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<p>UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA</p><p>FACULTAD DE INGENIERIA</p><p>ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL</p><p>“EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO”</p><p>Curso</p><p>Operaciones y Procesos Unitarios</p><p>Docente</p><p>Ing. Vicente Málaga</p><p>Integrantes</p><p>Carlos Augusto Flores Arpaza</p><p>Luis Bryan Chambilla Chura</p><p>Junior Jesús Ayala Acero</p><p>Tacna-Perú</p><p>2021</p><p>EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO</p><p>1. OBJETIVOS.</p><p>· Profundizar en los fundamentos de las operaciones de extracción líquido-líquido y en que consiste esta separación de mezclas homogéneas líquidas</p><p>· Conocer las técnicas y las aplicaciones de extracción líquido-líquido</p><p>2. MARCO TEORICO</p><p>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.</p><p>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.</p><p>Extracción líquido-líquido simple</p><p>La extracción líquido-líquido es un método muy útil para separar componentes de una mezcla. El éxito de este método depende de la diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes. Cuando se agita un compuesto con dos disolventes inmiscibles, el compuesto se distribuye entre los dos disolventes. A una temperatura determinada, la relación de concentraciones del compuesto en cada disolvente es siempre constante, y esta constante es lo que se denomina coeficiente de distribución o de reparto (K = concentración en disolvente 2 / concentración en disolvente 1).</p><p>Es frecuente obtener mezclas de reacción en disolución o suspensión acuosa (bien porque la reacción se haya llevado a cabo en medio acuoso o bien porque durante el final de reacción se haya añadido una disolución acuosa sobre la mezcla de reacción inicial). En estas situaciones, la extracción del producto de reacción deseado a partir de esta mezcla acuosa se puede conseguir añadiendo un disolvente orgánico adecuado, más o menos denso que el agua, que sea inmiscible con el agua y capaz de solubilizar la máxima cantidad de producto a extraer pero no las impurezas que lo acompañan en la mezcla de reacción. Después de agitar la mezcla de las dos fases para aumentar la superficie de contacto entre ellas y permitir un equilibrio más rápido del producto a extraer entre las dos fases, se producirá una transferencia del producto deseado desde la fase acuosa inicial hacia la fase orgánica, en una cantidad tanto mayor cuanto mayor sea su coeficiente de reparto entre el disolvente orgánico de extracción elegido y el agua. Unos minutos después de la agitación, las dos fases se separan de nuevo, espontáneamente por decantación, debido a la diferencia de densidades entre ellas, con lo que la fase orgánica que contiene el producto deseado se podrá separar mediante una simple decantación de la fase acuosa conteniendo impurezas. La posición relativa de ambas fases depende de la relación de densidades. Dado que después de esta extracción, la fase acuosa frecuentemente aún contiene cierta cantidad del producto deseado, se suele repetir el proceso de extracción un par de veces más con disolvente orgánico puro.</p><p>Una vez finalizada la operación de extracción, se tiene que recuperar el producto extraído a partir de las fases orgánicas reunidas. Para ello, se tiene que secar la fase orgánica resultante con un agente desecante, filtrar la suspensión resultante y finalmente eliminar el disolvente orgánico de la disolución seca conteniendo el producto extraído por destilación o evaporación.</p><p>Aunque normalmente la extracción se utiliza para separar el producto deseado selectivamente de una mezcla, a veces lo que se pretende con la extracción es eliminar impurezas no deseadas de una disolución.</p><p>Características del disolvente de extracción</p><p>La extracción selectiva de un componente de una mezcla disuelta en un determinado disolvente se puede conseguir añadiendo otro disolvente que cumpla las siguientes condiciones.</p><p>· Que no sea miscible con el otro disolvente. El agua o una disolución acuosa suele ser uno de los disolventes implicados. El otro disolvente es un disolvente orgánico.</p><p>· Que el componente deseado sea mucho más soluble en el disolvente de extracción que en el disolvente original.</p><p>· Que el resto de componentes no sean solubles en el disolvente de extracción.</p><p>· Que sea suficientemente volátil, de manera que se pueda eliminar fácilmente del producto extraído mediante destilación o evaporación.</p><p>· Que no sea tóxico ni inflamable, aunque, desgraciadamente hay pocos disolventes que cumplan los dos criterios: hay disolventes relativamente no tóxicos pero inflamables como el hexano, otros no son inflamables pero sí tóxicos como el diclorometano o el cloroformo, y otros son tóxicos e inflamables como el benceno.</p><p>Disolventes inmiscibles con el agua: Disolventes utilizados con mayor frecuencia</p><p>· Cuanto más polar es el disolvente orgánico, más miscible (soluble) es con el agua.</p><p>· Por ejemplo, disolventes polares como el metanol, el etanol o la acetona son miscibles con el agua, y por lo tanto, no son adecuados para extracciones líquido-líquido.</p><p>· Los disolventes orgánicos con baja polaridad como el diclorometano, el éter dietílico, el acetato de etilo, el hexano o el tolueno son los que se suelen utilizar como disolventes orgánicos de extracción.</p><p>Tabla de disolventes de extracción comúnmente utilizados</p><p>Nombre</p><p>Fórmula</p><p>Densidad (g/mL)1</p><p>Punto de ebullición</p><p>(ºC)</p><p>Peligrosidad</p><p>Disolventes de extracción menos densos que el agua</p><p>Éter dietílico</p><p>(CH3CH2)2O</p><p>0,7</p><p>35</p><p>Muy inflamable, tóxico</p><p>Hexano</p><p>C6H14</p><p>≈ 0,7</p><p>> 60</p><p>Inflamable</p><p>Benceno</p><p>C6H6</p><p>0,9</p><p>80</p><p>Inflamable, tóxico, carcinógeno</p><p>Tolueno</p><p>C6H5CH3</p><p>0,9</p><p>111</p><p>Inflamable</p><p>Acetato de etilo</p><p>CH3COOCH2CH3</p><p>0,9</p><p>78</p><p>Inflamable, irritante</p><p>Disolventes de extracción más densos que el agua</p><p>Diclorometano</p><p>CH2Cl2</p><p>1,3</p><p>41</p><p>Tóxico</p><p>Cloroformo</p><p>CHCl3</p><p>1,5</p><p>61</p><p>Tóxico</p><p>Tetracloruro de carbono</p><p>CCl4</p><p>1,6</p><p>77</p><p>Tóxico</p><p>1 La densidad del agua es 1,0 g/mL, y la de la disolución acuosa saturada de NaCl es 1,2 g/mL.</p><p>Repetición del proceso de extracción</p><p>Después de una primera extracción se produce un reparto del compuesto a extraer entre el disolvente de extracción y la fase inicial. Como la fase inicial suele contener aún una cantidad apreciable del compuesto a extraer, variable en función de su coeficiente de reparto entre los dos disolventes implicados, es recomendable repetir el proceso de extracción con nuevas cantidades de disolvente de extracción, para optimizar su separación. Es más eficiente una extracción con n porciones de un volumen V / n de disolvente de extracción que una sola extracción con un volumen V de disolvente. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número de extracciones con volúmenes pequeños de disolvente de extracción, mayor será la cantidad de producto extraído, o dicho de otra forma, “mejor muchos de poco que pocos de mucho”.</p><p>Extracción líquido-líquido continua</p><p>La extracción líquido-líquido simple, que es el procedimiento de extracción más utilizado en el laboratorio químico, se suele utilizar siempre que el reparto del compuesto a extraer en el disolvente de extracción es suficientemente favorable. Cuando eso no es así, y la solubilidad del compuesto a extraer en los disolventes de extracción habituales no es muy elevada se suele utilizar otro procedimiento que implica una extracción continua de la fase inicial (normalmente una fase acuosa) con porciones nuevas del disolvente orgánico de extracción. Para evitar utilizar</p><p>grandes volúmenes de disolvente de extracción, el proceso se hace en un sistema cerrado en el que el disolvente de extracción se calienta en un matraz y los vapores del disolvente se hacen condensar en un refrigerante colocado sobre un tubo o cámara de extracción que contiene la disolución acuosa a extraer. El disolvente condensado caliente se hace pasar a través de la disolución acuosa, para llegar finalmente, con parte del producto extraído, al matraz inicial, donde el disolvente orgánico se vuelve a vaporizar, repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz.</p><p>Razones para utilizarla</p><p>· Otros métodos no son factibles: Volatilidades similares o muy pequeñas.</p><p>· Calores de vaporización muy altos.</p><p>· Compuestos sensibles a la elevación de la temperatura.</p><p>· Como sustituto de separaciones químicas.</p><p>Factores que afectan la extracción</p><p>· Composición de la alimentación, temperatura, presión y velocidad de flujo.</p><p>· El grado de separación deseado.</p><p>· Elección del disolvente.</p><p>· Temperatura y presión de operación.</p><p>· La formación de emulsiones y espumas.</p><p>Criterio de selección del solvente</p><p>· Factor de separación alto.</p><p>· Coeficiente de distribución alto.</p><p>· Solventes altamente insolubles.</p><p>· Fácil de recuperar.</p><p>· Diferencias de densidad entre las fases que se forman</p><p>· Tensión superficial alta para evitar dispersión de las fases.</p><p>· Estable químicamente e inerte con los demás componentes.</p><p>· Viscosidad, Pv, Pto de congelación bajos para facilitar manejo</p><p>· No toxico, no inflamable, barato y de fácil acceso.</p><p>Diagramas de equilibrio ternario.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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).</p><p>Equipos para la Extracción líquido-líquido</p><p>· Extracción en etapas múltiples flujo cruzado</p><p>· Extracción en etapas múltiples en contracorriente</p><p>Equipos</p><p>Extracción por etapas:</p><p>· Mezclador - sedimentador</p><p>· Torres platos perforados</p><p>· Columnas de bandejas</p><p>Extracción por contacto continuo diferencial:</p><p>· Torres de pulverización</p><p>· Torres de relleno</p><p>· Columnas pulsadas</p><p>· Extractores centrífugos</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>3. APLICACIÓN</p><p>· Separación de compuestos inorgánicos como ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio.</p><p>· Recuperación de compuestos aromáticos.</p><p>· Refinación de aceites lubricantes y disolventes</p><p>· En la extracción de productos que contienen azufre.</p><p>· Obtención de ceras parafínicas</p><p>· Desulfuración de productos petrolíferos</p><p>· Productos farmacéuticos Ejemplo en la obtención de la penicilina</p><p>· Industria alimentaría</p><p>· Obtención de metales costosos, Ej como uranio-vanadio.</p><p>Ejemplo: Extracción de penicilina</p><p>Fig2.La penicilina es un producto farmacéutico purificado por extracción líquido-líquido con solvente como acetato de butilo o ciclohexanona</p><p>La extracción de la penicilina comienza con la separación de biomasa del medio de cultivo por centrifugación, posteriormente la penicilina se recupera por extracción con un solvente, generalmente suele usarse acetato de butilo aunque también puede usarse ciclohexanona, esto se hace después de acidificar el medio con H2SO4 para mejorar el coeficiente de partición y favorecer la extracción. El solvente se trata con un buffer de fosfatos que permite separar la penicilina del solvente y posteriormente se obtiene la penicilina por secado.</p><p>4. DESARROLLO DE DOS PROBLEMAS</p><p>4.1. 1000 kg de una mezcla ácida de composición 30% en peso de ácido sulfúrico (A), 20% de ácido nítrico (B) y 50% de agua (C) se ha de modificar añadiéndole sulfúrico al 98% y nítrico al 90% para dar una solución cuya composición sea 50% de sulfúrico, 30% de nítrico y 20% de agua. Empleando el diagrama triangular calcular las cantidades que han de agregarse de los ácidos concentrado</p><p>O tambien:</p><p>4.2 1000 kg de una mezcla de ácido acético-cloroformo de composición 30% en peso de ácido se tratan en contacto sencillo, con agua a 18°C con el objeto de extraer dicho ácido. Calcular: a) Las cantidades mínima y máxima de agua a emplear. b) La concentración máxima que puede alcanzar el ácido acético en el producto extraído. c) La cantidad de agua a emplear para que la concentración del producto extraído sea máxima. Los datos de equilibrio entre fases líquidas para el sistema cloroformo-agua-ácido acético a 18°C correspondientes a extremos de rectas de reparto, son los siguientes:</p><p>F = 1000kg Xf = 0.3 T = 18°C Ys = 0</p><p>Balance global F +S = M = E +R</p><p>Balance para C Fxf + Sys = Mxm = Eye + Rxr Fxf = Mxm = Eye + Rxr</p><p>a) La cantidad mínima de agua a usar es cuando el punto M cae sobre la curva de refinados. Esta forma de obtener el solvente mínimo es solo válida para extracciones simples o de una etapa, cuando es más de una etapa, la forma el completamente diferente (ΔR, etc.). Por regla de la palanca:</p><p>b) el producto extraído, se le llama al extracto, una vez separado el solvente</p><p>Se traza la tangente de la curva binodal desde el punto de B puro, de manera de obtener el máximo 𝑦 sobre el eje A-C. Se obtiene:</p><p>𝑦𝑚𝑎𝑥 ≅ 0.97</p><p>c) Entre E y R, existe una línea de unión determinada por el grafico y vs. x. Ubicada esta línea queda determinado M, por lo tanto:</p><p>5. CONCLUSIONES</p><p>- Se profundizo los fundamentos de las operaciones de extracción liquido- liquido ya que se demostró que esta consiste en separación de mezclas homogéneas liquidas</p><p>- Se conoció las técnicas y aplicaciones que se utilizan en la extracción liquido-liquido en multiples y distintas etapas</p><p>- Se logro desarrollar dos ejercicios de aplicación referentes al tema.</p><p>6. REFENCIA BIBLIOGRAFICAS.</p><p>· Coulson, J.M. y J.F. Richardson. “Ingeniería Química. Tomo II. Operaciones básicas”. Editorial Reverté, Barcelona, 1988.</p><p>· Henley, E.J. y Seader, J.D. “Operaciones de separación por etapas de equilibrio en Ingeniería Química”. Reverté, Barcelona. 1988.</p><p>· Treybal, Robert. Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. 1988.</p><p>· Warren, McCabe& SMITH Julian. (1998) "Operaciones unitarias en ingenieriaquimica." 1199p .</p><p>· Coulson J. M. y Richardson J. F. (2003). Ingeniería química, operaciones básicas. Tomo II. España: Reverté, S. A.</p><p>· Tejeda, A., Rosa María Montesinos C., & Guzmán, R. (2011). Bioseparaciones. Pearson.</p><p>image3.png</p><p>image4.jpeg</p><p>image5.jpeg</p><p>image6.jpeg</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image1.jpeg</p><p>image2.gif</p>
