Extracción Líquido Líquido

Equipo #5: • Bello Hernández Daniel Alejando• Ortiz Ramírez José Leonardo • Ceballos Leal José Antonio • Lara González Eduardo• Vázquez Navarrete Alexis• Callejas De la Fuente Abril Cittlaly

OPERACIONES DE SEPARACIÓN MECÁNICA|ING. RAFAEL BRITO HERNÁNDEZ| 10/11/15

Universidad Veracruzana

Facultad de Ciencias Químicas Campus Coatzacoalcos

EXTRACCIÓNLIQUIDO-LIQUIDO

IntroducciónEs importante que el ingeniero químico tenga los conocimientos básicos de una de las operaciones unitarias muy importantes y llevadas a cabo en la industria , en esta presentación se hablara de algunos conceptos básicos para entender en que se basa este método, así como conocer algunos métodos de calculo utilizados para cuando se presenta problemas de este tipo, para ello será necesario explicar términos como difusividad y coeficientes de transferencia de masa, además se mostraran también los equipos que son utilizados para la extracción liquido-liquido. Para concluir con esto se expondrá un dispositivo llamado torre de pared mojada el cual es utilizado para la transferencia de masa.

Extracción liquido-liquido El término extracción se define como la transferencia de una sustancia de una fase a otra.

La extracción liquido-liquido también conocida como extracción con solventes o extracción con disolventes, es un proceso químico empleado para separar una mezcla de líquidos aprovechando la diferencia de solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles.

Este método consiste en la separación de los constituyentes de una disolución liquida por contacto con otro liquido inmiscible que disuelva preferentemente que disuelva a uno de los constituyente de la solución original, dando lugar a la aparición de dos capas liquidas inmiscibles de diferentes densidades.

Las dos fases líquidas se una extracción son:1. Fase Acuosa: agua o disolución acuosa.2. Fase Orgánica: disolución o disolvente orgánico inmiscible con el agua

Principal método de obtención de los “aceites esenciales”,fragancias naturales muy apreciadas que se encuentran en lasplantas, como el mentol, eucaliptol etc.

Esto también se puede realizar mediante destilación simple,sin embargo, es el procedimiento más empleado por ser másrápido y cómodo.

Se obtienes dos fases liquidas denominadas• Extracto: Fase rica en disolvente• Refinado. Fase pobre en disolventeSeparando estos se obtiene el producto extraído y el producto refinadoDe aquí la recuperación del disolvente añadido se efectúa generalmente por destilación, o salinificación

Los diversos métodos de extracción difieren en la forma de efectuar la mezcla con el disolvente y en la separación de las fases formadas en cada uno de las etapas

Equilibrios de extracciónMezcla de dos constituyentes únicamente.

Coeficiente de repartoEl coeficiente de reparto depende del disolvente empleado, de la composición de la mezcla y de la temperatura de operación

Los datos de equilibrio se determinan experimentalmente y se representan en graficas adecuadas.

Únicamente cuando K es muy grande ( 100) sería suficiente realizar una única extracción. Para compuestos solubles en aguadonde K sea próximo a 1, solamente se extraerá una pequeña cantidad del compuesto. En ese caso hay que recurrir a la técnicade extracción líquido-líquido en continuo

Representación grafica de sistemasternarios

Uso de un triangulo equilátero: este diagrama representa en los vértices de los componentes puros Sobre cada lado se representa la mezcla binaria de los

componentes Cualquier punto del interior representa una mezcla ternaria La cantidad relativa de cada componente en al mezcla es

proporcional a la distancia al lado opuesto teniendo en cuanta que la suma de estas distancias es igual a la altura del triangulo

El cociente de cada una por la suma representara la cantidad relativa del componente respecto a ala mezcla

Además también al suma de los segmentos paralelos de cada lado, al efectuar la suma de estos, representa el tamaño del lado.

Las unidades de concentración suelen ser en fracciones peso o fracciones molares

Disolventes que se utilizan parala extracción

Los solventes más utilizados en la extracción son: el cloroformo, la acetona, el bisulfuro de carbono, el alcohol y el aguaquedan siempre en la capa inferior. Disolventes como:Éter etílicoAcetato de etiloToluenoBencenoHexanoquedan siempre en la capa superior. (con el agua no son útiles)AcetonaMetanolEtanol

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

Razones para utilizarlaSeparación de mezclas que forman azeótropos

DIFUSIVIDAD EN LIQUIDOS

Introducción

Antecedentes

Desarrollo del tema

La difusión molecular puede definirse como la transferencia o desplazamiento de moléculas individuales a través de un fluido por medio de los desplazamientos individuales y desordenados de las moléculas.

La distancia promedio entre los choques se le llama trayectoria libre media y es mucho mas corta en los líquidos que en los gases, donde las moléculas están bastantemente separadas. Debido a las constantes interrupciones en sus trayectorias moleculares, los líquidos se difunden mucho mas lentamente que los gases.

Magnitudes de difusión

En la teoría de difusión se utilizan 5 conceptos relacionados entre sí:

1.La velocidad u, definida en la forma habitual de longitud/tiempo.

2.La densidad de flujo N a través de un plano, en moles/área- tiempo.

3.La densidad de flujo J con relación a un plano de velocidad nula, en moles/área-tiempo.

4.La concentración c y la densidad molar M, moles/volumen.

5.El gradiente de concentración dc/db, donde b es la longitud del camino perpendicular al área a través de la cual tiene lugar la difusión.

Las difusividades para grandes moléculas esféricas en soluciones diluidas se pueden predecir a partir de la ecuación stokes-einstein,que se derivo al considerar el arrastre sobre una esfera moviéndose en un fluido continuo.

Para solutos de peso molecular pequeño a moderado (M < 400) la difusividad en los líquidos es mayor que la calculada por la ecuación (17.31) porque el arrastre es menor que el predicho para un fluido continuo.

(17.31)

K= Constante de Boltzmann, 1.380x1023 J/K

Una forma conveniente es:

Los valores recomendados para el parámetros de asociación es de 1 para el benceno, heptano y otros solventes que no se asocian con el hidrógeno.

Conclusión Cuando se mezclan dos líquidos, las moléculas de uno de ellos se difunde en todas las moléculas del otro liquido de a mucho menor velocidad que cuando se mezclan dos gases Sin embargo, como las moléculas en ambos líquidos. La difusión de dos líquidos se puede observarse dejando caer una pequeña cantidad de tinta en un poco de agua. están tan cercas, cada molécula sufre miles de millones de choques antes de alejarse.

Coeficiente de transferencia de

masa

• El calculo de los coeficientes de transferencia de masa se prefiere en función de números adimensionales

• el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y está dado por:

donde:• Re = Número de Reynolds• D = Diámetro del ducto [L]• v = Velocidad promedio del líquido [• ρ = Densidad del líquido []• µ = Viscosidad del líquido []

• Cuando el ducto es una tubería, D es el diámetro interno de la tubería. Cuando no se trata de un ducto circular, se emplea el diámetro equivalente (De) definido como:

De = • Generalmente cuando el número de Reynolds se encuentra por

debajo de 2100 se sabe que el flujo es laminar, el intervalo entre 2100 y 4000 se considera como flujo de transición y para valores mayores de 4000 se considera como flujo turbulento.

Numero de schmidt• es un número adimensional definido como el cociente entre la difusión de

cantidad de movimiento y la difusión de masa, y se utiliza para caracterizar flujos en los que hay procesos convectivos de cantidad de movimiento y masa. Se llama así en honor al ingeniero alemán Ernst Heinrich Wilhelm Schmidt.

• El número de Schmidt relaciona los grosores de las capas límite de cantidad de movimiento y de masa. Se define como:

En donde:es la viscosidad cinemática del fluido.D es la difusividad másica del fluido.es la viscosidad dinámica del fluido.es la densidad del fluido.

Número de Sherwood (Sh)es un número adimensional utilizado en transferencia de masa. Representa el cociente entre la transferencia de masa por convección y difusión. Se llama así en honor a Thomas Kilgore Sherwood.

h𝑆 =𝐾 𝑐 𝐿𝐷

• El coeficiente de transferencia de masa(K) puede ser evaluado como se muestra acontinuacion

• Donde:

•

Número de Nusselt (Nu)• es un número adimensional que mide el aumento de la transmisión de

calor desde una superficie por la que un fluido discurre (transferencia de calor por convección) comparada con la transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por conducción

• L como una longitud característica. Para formas complejas se define como el volumen del cuerpo dividido entre su área superficial.

• kf como la conductividad térmica del fluido.• h como el coeficiente de transferencia de calor.

Número de Prandtl• Es un número adimensional, que va en proporción al cociente entre la

difusividad de momento, conocida como viscosidad y la difusividad térmica. Este número recibe su nombre en honor a Ludwig Prandtl, se encuentra definido por la siguiente formula:

• Donde se tiene que:

ν = viscosidad cinemática.α = difusividad térmica.Cp = capacidad calorífica a presión constante.μ = viscosidad.k = conductividad térmica.

𝑃𝑟=𝑣𝛼 =𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛𝑑𝑒𝑙𝑎𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑑𝑒𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 =𝐶𝑝𝜇

𝑘

• Se considera que el número de Prandtl es bajo (como todos los metales líquidos), cuando la conducción de calor es efectiva en comparación a la convección, pero cuando la convección es eficiente transfiriendo calor en comparación con la conducción, entonces se considera que el número de Prandtl es alto.

• Como se puede apreciar en la siguiente tabla, los valores del número de Prandtl se dan para los distintos materiales

 Número de Lewis (Le) Es un número adimensional definido como el cociente entre la difusividad térmica y la difusividad másica. Se usa para caracterizar flujos en donde hay procesos simultáneos de transferencia de calor y masa por convección. Se define como: en donde:

El número de Lewis puede expresarse también en términos de número de Schmidt y número de Prandtl.

Coeficientes de trasferencia de masa

Turbulencia

Movimiento desordenado de un fluido en el cual las moléculas, en vez de seguir trayectorias paralelas, describen trayectorias sinuosas y forman torbellinos.

K (Coeficiente de transferencia de materia

K es llamado coeficiente de trasferencia de materia. Tiene distintas presentaciones dependiendo de qué es lo que están representando: • Flux molar o másico por unidades de concentración• Flux molar o másico por unidades fracción mol• Flux molar o másico por unidades fracción masa• Flux molar o másico por unidades de presión

Teoría de la película

• Modelo base: La resistencia a la difusión puede considerarse equivalente a la de una película estancada de cierto espesor.

1. Creación de una capa límite2. Gradiente de concentración

en la capa límite3. Gradiente de fracción molar

en la capa límite

4.El valor de CA es el valor de la concentración si estuviese totalmente mezclada

5.El valor de CAi es la concentración en la superficie de contacto de la película.

6.El valor de BT es ligeramente mayor que el espesor de la capa laminar.

Teoría de la capa límite

• Modelo base: Existe un límite en que las velocidades dejan de ser perturbadas por el sólido de contacto en el cual fluye. Allí la difusión se dificulta.

1. La concentración presenta un gradiente en la capa límite

2. La velocidad presenta un gradiente en la capa límite

3. El gradiente de la concentración disminuye a medida que se está cerca de la superficie

4. El valor de Kc es medible cuando el flujo es laminar

Teoría de la capa límite

Número de Sherwood, recordemos que y Re= y Sc es el número de Schmidt.El último término derecho de la ecuación es válida para una transferencia de masa en una capa límite laminar sobre una placa plana.

Coeficientes para transferencia de materia a través de áreas conocidas

Datos de la evaporación de varios líquidos en las torres de pared mojada han creado una correlación distinta a la vista por la teoría de la capa límite de flujo laminar, debido a que allí los flujos son turbulentos y difusividad molecular mayor.

Número de Sherwood para evaporaciones en torres de pared

mojada

• Esta ecuación es ideal para Sc < 430 • Esta puede aplicarse a Sc > 430

Equipos de extracción

liquido-liquido

Clasificación del Equipo

• Por lotes:Mezclador - sedimentadorTorres platos perforados

• Flujo Continuo:Torres aspersorasTorres agitadasTorre empacada

Equipo por lotes

• Embudos de separaciónEste 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.

• Mezcladores-Sedimentadores

•Torres de platos perforada

Torres empacadas

Torres de aspersión

• Libertad extrema del movimiento del líquido

• Armazón vacío con provisión en los extremos para introducir y separar los líquidos

Torres agitadas

TORRE DE PARED MOJADA

OPERACIONES DE SEPARACIÓN MECÁNICA

INTRODUCCIÓNEn la industria los procesos implicados en

operaciones de transferencia de masa son de gran importancia, constituyendo el 50% de capital invertido en equipos donde llevar a cabo dichas operaciones. Existe un gran número de operaciones industriales en las que se ponen en contacto una fase líquida con otra gaseosa, produciéndose el transporte de materia en ambas. Una de estas es la Torre de Pared Mojada.

Torre de Pared MojadaUna torre de pared mojada es esencialmente un tubo vertical con dispositivos para admitir líquido en su parte lateral superior y provocar un flujo descendente del mismo a lo largo del interior del tubo por efecto de la gravedad, así como admitir gas por el interior del tubo, fluyendo a través del tubo en contacto con el líquido. En general el gas entra por el fondo de la torre y fluye en contracorriente con el líquido, pero también puede operarse en paralelo.

En una torre de pared mojada, el área intersticial es conocida, excepto por lo que respecta a algunas complicaciones debidas a la formación de ondulaciones, y además no hay fricción de forma.

Una película delgada de líquido que desciende por el interior de un tubo vertical, con el gas que fluye a contracorriente o a corriente paralela, constituye una torre de paredes mojadas. Estos aparatos se han utilizado para estudios teóricos de transferencia de masa, debido a que la superficie interfacial entre las fases se mantiene fácilmente bajo el control y puede medirse.

También es ampliamente utilizado como intercambiador de calor.

Utilización:

• Determinar coeficientes de transferencia de masa gas/líquido.

• Calcular el diseño de las torres de absorción.

• Dichos coeficientes forman la base de las correlaciones usadas para desarrollar torres de relleno.

Canalización

Aplicaciones IndustrialesIndustrialmente se han utilizado como absorbedores para ácido clorhídrico, en donde la absorción va acompañada por una gran evolución de calor (exotérmica). En este caso la torre de pared mojada está rodeada por agua fría que fluye rápidamente.

La caída de presión del gas en estas torres es probablemente menor que en cualquier otro aparato de contacto gas-líquido, para un conjunto dado de condiciones de operación.

Experimentos a nivel laboratorio

El sistema elegido para el experimento es la absorción de oxígeno en agua libre de oxígeno. En este sistema, la solubilidad y la entalpía de solución son pequeñas, y al saturar el aire de entrada con agua, se eliminan los efectos de humidificación. De esta forma, es posible mantener condiciones razonablemente isotérmicas en toda la columna.

El procedimiento experimental permite calcular una relación de ley de potencia y la comparación de ésta con las relaciones publicadas, tales como:para diversos caudales de oxígeno (en forma de aire) es posible determinar una ley de potencia y compararla con los valores publicados.

DescripciónLos componentes del sistema están montados en un bastidor de suelo de acero pintado. La columna de pared mojada es una columna de vidrio con secciones de entrada y salida de agua, y está montada sobre cardanes con el fin de asegurar su verticalidad.La columna de desoxigenación tiene un tamaño global similar al de la columna de pared mojada, y está situada en posición vertical junto a aquélla. Al lado de las columnas hay una consola de control con caudalímetros, controles de bomba y analizador de oxígeno.

Entre las columnas hay dos alojamientos especiales, que contienen las sondas de análisis de oxígeno que monitorizan el contenido de oxígeno en el agua que entra y sale de la columna de absorción.

El aparato utiliza como medio de trabajo agua, contenida en un tanque de almacenamiento en la parte de atrás de la unidad. Las bombas que suministran agua al desoxigenador y la columna de absorción están situadas en la base de la unidad.

Durante la operación, el agua es asperjada con nitrógeno en el desoxigenador antes de entrar por la parte superior de la columna de pared mojada. Una bomba de aire integral tipo diafragma bombea aire en la base de la columna. El aire asciende por la columna, entregando el oxígeno al agua.

El oxígeno disuelto en la entrada y la salida puede medirse en rápida sucesión. El agua se drena al tanque de almacenamiento para su reciclaje al desoxigenador.

Problemas propuestos1)¿Cuál será el espesor efectivo de la película gaseosa para la evaporación de agua en aire en una columna de pared mojada de 1.6 in de diámetro con un número de Reynolds de 9,000 y una temperatura de 0° C? Repita el cálculo para Helio a la misma temperatura.

• La densidad del aire a 0°C es 1.3 Kg/m3• Viscosidad del aire a 0°C es 0.171 cp• La densidad del helio a 0°C es 0.178 Kg/m3• Viscosidad del helio a 0°C es 0.194 cp• Difusividad del hielo en aire = 0.7 cm2/seg• Difusividad del agua en aire = 0.26 cm2/seg

Sustancia

M Punto de Ebullición (°C)

VA en el punto de ebullición, cm^2/mol

μ a 110 °C

Benceno

78.11 80.1 96.5 0.24

Tolueno

92.13 110.6 118.3 0.26

2) Calcule la difusividad del benceno en tolueno y del tolueno en benceno a 110 °C. Las propiedades físicas se muestran a continuación:

Bibliografía

•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.

Fernández, G. (s.f.). Industria química. NET . Obtenido de http://www.industriaquimica.net/absorcion-y-desorcion.html

IPN. (s.f.). INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL - FACULTAD DE MECÁNICA . Obtenido de http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/147/TESISoinete.pdf?sequence=1

L. McCabe, W., C. Smith , J., & Harriot, P. (2007). Operaciones Químicas en ingeniería química. México D.F.: McGraw-Hill.