acetona y ácido acético con la utilización de dos líquidos inmiscibles, como agua (extrae el ácido) y cloroformo (extrae la acetona). EQUILIBRIO DE FASES Establecen la cantidad de líquido que se rquieren en el proceso. En el caso más simple, las soluciones tienen tres componentes: las dos que se constituyen de la solución de la alimentación (A y B) y el solvente (S). Solo si el solvente y el componente A son completemente inmiscibles, se podrían utilizar relaciones simples, aplicables a mezclas de dos componentes. Los equilibrios de fase, se suelen representar en una gráfica triangular equilatera (figura 1). Esas gráficas representtan isotermas a una presión suficiente para mantener el sistema totalmente líquido. El más común es el de tipo I. En el cual la región de inmiscibilidad toca sólo un lado del triángulo. Los pares de líquido A-B y B-S son completamente inmiscibles. A y S se disuelven hasta un punto limitado, y para proporcionar las soluciones mutuamente saturadas G y H. La adición de B a esa mezcla tiende a hacer que A y S se vuelvan más solubles. En el punto crítico P, las dos fases se convierten en una. El soluto B se distribuye entre las fases saturadas, proporcionando líquidos en equilibrio,

como los que aparecen en M y N, conectados por una línea de unión. Para éstta, el coeficiente de distribución K se define como: K= XBN XBM

o

K’= xBN xBM

En donde XBN indica fracción de peso y xBN la fracción molar de B en la solución de N. Por lo común las líneas cambian de inclinación enuna dirección. El valor de K (o K’) cambia con la concentración de B, convirtiéndose finalmente en la unidad en el punto crítico. Las soluciones de alimentación se encuentran en la línea A-D; los refinados en la líneea GMP y los extractos en la WZ. Los dos tipos de diagrama más usuales se muestran en la figura 1, que pueden representar en realidad dos aspectos del mismo sistema ternario (efecto por el cambio de temperatura, figura 2). FIGURA 1

a) DIAGRAMA TIPO I FIGURA 2

b)DIAGRAMA TIPO II

DIAGRAMAS DE DISTRIBUCIÓN En la figura 3 se muestra un diagrama típico de distribución a la derecha. La pendiente de una cuerda trazada desde un punto de la curva de distribución dio los cálculos para predecir la variación del coeficiente de distribución con la concentración de B, para los casos que B se asocia o disocia en los dos solventes inmiscibles. FIGURA 3

Además de los sistemas ternarios, existen los sistemas cuaternarios (que se pueden representar por un tetraedro regular isotérmico, en donde los triángulos equiláteros de las caras representan los cuatros sistemas ternarios constituyentes) y en general los sistemas de componentes múltiples que contengan más de cuatro componentes y que no resulta práctico representarlos gráficamente. Entre los sistemas de extracción sse pueden mencionar los de contacto simple, contacto simple de etapas múltiples, contacto de etapas múltiples a contracorriente, contacto diferencial continuo a contracorriente, de etapas múltiples a contracorriente por lotes, a contracorriente con reflujos, con doble solvente, etc. BASES TERMMODINAMICAS DEL EQUILIBRIO LIQUIDO-LIQUIDO En los sistemas ternarios vistos las tres sustancias se encuentran presentes en las dos fases. Para fases en equilibrio, la actividad (a) de cada sustancia tiene que ser la misma en las dos fases. Entonces si las fases son ricas en A y S, respectivamente: aAA= aAS aBA= aBS aSA= aSS en donde aBA = actividad de B en la fase rica en A, etc. Si se pueden expresar las actividades como funciones de las concentraciones, tomando en consideración diferentes datos de equilibrio de líquidos, se podrán predecir los equilibrios. A condición que se consideren muy pequeñas la condiciones de B y que se pueda despreciar la solubilidad de A-S, se puede estimar en forma rápida la distribución inicial de B. Al introducir la definición del coeficiente de actividad de B, γB , la ecuación 2 aplicada a B proporciona el coeficiente de distribución para B: K’= xBS = γBA

xBA γBS en donde γBS = coeficiente de actividad de B en el sistema binario B-S, etc. En este caso, log γBA = ABA y log γBS = ABS (A es la constante de Margules o la de Van Laar). Así: log K’= ABA - ABS PROPIEDADES DESEABLES DE LOS SOLVENTES 1. Selectividad: capacidad de extraer B a partir de una mezcla de A y B en forma preferencial, de modo que la relación de B y A en el extracto, después de retirar el solvente es distinta de la relación de ellos en el refinado. Es una medida numérica del punto hasta el que se ha separado la alimentación F. La selectividad es: β= γAS* γBA γBS*γAA 2. Recuperabilidad: se debe recuperar tanto el extracto como el refinado (habitualmente por destilación). 3. Coeficiente de distribución: el coeficiente de distribución del componente extraido tiene que ser de preferencia grande ya que así se reduce tanto la cantidad de solvente como el número de etapas necesarias para una relación dada de solvente- alimentación. 4. Capacidad: del solvente para disolver el soluto extraido. 5. Solubilidad del solvente: en los sistemas del tipo I, se desea un grado elevado de insolubilidad entre A y S. Esto produce una alta selectividad. 6. Densidad: es escencial una diferencia de densidad entre fases en equilibrio, puesto que en esa forma se ve afectado directamente el flujo de los líquidos en contacto, así también como la separación de los líquidos finales. 7. Tensión interfacial: debe ser grande para la coagulación rápida de gotitas dispersas de líquido. 8. Otras propiedades: baja corrosividad para los materiales de construcción, baja viscosidad para mejores velocidades de transferencia de masas y deposición de dispersiones, no inflamabilidad, baja toxicidad y bajo costo. BIBLIOGRAFIA Perry, Manual del Ingeniero Químico, Sección II, Capítulo 15 2-Corriente directa

Se trabaja con disolvente igualmente distribuido en las unidades. Para calcular el número de contactos teóricos es necesario trabajar sobre el diagrama triangular. Al primer mezclador entra alimentación F= 280 kg/h con 75% de A y resto de B, que se mezcla con disolvente puro C. Recordando la propiedad que tiene el diagrama en mezclas, se puede ver que la mezcla resultante tendrá una composición dentro de la gama que representa la recta FC. Es necesario trazar la recta FC. Aplicando la regla de la palanca en esta mezcla se obtiene: % F= S1C *100 FC

porcentaje en peso de F

Siendo S1 el puntoo representativo de la mezcla final. %F= F = S1C 100 (F+C) (FS1+ S1C) F*(FS1+ S1C)= (F+C)*S1C F*FS1=C*S1C=C*(FC- FS1) Mediante esta ecuación es posible la determinación del punto S1, midiendo previamente en el gráfico FC. FS1= C * FC = 44kg/h * 170mm = 37 mm (F+C) (44+280)kg/h

S1

A la primera unidad teórica entran F y C y salen refinado R1 y extracto E1. R1+ E1= F + C = 44kg/h + 280 kg/h = 324 kg/h

a)

En el decantador DC1 se separan las fases de extracto E1 y refinado R1 según la recta de reparto correspondiente al punto de la mezcla S1. R1E1= 45mm

R1S1= 36mm

Aplicando la regla de la palanca se obtiene: R1* R1S1= E1*S1E1

b)

a) y b) forman un sistema de dos ecuaciones con dos incognitas.

R1 y E1: R1= E1* S1E1/R1S1= [(F+C)- R1]* S1E1/R1S1 R1=(F+ C)* S1E1/(R1S1+S1E1)= (F+C)* S1E1/R1E1 R1=324 kg/h* 8mm/45mm = 57.6 kg/h E1=(F+C)-R1= 324 kg/h- 57.6 kg/h= 266.4 kg/h A la segunda unidad entran el refinado anterior R1 y disolvente C en igual cantidad que el anterior. Siguiendo el mismo procedimiento que la unidad anterior se tiene: Recta R1C R1S2= C*R1C/(R1+C)= 44kg/h * 154mm /( 57.6 kg/h+ 44kg/h) = 66.69 mm R2E2= 131mm

S2

S2E2=40mm

R2+ E2 = R1+ C= 57.6 kg/h + 44 kg/h = 101.6 kg/h R2= (R1+ C)* S2E2/ R2E2= 101.6 kg/h* 40mm / 131mm= 31.02 kg/h E2= 101.6 kg/h- R2= 101.6 kg/h – 31.02 kg/h= 70.58 kg/h A la tercera unidad entran el refinado anterior R2 y disolvente C en igual cantidad que el anterior. Siguiendo el mismo procedimiento que la unidad anterior se tiene: Recta R2C R2S3= C*R2C/(R2+C)= 44kg/h * 165mm/ (31.02 kg/h+ 44kg/h)= 96.77mm R3E3= 165mm

S3

S3E3=58 mm

R3+ E3 = R2+ C= 31.02 kg/h + 44 kg/h = 75.02 kg/h R3= (R2+ C)* S3E3/ R3E3= 75.02 kg/h* 58mm / 165mm= 26.37 kg/h E3= 75.02 kg/h- R3= 75.02 kg/h – 26.37 kg/h= 48.65 kg/h A la cuarta unidad entran el refinado anterior R3 y disolvente C en igual cantidad que el anterior. Se tiene :

Recta R3C R2S4= C*R3C/(R3+C)= 44kg/h * 175mm/ (26.37 kg/h+ 44kg/h)= 109.42mm R4E4= 176mm

S4

S4E4=60 mm

R4+ E4 = R3+ C= 26.37 kg/h + 44 kg/h = 70.37 kg/h R4= (R3+ C)* S4E4/ R4E4= 70.37 kg/h* 60mm / 176mm= 23.98 kg/h E4= 70.37 kg/h- R4= 70.37kg/h – 23.98 kg/h= 46.39 kg/h Conclusiones: La composición de refinado R4 da 4% de A, menor de 10% de A en Rf, por lo cual no es necesaria mayor extracción siendo el número de contactos teóricos necesarios 4 (cuatro), en corriente directa. 3- La cantidad de extracto que se obtiene es la suma de las salientes de cada unidad. Et= E1+ E2+ E3+ E4= 432.02 kg/h La cantidad de refinado total es la que se obtiene de la última unidad. Rt= R4= 23.98 kg/h Se verifica el balance másico global: F+4*C= Et+ Rt 280kg/h +4* 44kg/h = 432.02 kg/h+ 23.98 kg/h 456 kg/h= 456 kg/h 4- Contracorriente

Se trabaja sobre el segundo diagrama triangular. Globalmente entran al sistema F y C y salen Rf y Ef, estos últimos ya definidos por el porcentaje final de A en ellos. Se considera el cálculo globalmente. Para ello se traza la recta FC de unión de entrantes y la recta de reparto RfEf. La intersección de estas rectas da un punto que se va denominar M o punto global de operación.

Aplicando la regla de la palanca a este esquema global se tiene: F* FM= C*MC C=F* FM/ MC= 280kg/h * 47mm/122mm= 107.87 kg/h del gráfico: • FM=47 • MC= 122 • MEf= 32 • EfRf= 166 Se puede ver que la cantidad de disolvente utilizado en contracorriente a igualdad de alimentación es superior al de corriente directa.

5- Siguiendo con la aplicación de la regla de la palanca y el balance de masa global, se tiene: F+C= 387.87 kg/h= Rf + Ef Rf * RfM= Ef * Mef Rf = Ef * MEf/ RfM = (387.87 kg/h- Rf)* MEf/ RfM Rf= 387.87 kg/h* MEf/ RfEf = 387.87 kg/h * 32mm/ 166mm= 74.77 kg/h Ef= 387.87 kg/h – Rf= 387.87kg/h – 74.77 kg/h= 313.10 kg/h