Transcript extracción sólido-líquido

EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
www.fernandon.com
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EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
CON LA EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO SE PUEDE EXTRAER
COMPONENTES SOLUBLES DE SÓLIDOS CON AYUDA DE UN
DISOLVENTE. CAMPOS DE APLICACIÓN DE ESTA OPERACIÓN BÁSICA
SON, POR EJEMPLO, LA OBTENCIÓN DE ACEITE DE FRUTOS
OLEAGINOSOS O LA LIXIVIACIÓN DE MINERALES.
UN EJEMPLO DE LA VIDA COTIDIANA ES LA PREPARACIÓN DE LA INFUSIÓN DE CAFÉ. EN
ESTE PROCESO, LA SUSTANCIA AROMÁTICA DEL CAFÉ (SOLUTO) SE EXTRAE CON AGUA
(DISOLVENTE) DEL CAFÉ MOLIDO (MATERIAL DE EXTRACCIÓN, FORMADO POR LA FASE
PORTADORA SÓLIDA Y EL SOLUTO). EN EL CASO IDEAL SE OBTIENE LA INFUSIÓN DE
CAFÉ (DISOLVENTE CON LA SUSTANCIA AROMÁTICA DISUELTA) Y EN EL FILTRO DE LA
CAFETERA QUEDA EL CAFÉ MOLIDO TOTALMENTE LIXIVIADO (FASE PORTADORA SÓLIDA).
EN LA PRÁCTICA, AL TÉRMINO DE LA EXTRACCIÓN, LA FASE PORTADORA SÓLIDA
SIEMPRE CONTENDRÁ TODAVÍA UNA PARTE DEL SOLUTO EN EL SÓLIDO. ADEMÁS, UNA
PARTE DEL DISOLVENTE PERMANECERÁ TAMBIÉN LIGADA DE FORMA ADSORBATO A LA
FASE PORTADORA SÓLIDA.
ESQUEMA DE LA EXTRACCIÓN; ANTES DE LA EXTRACCIÓN (IZQUIERDA) Y
DESPUÉS DE LA EXTRACCIÓN (DERECHA):
1 DISOLVENTE, 2 MATERIAL DE EXTRACCIÓN (FASE PORTADORA SÓLIDA CON
SOLUTO), 3 SOLUTO,
4 FASE PORTADORA SÓLIDA LIXIVIADA, 5 DISOLVENTE CON EL SOLUTO DE
TRANSICIÓN EN ÉL DISUELTO
CONTACTO SENCILLO
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
CONTACTO SENCILLO
BALANCE DE MASA
VOLUMEN DE CONTROL
MEZCLADOR, VC1
DECANTADOR, VC2
TIPO DE BALANCE
ECUACIÓN
TOTAL
F+S=M
F+D=M
COMPONENTE C
Xf*F+ xD*D=xm*M
Xf*F+xs*S=xm*M
TOTAL
M=E+R
COMPONENTE C
Xm*M=y*E+x*R
RESOLVIENDO EL
SISTEMA DE
ECUACIONES TENEMOS

M 1 (xm - x 1 ) 
=
E
 1
(y 1 - x 1 ) 


M 1 (y 1 - xm ) 
=
R
 1
(y 1 - x 1 ) 

TOTAL
F+S=E+R
F+D=E+R
COMPONENTE C
Xf*F+xs*S=x*R+y*E
Xf*F+
xD*D=x*R+y*E
TODO EL SISTEMA, VC3
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APLICACIÓN DE LA REGLA DE LA PALANCA AL SISTEMA DE
CONTACTO SENCILLO ANTERIOR
VOLUMEN DE
CONTROL
REGLA DE LA
PALANCA
M=S+F
MEZCLADOR, VC1
D FM xF - xm
=
=
F MS xm - xs
R EM y - x
=
=
M ER y - x
DECANTADOR,
VC2
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E MR xm - x
=
=
M ER
y-x
Contacto múltiple en contracorriente directa
Este método de extracción consiste en la repetición del proceso para una
etapa sencilla.
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D,xD
EN
EN-1
E2
MN
RN
MN-1
M2
RN-1
E1
M1
R2
R1
F,xF
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APLICANDO BALANCE DE MATERIA PARA LA ETAPA N, SE LLEGA A
LAS SIGUIENTES EXPRESIONES.
Balance de materia total, mezclador:
1. - R (n-1)  Dn = Mn
Balance de materia en el componente soluto, mezclador:
2. - x (n-1) * R (n-1)  xDn * Dn = xmn * Mn
(
Sustituyendo 1 en 2 y despejando xmn obtenemos:
3. - x (n-1 ) * R (n-1 )  xDn * D n = xmn* R (n-1 )  D n
4. - xmn =
x (n-1 ) * R (n-1 )  xDn * D n
(R
( n-1 )
 Dn
)
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
)
UBICACIÓN GRÁFICA DE XM,N
Dn,xDn
Mn
En
Rn
R,x, n-1
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DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE DISOLVENTE:
Para determinar el disolvente utilizado para una determinada separación
en la unidad n se usa la siguiente expresión:
Sustituyendo 1 en 2 y despejando Dn obtenemos:
(
x(n - 1)* R (n-1 )  xDn * D n = xmn * R (n-1 )  D n
Dn =
R (n-1 ) * (x(n - 1) - xmn )
(xmn - xDn )
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)
DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA CANTIDAD DE DISOLVENTE EN LA
ETAPA N
D
Dn,xDn
MN DN = (xmn - xDn )
Dn
En
R (n-1 )
Mn
R (n-1 ) M N = x (n-1 ) - xmn
Rn
Rn-1
S
I
xDn
xmn
x n -1
=
M N R (n-1 )
M N DN
(
xm
=
n
- x (n-1) )
(xmn - xDn )
BALANCE GLOBAL DE MATERIA EN EL DECANTADOR
Balance global de materia en el decantador
1. - R (n-1)  Dn = E n  R n
Balance de materia en el componente soluto
2. - x (n-1) * R (n-1)  xD(n ) * Dn = y n * En  x n * R n
Aplicando balance de materia para la etapa n, se llega a las siguientes
expresiones.
Despejando Rn de la ecuación 1 y sustituyéndolo en la expresión 2
obtenemos En.
(
x (n-1 ) * R (n-1 )  xD(n ) * D n = y n * E n  x n * M n - En
En =
M n (xmn - x n )
y n - xn
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)
D
DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA CANTIDAD DE REFINADO EN LA
ETAPA N
E N M N (y n - x mn )
=
=
(y n - xn )
M n EN R N
Rn
Dn,xDn
En
Mn
ENMN = yn - xmn
Rn
EN R N = (y n - xn )
Rn-1
S
I
xmn
yn
xn
EJERCICIO DE ETAPAS MULTIPLES EN CORRIENTE DIRECTA
De una harina de pescado que contiene el aceite que ha de extraerse con
benceno operando en múltiples etapas en corriente directa. Experimentalmente
se a encontrado que la disolución retenida por el sólido inerte es función de la
composición de la disolución, de acuerdo a los datos de las dos primeras
columnas de la tabla. Al sistema de extracción, que consta de tres etapas, entran
1000 Kg/hr de alimentación que contienen 40% en peso de aceite y la cantidad de
benceno en cada etapa es de 750 Kg/hr.
Calcúlese:
1.- composición global de los extractos
2.- flujos másicos de extracto y refina en cada etapa
FERNANDO NÚÑEZ, Ing. Químico, Esp. CGA
DATOS EXPERIMENTALES DE LA MEZCLA BENCENO-ACEITE-HIGADO
TOTAL=(Kg DE
KG
Kg de
DISOLUCIÓN+Kg
Kg
Kg de
Kg de
BENCEN
Kg
disolución/Kg
de HIGADO
benceno/Kg(acei
aceite/Kg
aceite/Kg
O/Kg
Aceite/Kg(aceite+b
de Higado
EXENTO DE
te+benceno+hig
de
higado exento higado
enceno+higadexen
exento de
ACEITE)/Kg de
adexento de
disolución
de aceite
exento de
to de aceite)
aceite
HIGADO EXENTO
aceite)
aceite
DE ACEITE
0
0,5
0
0,5
0
1,5
0,333333333
0,1
0,505
0,0505
0,4545
0,033554817
1,505
0,301993355
0,2
0,515
0,103
0,412
0,067986799
1,515
0,271947195
0,3
0,53
0,159
0,371
0,103921569
1,53
0,24248366
0,4
0,55
0,22
0,33
0,141935484
1,55
0,212903226
0,5
0,571
0,2855
0,2855
0,181731381
1,571
0,181731381
0,6
0,595
0,357
0,238
0,223824451
1,595
0,149216301
0,434
0,186
0,267901235
0,7
0,62
1,62
0,114814815
ETAPA 1
Se grafican los datos experimentales dador
Se ubica el punto de alimentación F,xf y de disolvente S1, Xs1 de la primera
etapa en la grafica.
Se traza la línea de alimentación de la etapa I
se realiza un balance de materia en la etapa I y se determina xm1
Balance de materia total, mezclador: 1.- F+S1=M1
Balance de materia en el componente aceite: 2.- F*xf+S1*xs=M1*xm1
Se sustituye 1 en 2 y se despeja xm1
3. - x f * F  xS1 * S 1 = xm1* (F  S1 )
4. - xm1 =
x F * F  xS1 * S
(F  S)
=
(0,4* 1000 0 * 750) Kg
(1000 750) Kg
hr
hr = 0,23
DIAGRAMA ACEITE-HARINA-BENCENO
100
x
%ACEITE
0
3,36
6,8
10,39
14,19
18,17
22,4
26,8
90
80
70
% P/P BENCENO
60
y
% BENCENO
33,3
30,2
27,2
24,2
21,3
18,17
14,92
11,48
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
% P/P ACEITE
60
70
80
90
100
DIAGRAMA HARINA-ACEITE-BENCENO
3. - x f * F  xS1 * S 1 = xm1* (F  S1 )
D,xS
100
90
4. - xm1 =
80
x F * F  xS1 * S
(F  S)
=
(0,4* 1000 0 * 750) Kg
(1000 750) Kg
hr = 0,23
hr
70
y1
% P/P BENCENO
60
De la grafica se obtiene x1= 0,65; y1=0,35
M1(xm1 - x1 )
Kg (0,23- 0,122)
Kg
= 1750
= 829
y1 - x1
hr (0,35- 0,122)
hr
M1(y1 - xm1 )
Kg (0,35- 0,23)
Kg
R1 =
= 1750
= 921
y1 - x1
hr (0,35- 0,122)
hr
E1 =
50
xm1
40
30
x1
20
10
0
0
10
20
30
40
F,xf
50
% P/P ACEITE
60
70
80
90
100
ETAPA 2
Trazar la alimentación de la etapa 2, R1S2
Se determina xm2
Trazar la línea de alimentación de la etapa 3
Se traza la línea que parta de inerte puro y para por xm2, para determinar E2 Y
R2
De la grafica se obtiene x2= 0,035; y2=0,1
Se determina extracto y refinado de la etapa 2 haciendo un balance en el
mezclador
(
3. - x 1 * R 1  xS2 * S 2 = xm2* R1  S 2
4. - xm2 =
x 1 * R1  xS2 * S 2
(R1  S2 )
=
)
(0,122* 921 0 * 750) Kg
(921 750) Kg
hr = 0,067
hr
M2(xm2 - x 2 )
Kg (0,067- 0,035)
Kg
= 1671
= 822,6
y2 - x2
hr (0,1 - 0,035)
hr
M2(y2 - xm2 )
Kg (0,1 - 0,067)
Kg
R2 =
= 1671
= 848,4
y2 - x2
hr (0,1 - 0,035)
hr
E2 =
DIAGRAMA HARINA-ACEITE-BENCENO
(
D,xS
100
3. - x 1 * R 1  xS2 * S 2 = xm2* R1  S 2
y2
90
4. - xm2 =
80
x 1 * R1  xS2 * S 2
(R1  S2 )
=
)
(0,122* 921 0 * 750) Kg
(921 750) Kg
hr = 0,067
hr
70
y1
% P/P BENCENO
60
De la grafica se obtiene x2= 0,035; y2=0,1
M2(xm2 - x 2 )
Kg (0,067- 0,035)
Kg
= 1671
= 822,6
y2 - x2
hr (0,1 - 0,035)
hr
M2(y2 - xm2 )
Kg (0,1 - 0,067)
Kg
R2 =
= 1671
= 848,4
y2 - x2
hr (0,1 - 0,035)
hr
xm2
E2 =
50
xm1
40
x2
30
x1
20
10
0
0
10
20
30
40
F,xf
50
% P/P ACEITE
60
70
80
90
100
ETAPA 3
Trazar la alimentación de la etapa 3, R2S3
Se determina xm3
Se traza la línea que parta de inerte puro y para por xm3, para determinar
E3 Y R3
De la grafica se obtiene x3= 0,01; y3=0,036
Se determina extracto y refinado de la etapa 3 haciendo un balance en el
mezclador
3. - x 2 * R 2  xS3 * S3 = xm3* (R 2  S3 )
4. - xm3 =
x 2 * R 2  xS3 * S3
(R 2  S3 )
=
(0,035* 848,4 0 * 750) Kg
(848,4  750) Kg
hr
hr = 0,02
M3(xm3 - x 3 )
Kg (0,02- 0,01)
Kg
= 1598,4
= 614,8
y3 - x3
hr (0,036- 0,01)
hr
M3(y3 - xm3 )
Kg (0,036- 0,02)
Kg
R3 =
= 1598,4
= 983,6
y3 - x3
hr (0,036- 0,01)
hr
E3 =
DIAGRAMA HARINA-ACEITE-BENCENO
D,xS
y3
100
3. - x 2 * R 2  xS3 * S3 = xm3* (R 2  S3 )
y2
90
4. - xm3 =
x 2 * R 2  xS3 * S3
80
(R 2  S3 )
=
(0,035* 848,4 0 * 750) Kg
(848,4  750) Kg
hr
hr = 0,02
De la grafica se obtiene x3= 0,01; y3=0,036
70
y1
% P/P BENCENO
60
xm2
M3(xm3 - x 3 )
Kg (0,02- 0,01)
Kg
= 1598,4
= 614,8
y3 - x3
hr (0,036- 0,01)
hr
M3(y3 - xm3 )
Kg (0,036- 0,02)
Kg
R3 =
= 1598,4
= 983,6
y3 - x3
hr (0,036- 0,01)
hr
E3 =
xm3
50
xm1
40
x3
x2
30
x1
20
10
0
0
10
20
30
40
F,xf
50
% P/P ACEITE
60
70
80
90
100
COMPOSICIÓN GLOBAL DE LOS
EXTRACTOS OBTENIDOS
i=3
YG =
 Ei * yi
i =1
i=3
 Ei
i =1
=
E1 * y1  E2 * y2  E3 * y3
= 0,17
E1  E2  E3