Aprendizaje Basado en Tic 3

OPERACIÓN UNITARIA DE EXTRACCIÓN

Es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla -líquido o sólido- en un disolvente selectivo.  Se hace la distinción entre la extracción sólido-líquido y la extracción líquido-líquido según que la materia a extraer esté en un sólido o en un líquido.  En este último caso el disolvente debe ser inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto.  La extracción sólido-líquido se conoce también como lixiviación o lavado, según la aplicación a la que se la destine.  Si se pretende eliminar un compuesto no deseado de un sólido se habla de lavado, si el compuesto extraido es el valioso se denomina lixiviación.

La extracción líquido-líquido se puede llevar a cabo de distintas formas, normalmente se trabaja en contínuo y cabe distinguir dos modos básicos de contacto: contacto por etapas y contacto contínuo.

EXTRACCIÓN DE LÍQUIDOS

Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción de líquidos es una de las alternativas a considerar. Mezclas con temperaturas de ebullición próximas o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, aun en condiciones de vacío, con frecuencia se separan de las impurezas por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidad. Por ejemplo, la penicilina se recupera del caldo de fermentación por extracción con un solvente, tal como acetato de butilo, después de disminuir el pH para obtener un coeficiente de partición favorable. Uno de los principales usos de la extracción es separar los productos del petróleo que tienen diferente estructura química pero aproximadamente el mismo punto de ebullición. Las fracciones de aceite lubricante (punto de ebullición > 300 °C) se tratan con solventes polares de baja temperatura de ebullición tales como fenol, furfural o metilpirrolidona, para extraer los aromáticos y dejar que el aceite contenga fundamentalmente parafinas y naftenos. 

ESQUEMAS 

EQUIPO DE EXTRACCIÓN

En la extracción líquido-líquido, lo mismo que en la absorción de gases y destilación, es preciso poner en buen contacto dos fases para permitir la transferencia de materia y después separarlas. En la absorción y la destilación, la separación de las fases es fácil y rápida. En la extracción, sin embargo, las dos fases tienen densidades comparables, de forma que la energía disponible para mezcla y separación —si se utiliza flujo por gravedad— es pequeña, mucho menor que en caso de una fase líquida y otra gaseosa. Con frecuencia las dos fases son difíciles de mezclar y todavía más difíciles de separar. Las viscosidades de ambas fases también son relativamente elevadas y las velocidades lineales a través de la mayor parte del equipo de extracción son bajas. En algunos tipos de extractores, por tanto, la energía de mezcla y separación se comunica mecánicamente. 

MEZCLADORES-SEDIMENTADORES

Para la extracción discontinua, el mezclador y el sedimentador pueden ser la misma unidad. Es muy frecuente el uso de un tanque que contiene un agitador de aspas (propulsor) o turbina. Al terminar el ciclo de mezcla, se detiene el agitador y las capas se dejan decantar por gravedad, retirando después el extracto y refinado que se recogen en recipientes separados, sacándolos a través de una línea inferior de descarga provista de una mirilla de vidrio. Los tiempos de mezcla y sedimentación que se requieren para una extracción determinada sólo se obtienen por experimentación; son típicos cinco minutos para mezcla y 10 minutos para sedimentación, pero son frecuentes tiempos mucho mayores y menores.

TORRES DE EXTRACCIÓN EMPACADAS

Los extractores de torre proporcionan contactos diferenciales, no contactos por etapas. Así, la mezcla y la sedimentación ocurren en forma continua y simultánea. La extracción se puede realizar en una torre abierta, con gotas del líquido pesado que caen a través del líquido liviano que se eleva o viceversa; sin embargo, estas torres, llamadas torres de aspersión, rara vez se usan, debido a una acentuada mezcla axial en la fase continua

TORRES DE PLATOS PERFORADOS

La redispersión de las gotas de líquido se puede realizar también por medio de platos perforados

transversales, análogos a los de destilación que se describieron en el capítulo 20. Estas perforaciones en una torre de extracción son de 11 - 2 a 41 - 2 mm de diámetro. El espaciado entre los platos varía de 150 a 600 mm (de 6 a 24 in.). Por lo general el líquido ligero es la fase dispersa y los conductos de descenso permiten el paso de la fase continua de un plato a otro gotas de líquido ligero tienen oportunidad de separarse y ascender hacia el plato superior. Con frecuencia este diseño reduce en forma considerable la cantidad de aceite que el solvente arrastra hacia abajo y aumenta la efectividad del extractor

TORRES DE PLACAS DEFLECTORAS

Estas torres de extracción contienen una serie de placas deflectoras horizontales. El líquido pesado fluye por encima de cada placa y cae a la inferior en cascada; el líquido ligero fluye por debajo de cada placa y se proyecta en forma de rocío hacia arriba desde el borde a través de la fase pesada. Los dispositivos más frecuentes son los de disco y anillos así como los de placas segmentadas, que van de un lado a otro. En ambos tipos el espaciado entre las placas es de 100 a 150 mm (4 a 6 in.)

FUNDAMENTOS DE LA EXTRACCIÓN

Puesto que la mayor parte de los métodos de extracción continua usan contactos en contracorriente entre dos fases, una corriente formada por un líquido más ligero y otra por un líquido más pesado, muchos de los fundamentos de la absorción de gases en contracorriente y de destilación se aplican a la extracción de líquido. Así, cuestiones tales como etapas ideales, eficiencia de las etapas, relación mínima entre las dos corrientes y tamaño del equipo tienen la misma importancia en la extracción que en la destilación. 

EXTRACCIÓN DE SOLUCIONES DILUIDAS

Para la extracción discontinua o multietapa de soluciones diluidas, donde los cambios en la velocidad del flujo son despreciables y el coeficiente de distribución† KD es constante, conviene utilizar un factor de extracción E, el cual es equivalente al factor de agotamiento S definido por la ecuación

Clasificación de extracción

Liquido-Liquido

Extracción simple:

Es una técnica que consiste en realizar una única equilibración entre ambas fases. Se utiliza cuando el

valor de la relación de distribución del componente a separar es elevado mientras que el de los restantes es próximo a cero, de forma que el factor de separación tiene también un valor alto. Para realizar la extracción simple se utiliza un embudo de decantación, se cierra mediante un tapón de vidrio, su volumen debe ser dos o tres veces superior a la sume de los volúmenes de ambas fases. Se agita vigorosamente para conseguir el mayor contacto posible 

Extracción continúa:

Es una técnica en donde se utiliza un flujo continuo de disolvente orgánico a través de una disolución acuosa que contiene la mezcla a separar. Si el disolvente es volátil puede ser reciclado mediante destilación y condensación. Con este tipo de extracción puede que no se llegue a alcanzar el equilibrio, dado el corto periodo de tiempo que ambas fases están en contacto, pero el soluto se va eliminando de forma continua de la fase acuosa. La ventaja principal de esta técnica es que el soluto no se diluye en la fase orgánica como ocurría en la extracción por etapas, ya que el mismo volumen de disolvente orgánico es el que pasa continuamente por la disolución acuosa.

Extracción contracorriente:
Es una técnica en la cual ambas fases se mueven en direcciones opuestas y están en contacto continuo. Esta técnica se utiliza en multietapas que consiste en poner después de cada equilibración, cada fase en contacto con porciones nuevas de los dos disolventes, una de las fases queda estacionaria mientras que la otra es
móvil. La eficacia de la extracción aumenta notablemente con esta técnica por lo que es adecuada para separar mezclas cuyos componentes presentan valores bajos de la relación de distribución y además las diferencias entre ellos son pequeñas.

Solido-Liquido

Extracción sólido-líquido discontinua

La separación de una mezcla de compuestos sólidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente. En el caso favorable de una mezcla de sólidos en la cual uno de los compuestos es soluble en un determinado disolvente (normalmente un disolvente orgánico), mientras que los otros son insolubles, podemos hacer una extracción consistente en añadir este disolvente a la mezcla contenida en un vaso de precipitados, un matraz o una cápsula de porcelana, en frío o en caliente, agitar o triturar con ayuda de una varilla de vidrio y separar por filtración la disolución que contiene el producto extraído y la fracción insoluble que contiene las impurezas. Si, al contrario, lo que se pretende es disolver las impurezas de la mezcla sólida, dejando el producto deseado como fracción insoluble, el proceso, en lugar de extracción, se denomina lavado.

 Extracción sólido-líquido continua

La extracción sólido-líquido suele ser mucho más eficiente cuando se hace de manera continua con el disolvente de extracción caliente en un sistema cerrado, utilizando una metodología similar a la comentada para la extracción líquido-líquido continua, basada en la maceración con disolvente orgánico, previamente vaporizado en un matraz y condensado en un refrigerante, de la mezcla sólida a extraer contenida dentro de un cartucho o bolsa de celulosa que se coloca en la cámara de extracción. El paso del disolvente orgánico con parte del producto extraído al matraz inicial, permite que el mismo disolvente orgánico vuelva a ser vaporizado, repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz.

 APLICACIONES

 

La implantación de la operación de extracción líquido-líquido a gran escala en procesos industriales fue más tardía que el resto de operaciones, destilación y absorción. Sin embargo la importancia del proceso de extracción líquido-líquido ha ido en aumento debido a la creciente demanda de productos sensibles a la temperatura, mayores requerimientos de pureza, equipos más eficientes y la disponibilidad de disolventes más selectivos.

Por otro lado, se suele preferir la aplicación del proceso de extracción a la destilación en los siguientes casos:

- si existen sustancias inorgánicas complejas disueltas en soluciones orgánicas o acuosas

- si es preciso retener un componente que se encuentra en una concentración muy pequeña

- en la recuperación de sustancias sensibles a la temperatura

- si la separación se basa más en la naturaleza de las sustancias que en su distinta volatilidad

- si la mezcla posee puntos de ebullición o de fusión muy próximos

- si la mezcla presenta azeótropos

La extracción líquido-líquido presenta una amplia aplicación en la industria del petróleo para separar alimentaciones líquidas en función de su naturaleza química más que por su peso molecular o la diferencia de volatilidad. Como ejemplo se tiene la separación entre hidrocarburos aromáticos, alifáticos y nafténicos.

Otras aplicaciones se pueden encontrar en:

- la industria bioquímica como la separación de antibióticos y la recuperación de proteínas de sustratos naturales. - la extracción de metales como la recuperación del cobre de soluciones amoniacales y separaciones de metales poco usuales y de isótopos radiactivos en elementos combustibles gastados. - la industria química inorgánica para recuperar compuestos tales como ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio de soluciones acuosas. - recuperación de compuestos aromáticos como fenol, anilina o compuestos nitrogenados de las aguas de desecho, ya que constituyen una fuente contaminante. - recuperación de productos sensibles al calor - recuperación de compuestos orgánicos del agua como formaldehido, ácido fórmico y ácido acético.     Planta de extracción y recuperación de ácidos acético y fórmico

CONCLUSIONES 

La extracción liquido-liquido es un metodo muy util para eparar componentes de una mezcla. El éxito de este metodo depende de la diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes

Se suele utilizar siempre que el reparto del compuesto a extraee en el disolvente de extraccion es suficientemente favorable. Cuando eso no es así, y la solubilidad del compuesto a extraer en los disolventes de extracción habituales no es muy eevada se suele utilizar otro procedimiento que implica una extraccion continua de la fase inicial (normalmente una fase acosa) con prociones nuevas del disolvente orgánico de extracción 

Algunas de las aplicaciones de extraccion liquido. liquido son: Desulfuración de productos petrolíferos, productos farmaceuticos, industria alimentaria, obtencion de metales, etc 

Bibliografía

 

3.1 Extracción líquido-líquido. - Operaciones Unitarias III. (s. f.). https://sites.google.com/site/teseop3/proceso/actividad-1

 

EXTRACCIÓN > 9.2. TIPOS DE EXTRACCIONES. (s. f.). Universitat de Barcelona. https://www.ub.edu/oblq/oblq+castellano/extraccio_tip.html

• Bird, B., Stewart, W., & Lightfoot, E. (2006). Fenómenos de Transporte (2da ed.). Limusa Wiley.
  
  
• Calleja, G., García, F., Iglesias, J., De Lucas, A., & Rodríguez, J. (2016a). Nueva introducción a la Ingeniería Química. Volumen 1 (Edición: 1). Síntesis.
  
  
• Calleja, G., García, F., Iglesias, J., De Lucas, A., & Rodríguez, J. (2016b). Nueva introducción a la Ingeniería Química. Volumen 2 (Edición: 1). Síntesis.
  
  
• Cengel, Y., & Cimbala, J. (2006). Mecánica de Fluidos (1ra ed.). McGraw-Hill.
  
  
• Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y Masa: Fundamentos y Aplicaciones (4a ed). McGraw-Hill.

VIDEO

DIAPOSITIVAS