Extracción Líquido-Líquido

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Extracción Líquido-Líquido
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Concepto:La Extracción líquido-líquido consiste en la separación de los componentes de una mezcla líquida, por contacto con otro líquido, inmiscible con ella o parcialmente inmiscible y que disuelve preferentemente a uno de los constituyentes.

La Extracción Líquido-Líquido es, junto a la destilación, la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida.

En una operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, disolvente de extracción al líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado.

Contenido

Razones para utilizarla

  • Otros métodos no son factibles: Volatilidades similares o muy pequeñas.
  • Calores de vaporización muy altos.
  • Compuestos sensibles a la elevación de la temperatura.
  • Como sustituto de separaciones químicas.

Aplicaciones

  • Separación de compuestos inorgánicos como ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio.
  • Recuperación de compuestos aromáticos.
  • Refinación de aceites lubricantes y disolventes
  • En la extracción de productos que contienen azufre.
  • Obtención de ceras parafínicas
  • Desulfuración de productos petrolíferos
  • Productos farmacéuticos Ejemplo en la obtención de la penicilina
  • Industria alimentaría
  • Obtención de metales costosos, Ej como uranio-vanadio.

Factores que afectan la extracción

  • Composición de la alimentación, temperatura, presión y velocidad de flujo.
  • El grado de separación deseado.
  • Elección del disolvente.
  • Temperatura y presión de operación.
  • La formación de emulsiones y espumas.

Criterio de selección del solvente

  • Factor de separación alto.
  • Coeficiente de distribución alto.
  • Solventes altamente insolubles.
  • Fácil de recuperar.
  • Diferencias de densidad entre las fases que se forman
  • Tensión superficial alta para evitar dispersión de las fases.
  • Estable químicamente e inerte con los demás componentes.
  • Viscosidad, Pv, Pto de congelación bajos para facilitar manejo
  • No toxico, no inflamable, barato y de fácil acceso.

Diagramas de equilibrio ternario.

En el diseño de una operación de extracción líquido-líquido suele considerarse que el refinado y el extracto se encuentran equilibrio. Los datos de equilibrio que deberán manejarse serán como mínimo los correspondientes a un sistema ternario (dos disolventes y un soluto), con dos de los componentes inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí.

Una de las formas más habituales de recoger los datos de equilibrio en sistemas ternarios son los diagramas triangulares. En la Figura 1 se muestra un diagrama triangular equilátero. Los vértices del triángulo representan compuestos puros, un punto sobre un lado correspondería a una mezcla binaria y un punto en el interior del triángulo representaría una mezcla ternaria. La composición de una mezcla puede determinarse por lectura directa en el diagrama, tal como muestra la Figura 1. La concentración de los componentes en el diagrama se muestra como fracción molar o fracción másica.

En los sistemas de interés para la extracción líquido-líquido los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Es decir, su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formación de dos fases. Además, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro. Para representar este comportamiento, y poder conocer si a una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los diagramas triangulares líquido-líquido presentan la denominada curva binodal o de solubilidad (Figura 1 ). Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estará constituida por una sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases.

Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indican la concentración de las dos fases en equilibrio (Figura 1).

Figura 1. Diagrama de equilibrio ternario: diagrama triangular equilátero
Figura 1. Diagrama de equilibrio ternario: diagrama triangular equilátero

Equipos para la Extracción líquido-líquido

Extracción en etapas múltiples flujo cruzado

Extracción múltiple


Extracción en etapas múltiples en contracorriente

Equipos

  • Extracción por etapas:
    • Mezclador - sedimentador
    • Torres platos perforados
    • Columnas de bandejas
  • Extracción por contacto continuo diferencial:
    • Torres de pulverización
    • Torres de relleno
    • Columnas pulsadas
    • Extractores centrífugos

Mezcladores-Sedimentadores. Este tipo de equipo puede variar desde un solo tanque, con agitador, que provoca la mezcla de las fases y después se dejan sedimentar, hasta una gran estructura horizontal o vertical compartimentada. En general, la sedimentación se realiza en tanques, si bien algunas veces se utilizan centrífugas. Sin embargo, la mezcla puede realizarse de formas diferentes, como por impacto en un mezclador de chorro, por acción de cizalladucha cuando ambas fases se alimentan simultáneamente en una bomba centrífuga, mediante inyectores donde el flujo de un líquido es inducido por el otro, o bien por medio de orificios o boquillas de mezcla.

Torres de pulverización. Como en absorción de gases, la dispersión en la fase continua limita la aplicación de este equipo a los casos en los que solamente se requiere una o dos etapas.

Torres de relleno. Para extracción líquido-líquido se utilizan los mismos tipos de relleno que en absorción y destilación. Es preferible utilizar un material que sea preferentemente mojado por la fase continua. En las columnas de relleno la dispersión axial es un problema importante y la HETP es generalmente mayor que en los dispositivos por etapas.

Torres de platos. En este caso se prefieren los platos perforados. La separación entre los platos es mucho menor que en destilación: 10-15 cm para la mayor parte de las aplicaciones con líquidos de baja tensión interfacial. Cuando se opera con un régimen de flujo adecuado, las velocidades de extracción en columnas de platos perforados son elevadas debido a que las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a formar en cada etapa. Esto favorece la destrucción de gradientes de concentración que se pueden formar cuando las gotas pasan sin perturbación a través de toda la columna. Las columnas de platos perforados para extracción están sometidas a las mismas limitaciones que las columnas de destilación: inundación, arrastre y goteo. Con frecuencia se presentan problemas adicionales como la formación de suciedad que sobrenada y que se origina por la presencia de pequeñas cantidades de impurezas.

Equipo de gravedad asistido mecánicamente. Si las diferencias de densidad entre las dos fases líquidas son bajas, las fuerzas de gravedad resultan insuficientes para una adecuada dispersión de las fases y creación de turbulencia. En este caso, se utilizan agitadores rotatorios accionados por un eje que se extiende axialmente a lo largo de la columna con el fin de crear zonas de mezcla que alternan con zonas de sedimentación en la columna. Un ejemplo típico es el RDC (“rotating disc contactor”) que se ha utilizado en tamaños de hasta 12 m de altura y 2.4 m de diámetro.

Los discos, con elevada velocidad de giro, proporcionan la energía necesaria para la mezcla de las dos fases. Pegados a la columna, se montan unos discos metálicos perforados que sirven de separación entre cada dos discos giratorios, dirigiendo el flujo y previniendo la dispersión axial. Otros aparatos de uso comercial son la cascada de mezcladores-sedimentadores en forma de columna desarrollada por Treybal y las columnas pulsadas, que son columnas de platos perforados provistas de una bomba de émbolo para promover la turbulencia y mejorar la eficacia.

Extractores centrífugos. Las fuerzas centrífugas, que pueden ser miles de veces superiores a las de la gravedad, pueden facilitar las separaciones cuando se presentan problemas de emulsificación, las diferencias de densidades son muy bajas, o cuando se requieren tiempos de residencia muy pequeños debido a un rápido deterioro del producto, como ocurre en la industria de antibióticos. Generalmente, los extractores centrífugos sólo tienen una o dos etapas, aunque se han construido unidades con cuatro etapas.

Fuente

  • Coulson, J.M. y J.F. Richardson. “Ingeniería Química. Tomo II. Operaciones básicas”. Editorial Reverté, Barcelona, 1988.
  • Henley, E.J. y Seader, J.D. “Operaciones de separación por etapas de equilibrio en Ingeniería Química”. Reverté, Barcelona. 1988.
  • Treybal, Robert. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. 1988.