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Versin 1.0 UNIVERSIDAD DEL VALLE
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II
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Prctica N 1
EVAPORACIN
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO
Evaporacin
La evaporacin es un proceso de concentracin de soluciones
diluidas en las que el
disolvente se elimina por ebullicin del mismo por calentamiento
con diferentes
energas o por simple calentamiento en grandes superficies que
permite la prdida del
solvente sin llegar a la ebullicin, por ejemplo mediante la
energa solar. Normalmente
el disolvente universal que se remueve es agua pero en muchas
industrias tambin se
evaporan otros solventes orgnicos.
El fin que se persigue con la evaporacin principalmente es la
obtencin de un slido
de pureza adecuada a partir de soluciones como un proceso de
separacin de otros
productos muy solubles o que facilite el transporte o almacenaje
de dicho slido.
La formacin de cristales en una solucin exige la condicin de que
se alcance un
estado de sobresaturacin ya sea por evaporacin enfriamiento o
adicin de un
compuesto qumico. A medida que sube la temperatura normalmente
se aleja de la
composicin de saturacin, como la solubilidad crece con la
temperatura, en la mayora
de los casos, es necesario en muchos separar en caliente o
esperar un enfriamiento.
Durante la evaporacin el sistema aumenta la concentracin hasta
la saturacin y se
produce la cristalizacin pudindose calcular la cantidad de
cristales en funcin de la
cantidad de agua evaporada.
Sc = E k
E = cantidad de agua evaporada
Sc = cantidad de componente que cristaliza
k = constante del sistema
Hay tres tipos principales de equipos de evaporacin utilizados
en la industria:
a) Calderas
b) Evaporadores
Plantas de fuerza
Qumicos
c) Intercambiadores Vaporizadores
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Re hervidores
Vaporizadores
Los procesos de evaporacin en plantas de fuerza se clasifican en
cuatro entidades:
1. Evaporadores de agua de compensacin para alimentar a la
caldera
2. Evaporadores de proceso para la produccin de agua
purificada
3. Evaporadores transformadores de calor
4. Destiladores de salmuera
El propsito principal de la mayora de los evaporadores en las
plantas de fuerza, es la
separacin de agua pura a partir de agua cruda o tratada. Las
impurezas se retiran
continuamente del sistema mediante la purga.
Los evaporadores qumicos se clasifican en dos grupos: de
circulacin natural y de
circulacin forzada. Los evaporadores de circulacin natural se
usan unitariamente o
en efecto mltiples para los requerimientos ms simples de
evaporacin. Los
evaporadores de circulacin forzada se usan para lquidos
viscosos, para los que
forman sales, y las soluciones que tienden a incrustarse.
Un evaporador puede ser operado de forma intermitente (las
operaciones de llenado,
evaporacin y vaciado se ejecutan en pasos sucesivos), semi-
intermitente (la
alimentacin se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga
se efecta hasta que
alcanza la concentracin final), de forma continua- intermitente
(la alimentacin es
continua y, en ciertas partes del ciclo, la descarga tambin es
continua) y, finalmente,
tambin se pueden operar en continuo, en cuyo caso la alimentacin
y la descarga son
continuas, permaneciendo la concentracin de la alimentacin y del
producto
prcticamente constante.
En el caso de la prctica tenemos un evaporador de simple efecto,
que opera de forma
discontinua o intermitente, por lotes.
2. COMPETENCIAS
El alumno aplica las ecuaciones de clculo para evaporadores en
un proceso de
concentracin de un producto en un evaporador de simple efecto y
discontinuo por
lotes.
El alumno calcula el balance de masa en el proceso y el balance
de energa en el
proceso.
El alumno debe extrapolar con los datos de la prctica a
condiciones industriales.
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3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
3.1 Equipos y materiales
- 1 olla de 10 L de capacidad
- 1 balanza
- 1 cocina con garrafa con GLP
- 1 vaso de precipitacin de 2 L
- 1 vaso de precipitacin de 600 ml.
- 1 esptula o cuchara de madera
- 1 piseta
- 1 termmetro escala (0 -100) C
- 1 cronometro
- 1 embudo Buchner
- 1 kitasatos
- 1 bomba de vacio
- Papel filtro
- 2 Probetas de 1 L.
- 1 Tijera
3.2 Reactivos
- Cloruro de sodio
- Agua
4. TECNICA O PROCEDIMIENTO
Se determina la cantidad de agua evaporada y la cantidad de sal
obtenida en un
determinado tiempo de calentamiento y evaporacin utilizando un
flujo constante de
GLP.
- Preparar una solucin de NaCl de concentracin conocida pesando
1500 g de
sal y disolviendo en 4 L de agua, usando una olla de acero
inoxidable.
- Pesar la solucin preparada
- Calentar y evaporar durante 1 hora usando la cocina a gas y
medir la
temperatura al inicio y al final.
- Esperar que la mezcla enfri hasta el da siguiente, medir la
temperatura y
luego pesar todo el producto (salmuera y cristales).
- Realizar la separacin del precipitado por filtracin al
vaco.
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- Pesar el precipitado antes y despus de secar si se cuenta con
un horno de
secado en caso contrario pesar el precipitado hmedo.
- Pesar la salmuera filtrada y medir su volumen con un cilindro
graduado.
Completar los datos de la tabla para la elaboracin de los
clculos.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA
Tiempo estimado de duracin de la prctica 100 min.
6. MEDICIN, CLCULOS Y GRFICOS
Llenar la tabla con los datos y los clculos realizados de la
prctica.
Tabla 1
DATOS VALOR UNIDAD
Masa inicial de agua
Masa inicial de sal
Masa de la solucin
Temperatura inicial
Temperatura final
Masa final total
Masa del precipitado
Masa de la salmuera
Flujo de gas utilizado
Tabla 2
VARIABLE FORMULA RESULTADO UNIDAD
Composicin Inicial:
Composicin Final:
Calor cedido por el combustible:
Flujo de vapor eliminado:
Relacin de vapor eliminado Vs flujo de gas consumido:
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6.1 Determinar la composicin en % de la solucin preparada.
6.2 Con la masa final del producto tanto de la salmuera como de
los cristales, aplicar
el balance de masa para determinar la composicin de la salmuera
obtenida
despus de la evaporacin.
6.3 En funcin al tiempo de evaporacin y el poder calorfico del
GLP determinar la
cantidad de calor cedido por el combustible en el proceso.
6.4 Realizar un balance de energa para determinar el flujo de
vapor de agua
eliminado.
6.5 Determinar la relacin de vapor eliminado Vs el flujo de gas
consumido para
extrapolar los resultados a condiciones industriales.
6.6 Completar los datos de la tabla anterior que contenga los
resultados calculados.
7. CUESTIONARIO
7.1 Cules son las formas y los tipos de evaporacin, de la
operacin unitaria?
7.2 Qu variables se pueden controlar en un proceso de evaporacin
y con cual
finalidad?
7.3 Cundo se recomienda trabajar en un proceso de evaporacin al
vaco?
7.4 En una planta para la produccin de sal, de grado alimentario
se trabaja con
una solucin de NaCl al 3%, esta solucin se evapora hasta
alcanzar el 15%
en un evaporador simple. El calor especfico de la alimentacin es
de 0.98
Btu/lb F, el de la solucin al 15 % es de 0.90 Btu/lb F. La
temperatura de
alimentacin es de 70 F, el punto de ebullicin del evaporador es
de 220 F. Se
requieren 970 Btu para evaporar 1 lb de agua de la solucin
hirviendo. El vapor
de calefaccin cede solamente su calor latente de vaporizacin que
es de 946
btu/lb.
Se pide calcular:
a) Cuantas libras de vapor/ hora se requieren para alimentar 100
lb/h de
salmuera?
b) Modifique las condiciones de alimentacin y concentracin de
salida
para el diseo de este equipo y determine cuantas libras de vapor
se
requieren para estas nuevas condiciones?
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Prctica N 2
DESTILACIN ATMOSFRICA DE HIDROCARUROS
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO
La destilacin es una operacin unitaria en la cual se produce la
vaporizacin de un
material por la aplicacin de calor; es mtodo empleado en
diferentes industrias, a
pequea, mediana y gran escala, para llevar a cabo separaciones
parciales de los
componentes ms voltiles de mezclas de lquidos miscibles.
El objetivo de la destilacin Atmosfrica es extraer los
hidrocarburos presentes
naturalmente en el crudo por destilacin, sin afectar la
estructura molecular de los
componentes.
La destilacin del crudo, se basa en la transferencia de masa
entre las fases liquido -
vapor de una mezcla de hidrocarburos.
La destilacin permite la separacin de los componentes de una
mezcla de
hidrocarburos, como lo es el petrleo, en funcin de sus
temperaturas de ebullicin.
Para que se produzca la "separacin o fraccionamiento" de los
cortes, se debe
alcanzar el equilibrio entre las fases lquido-vapor, ya que de
esta manera los
componentes ms livianos o de menor peso molecular se concentran
en la fase vapor
y por el contrario los de mayor peso molecular predominan en la
fase liquida, en
definitiva se aprovecha las diferencias de volatilidad de los
hidrocarburos.
El equilibrio liquido-vapor, depende principalmente de los
parmetros termodinmicos,
presin y temperatura del sistema. Las unidades se disean para
que se produzcan
estos equilibrios en forma controlada y durante el tiempo
necesario para obtener los
combustibles especificados.
Variables del Proceso
Los paramentos termodinmicos que gobiernan la destilacin son la
temperatura y
presin del sistema, por tal motivo consideramos como variables
del proceso todas
aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases
vapor-liquido.
Factores de Proceso
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Temperatura de
Transferencia
Esta es la mxima temperatura a la que se eleva
el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en
destilados depende de esta variable.
Presin de trabajo
Es la presin a la cual se produce la operacin.
Si bien afecta directamente el equilibrio liquido-
vapor, generalmente se trabaja a la menor
presin posible, y por ende no se varia
frecuentemente.
Temperatura de cabeza
Es la temperatura en la zona superior de la
columna fraccionadora, se controla con el
reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fra
que genera la corriente de lquidos que se
contactan con los vapores, producindose los
equilibrios liquido-vapor.
Temperatura del corte
Es la temperatura a la cual se realiza la
extraccin lateral de un combustible. Esta
temperatura es controlada con el reflujo de
cabeza y reflujos circulantes. Estos ltimos
tienen un efecto semejante que el reflujo de
cabeza y adems precalientan el crudo,
recuperando energa
Normalmente, la mezcla lquida es cargada en lotes a un
recipiente y sometida a
ebullicin. Los vapores que se desprenden continuamente, se
condensan y se
recolectan con o sin retorno al recipiente en donde se lleva a
cabo la separacin y
ebullicin de la mezcla.
Equilibrio de Fases
Para que dos fases se encuentren en equilibrio es necesario que
no exista ninguna
tendencia de la energa o de la materia a cruzar la interface que
separa las mismas.
Por tanto, la transferencia de materia o energa entre fases es
un proceso reversible.
Las condiciones para que exista equilibrio son:
1. Que no haya transferencia neta de calor entre las fases
2. Que no exista desplazamiento del lmite entre las fases
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3. Que la transferencia neta de materia entre las fases sea
considerada nula
Para que se cumplan las dos primeras condiciones se requiere que
la presin y la
temperatura para cada fase sean constantes. Para cumplir la
tercera situacin se
introdujo el concepto de potencial qumico, como la fuerza
impulsora para la
transferencia de masa. Entonces, el equilibrio de fases se da
cuando el potencial
qumico para cada componente es igual en cada fase.
Debido a que el potencial qumico no tiene significado fsico se
utiliza la funcin
fugacidad, propuesta por G. N. Lewis, que se define como la
tendencia que tiene un
componente a escapar de una mezcla.
Para determinar el equilibrio lquido-vapor de una mezcla se
tienen diferentes mtodos:
1. Determinacin experimental
2. Aproximar el comportamiento de las fases al ideal
3. Determinar los datos de equilibrio a partir de unos pocos
datos experimentales y
ecuaciones empricas.
4. Estimar el equilibrio utilizando las propiedades fsicas de
los componentes puros y
relaciones empricas.
Diagramas de fases
Los diagramas de fases son utilizados para describir el
comportamiento del equilibrio
lquido- vapor, en estos diagramas se grafican dos de las
siguientes variables:
Composicin
Presin
Temperatura
Entalpa
Para mezclas binarias la tercera variable independiente se deja
constante. Las curvas
ms empleadas son las de temperatura-composicin,
presin-composicin, entalpa
composicin y composicin en la fase vapor-composicin en la fase
lquida. La
siguiente figura indica el Diagrama de fases de una mezcla de
gasolina en funcin de
la composicin de lquido y la composicin del vapor.
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Diseo de Columnas de Destilacin.
Mtodo de McCabe-Thiele.
La destilacin fraccionada con reflujo se puede definir
bsicamente como la
combinacin de una serie de separaciones por vaporizacin
instantnea, de forma que
los vapores y lquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. A
cada etapa entra una
corriente de vapor y una de lquido que al ponerse en contacto
entran en equilibrio, por
ende, las corrientes que salen de esta etapa se encuentra en
equilibrio a la
temperatura de la etapa. Este esquema de trabajo se utiliza
cuando la volatilidad
relativa de los componentes es comparable.
En la figura se ilustra el esquema bsico de una columna de
fraccionamiento continuo
con secciones de enriquecimiento y agotamiento.
El mtodo McCabe-Thiele es un algoritmo grfico que permite
determinar el nmero de
platos o etapas tericas necesarios para la separacin de una
mezcla binaria. Este
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Yi, O
ctan
o
Xi, Octano
DIAGRAMA DE FASES DE MEZCLA C8 - C9
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procedimiento emplea la curva de equilibrio xy y algunos
balances de materia para
determinar las lneas de operacin de cada seccin de la torre.
Una etapa terica en un dispositivo de destilacin cumple las
siguientes condiciones:
1. Trabaja en estado estable, generando un producto en fase
lquida y otro en fase
vapor.
2. Las corrientes de vapor y de lquido que ingresan a cada etapa
se encuentran
perfectamente mezcladas.
3. La corriente de vapor y lquido que salen de la etapa se
encuentran en equilibrio
de fases.
La principal suposicin que se toma en el mtodo McCabe-Thiele es
el derrame
equimolar a travs de la torre, entre el plato superior y el de
alimentacin, y el plato de
alimentacin el inferior. Esta suposicin se fundamenta en que las
diferencias de los
calores sensibles de las cuatro corrientes que interactan en una
etapa son
despreciables cuando los calores de disolucin son muy
pequeos.
Por tanto, los calores latentes de las corrientes de vapor son
importantes en el balance
de energa, tomando en cuenta que los calores de vaporizacin para
compuestos
qumicamente similares son muy parecidos, los flujos de vapor son
constantes a travs
de la torre as como tambin los flujos de lquido.
Para la siguiente figura, se tiene:
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Balance global: planteando un balance molar global de materia y
otro por componente
en la columna se tiene:
Seccin de Enriquecimiento:
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En la figura se representa el esquema superior de la torre
incluyendo las corrientes en
cada etapa. Los balances de materia global y por componente para
la seccin
encerrada por la lnea punteada se definen:
La lnea de operacin para la seccin de enriquecimiento est
determinada por la
variacin de la composicin de la fase vapor en trminos de la
composicin en la fase
lquida, para hacer esto se despeja Y n+1 de la ecuacin:
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Empleando la suposicin de derrame equimolar para los flujos
lquidos, L1 = L2 = LN, la
razn de reflujo se hace constante. Remplazando las ecuaciones se
obtiene la lnea de
operacin para la seccin de rectificacin:
Seccin de agotamiento:
En la siguiente figura se muestra el esquema inferior de la
torre. Para la zona
encerrada por la lnea punteada los balances de materia global y
por componente
vienen dados por las ecuaciones:
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Despejando Y m+1 para obtener la lnea de operacin para la seccin
de agotamiento
se tiene:
Balance para la Seccin de Alimentacin
El mtodo de McCabe-Thiele especifica el estado termodinmico de
la alimentacin en
trminos del parmetro q, que se define como:
Los respectivos valores de q nos indican el valor de la
pendiente de la curva
representada por la ecuacin, en la figura se presentan las
condiciones tpicas de
alimentacin.
Luego:
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Algoritmo para Determinar el Nmero de Etapas Tericas
En una columna de destilacin, el nmero de etapas puede ser
determinado
comenzado a marcar grficamente las etapas desde la composicin
del destilado o la
de los fondos.
El procedimiento para el clculo de las etapas tericas necesarias
para una separacin
dada es:
1. Construir el diagrama de equilibrio x-y.
2. Escoger o calcular la relacin de reflujo.
3. Localizar la composicin de alimentacin ZF sobre la diagonal y
= x. La
lnea q, que define la condicin de alimentacin, puede ser
determinada
conociendo las propiedades termodinmicas de la corriente de
alimentacin
o suponiendo un estado de saturacin.
4. Localizar la composicin del destilado XD deseada sobre la
diagonal de 45.
La curva de operacin para la seccin de enriquecimiento, bien
sea
utilizando la ecuacin cualquiera de las dos ecuaciones, parte
desde el
punto y = x = XD hasta el interseccin y = XD /(R + 1), en x =
0.
No obstante, la lnea de operacin se detiene cuando se cruza con
la lnea
de alimentacin.
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5. Se localiza la composicin de los fondos Xw sobre la diagonal.
La curva de
operacin para la seccin de agotamiento pasa por el punto y = x =
Xw y por
la interseccin entre la lnea de operacin para la seccin de
enriquecimiento y la lnea q.
6. Se trazan las etapas tericas desde la cima hacia los fondos
hasta alcanzar
la composicin deseada o una inferior.
2. COMPETENCIAS
El estudiante conoce las principales operaciones unitarias que
se manejan en
un proceso de separacin de hidrocarburos.
El estudiante identifica los equipos bsicos de operacin, que
forman parte de
una planta de refinacin de petrleo.
El estudiante reconoce las diferencias entre el diseo de una
columna
empacada y una columna de platos.
El estudiante conoce la importancia de la aplicacin de normas de
seguridad
en la industria petrolera para trabajar en plantas de
procesamiento de
hidrocarburos.
3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
Unidad de Destilacin experimenta de Hidrocarburos. Documento de
referencia,
manual de seguridad e Higiene de Laboratorios de IPG.
3.1 Reactivos
Petrleo Crudo
Equipo de Proteccin Personal. EPP
Overol de algodn
Botas de Seguridad
Casco de seguridad
Guantes de cuero
Gafas de seguridad
Protectores auditivos (prescindible)
Nota.- El estudiante que no cuente con los EPP indicados o
durante la realizacin de la prctica se quita alguno de ellos, no
podr ingresar a la unidad de destilacin y ser expulsado
inmediatamente de la misma.
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4. TECNICA O PROCEDIMIENTO
Documento de Referencia: Manual de Procedimiento de la Unidad de
destilacin
de Hidrocarburos.
Se formarn sub grupos a los que se asignarn diferentes reas de
trabajo dentro
la unidad, las cuales sern rotativas durante la realizacin de la
prctica.
Es imprescindible que atienda la explicacin del docente,
respecto al trabajo que se
realizar dentro la unidad.
Antes de iniciar la prctica el estudiante deber llenar la hoja
de inspeccin de la
UDEH.
Antes de iniciar la prctica en la UDEH, todo estudiante deber
llenar la hoja de
ingreso a la UDEH.
La toma de datos se realizar en el tiempo que determine el
docente, se tomarn
los siguientes datos:
Volumen de carga
Temperatura de fondo
Volumen de destilado
Volumen de residuo
5. TIEMPO DE DURACIN DE LA PRACTICA
Tiempo estimado de duracin de la prctica 6 horas
6. MEDICIN, CLCULOS Y GRFICOS
- Realizar la curva de destilacin con los obtenidos por el
software
- Medicin de la cantidad obtenida de cada corte (porcentaje de
destilado)
- Realizar un balance de materia en todo el proceso,
identificando volumen
alimentacin F, volumen destilado D, volumen residuo W.
- Elabore una tabla con los resultados
7. CUESTIONARIO
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7.1. Cul es el componente clave ligero y clave pesado
identificado en el
proceso?
7.2. Realice un diseo de una columna de platos para la UDEH,
utilizando el
mtodo McCabe Thiele, asumiendo una separacin de mezclas binarias
a
partir de los componentes claves ligeros y pesad. Determine:
7.2.1. El nmero de platos tericos
7.2.2. En nmero de platos reales
7.2.3. El plato de alimentacin
7.2.4. La composicin de gasolina en el residuo.
7.3. Que otro mtodo cree usted que se podra emplear para
realizar el diseo
de esta columna?
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VERIFICACION DE INFRAESTRURA
AREA DE PROCESO
El tren de vlvulas de seguridad del quemador del horno se
encuentra en buenas condiciones de operacion?
(Valvula ausente, rota)
Las conexiones y cableado del horno se encuentran en condiciones
optimas para el inicio de la operacion?
El manmetro se encuentra en buenas condiciones? (Rotura, mal
calibrado)
La termocupla del horno de combustin se encuentra en buen
estado? (rotura, desgaste del empaque,
sensor expuesto)
Las vlvulas a la salida del horno se encuentran en condiciones
de operacin? (Llave rota, corrosin,
obstruccion)
El aislamiento en el horno presenta roturas, rajaduras en el
material refractario?
La retorta en el horno no presenta daos ni desgaste que pueda
implicar la tolerancia de condiciones de
presion y temperatura ?
Las empaquetaduras y pernos de la torre se encuentran en buen
estado? (corrosin, rotura, empaquetadura
seca)
La llave de purga en la base de la torre se encuentra en buen
estado? (Llave rota, corrosin, obstruccion)
El sistema de aislamiento en la torre de destilacin se encuentra
en condiciones optimas para cumplir su
funcion? (Lana de vidrio sobre salida, envejecida)
Las vlvulas en la cabeza de la torre se encuentran en
condiciones de operacin? (Llave rota, corrosin,
ausencia de palanca de llave)
El manmetro en la cabeza de la torre se encuentra en condiciones
optimas para el inicio de
funcionamiento? (Rotura, mal calibrado)
Las termocuplas del intercambiador de calor se encuentran en
buen estado? (rotura, desgaste del
empaque, sensor expuesto)
La llave de paso de entrada del agua al intercambiador de calor
se encuentra en buen estado? (Llave rota,
corrosin)
La bomba de agua para el sistema de enfriamiento se encuentra en
condiciones ptimas de
funcionamiento? (Proteccin elctrica, corrosin del rotor,
corrosin externa)
revisar el ventilador de la parte superior de la torre
EL nivel y tiempo de almacenamiento del agua en el tanque se
encuentra dentro las especificaciones del
procedimiento.
AREA DE ALMACENAMIENTO
Almacenamiento de GLP
Los reguladores de las garrafas de GLP se encuentran en
condiciones de optimas de operacion? (corrosion,
rotura, desgast de la empaquetadura)
Las mangueras de conexin se encuentran en buenas condiciones?
(Manguera seca, grietas)
Las llaves de paso del tanque de crudo se encuentran en
condiciones de operacin? (Llave rota, corrosin)
La bomba de crudo se encuentra en condiciones ptimas de
funcionamiento? (Proteccin elctrica,
corrosin del rotor, corrosin externa)
Las llaves de paso del tanque de GN se encuentran en buen
estado? (Llave rota, corrosin)
El tanque de almacenamiento de GN se encuentra en buen estado?
(Paredes daadas, Corrosin)
Las tuberas se encuentran pintadas segn el color respectivo para
la sustancia transportada?
La direccin de flujo se encuentra debidamente sealizada en la
tubera?
Los equipos que presentan superficies calientes cuentan con la
debida sealizacion y la misma se encuentra
en buen estado? (Desgastada, ausente)Los tanques de
almacenamiento de combustibles se encuentran debidamente
identificados bajo la norma
NFPA?
Las areas con riesgo de incendio se encuentran debidamente
sealizadas?
Las areas con peligro de gases inflamables cuentan con la
sealizacion respectiva? (Claramente visible)
El area de delimitacion normativa para la prohibicion "No fumar"
se encuentra dentro de la especificacion
de la norma? (Claramente visible)
La alarma de emergencia se encuentra debidamente sealizada?
(Claramente visible)
Los extintores se encuentran debidamente sealizados? (Claramente
visible)
Las diferentes areas de proceso y almacenamiento se encuentran
con la senalizacion de uso de EPP propia
de la misma? (Claramente visible)
La restriccion de acceso a la unidad de destilacion de
hidrocarburos se encuentra debidamente identificada
segun el procemiento? (Claramente visible)
Las puertas de salida de emergencia se encuentran debidamente
sealizadas? (Claramente visibles)
La restriccion de acceso restringido a personal autorizado a la
unidad de destilacion de hidrocarburos se
encuentra debidamente identificada segun el procemiento?
(Claramente visible)
________________________________________
FIRMA
________________________________________
FIRMA COORDINADOR
SI
(Bueno)
NO
(Malo)OBSERVACIONES
SI
(Bueno)
NO
(Malo)OBSERVACIONES
Almacenamiento de GN (Gasmetro)
SEALIZACION
Almacenamiento de crudo de petrleo
HOJA DE INSPECCIN TCNICA UDEH
FECHA:
NOMBRE:
CARGO:
Nro de registro:
Torre de destilacin atmosfrica.
Intercambiador de calor.
Torre de enfriamiento.
AREA DE PROCESO
SI
(Bueno)
NO
(Malo)OBSERVACIONES
Horno
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Prctica N 3
TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES
1.- CONOCIMIENTO TERICO REQUERIDO:
Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar
un fluido que est ms
caliente de lo deseado, transfiriendo calor a otro fluido que
est fro y necesita ser
calentado. La transferencia de calor se realiza a travs de una
pared metlica o de un
tubo que separa ambos fluidos.
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy
variadas y reciben
diferentes nombres:
Intercambiador de Calor: Realiza la funcin doble de calentar y
enfriar dos
fluidos.
Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
Enfriador: Enfra un fluido por medio de agua.
Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora
proporciona el
calor de reebulicin que se necesita para la destilacin. (Los hay
de termosifn,
de circulacin forzada, de caldera)
Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del lquido
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.
Los tipos fundamentales de intercambiadores que se manejan en la
industria son.
Intercambiadores de tubera doble
Intercambiadores enfriados por aire (Aero enfriadores)
Intercambiadores de tipo placa
Intercambiadores de casco y tubo
Intercambiadores de tubera doble.
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Consiste en un tubo pequeo que est dentro de otro tubo mayor,
circulando los fluidos
en el interior del pequeo y entre ambos.
Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de rea
de transferencia son
pequeos.
Intercambiadores enfriados por aire.
Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de
aire, que puede ser
forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener
aletas para aumentar el
rea de transferencia de calor . Pueden ser de hasta 40 ft (12 m)
de largo y anchos de
8 a 16 ft (2,5 a 5 m).
La seleccin de un intercambiador enfriado por aire frente a uno
enfriado por agua es
una cuestin econmica, hay que consideran gastos de enfriamiento
del agua,
potencia de los ventiladores y la temperatura de salida del
fluido.
Intercambiadores de tipo placa.
Llamados tambin intercambiadores compactos. Pueden ser de
diferentes tipos:
Intercambiadores de tipo placa y armazn (plate-and-frame)
similares a un filtro
prensa.
Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate
fin).
Admiten una gran variedad de materiales de construccin, tiene
una elevada rea de
intercambio en una disposicin muy compacta. Por la construccin
estn limitados a
presiones pequeas.
Intercambiadores de casco y tubo.
Son los intercambiadores ms ampliamente utilizados en la
industria qumica y con las
consideraciones de diseo mejor definidas. Consisten en una
estructura de tubos
pequeos colocados en el interior de un casco de mayor
dimetro.
Las consideraciones de diseo estn estandarizadas por: The
Tubular Exchanger
anufacturers Association (TEMA). Un intercambiador de calor de
casco y tubo
conforme a TEMA se identifica con tres consideraciones de diseo:
la indicativa del tipo
del cabezal estacionario, la indicativa del tipo de casco, el
tipo de cabezal del extremo
posterior, el dimetro del casco y la longitud nominal de los
tubos en pulgadas.
Los intercambiadores de casco y tubo de TEMA, tienen la
siguiente descripcin de sus
componentes principales:
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2. COMPETENCIAS
El alumno conoce las principales operaciones unitarias que se
manejan en un
proceso de separacin de hidrocarburos.
El alumno identifica los equipos bsicos de operacin, que forman
parte de una
planta de refinacin de petrleo.
El alumno determina los coeficientes globales de transferencia
de calor del
fluido que circula por tuvo y por coraza.
El alumno conoce la importancia de la aplicacin de normas de
seguridad en la
industria petrolera para trabajar en plantas de procesamiento de
hidrocarburos.
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3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
Unidad de Destilacin experimenta de Hidrocarburos. Documento de
referencia,
manual de seguridad e Higiene de Laboratorios de IPG.
3.1. Materiales y Equipos
- Termmetro infrarrojo
- Flexmetro de 5 mts.
- Baldes de plstico de 10 Lts
- Embudo metlico para gasolina
3.2. Reactivos
- Petrleo Crudo
Equipo de Proteccin Personal. EPP
Overol de algodn
Botas de Seguridad
Casco de seguridad
Guantes de cuero
Gafas de seguridad
Protectores auditivos (prescindible)
Nota.- El estudiante que no cuente con los EPP indicados o
durante la realizacin de
la prctica se quita alguno de ellos, no podr ingresar a la
unidad de destilacin y ser
expulsado inmediatamente de la misma.
4. PROCEDIMIENTO
Se formarn sub grupos a los que se asignarn diferentes reas de
trabajo dentro
la unidad, las cuales sern rotativas durante la realizacin de la
prctica.
Es imprescindible que atienda la explicacin del docente,
respecto al trabajo que
se realizar dentro la unidad.
Antes de iniciar la prctica el estudiante deber llenar la hoja
de inspeccin de la
UDEH.
Antes de iniciar la prctica en la UDEH, todo estudiante deber
llenar la hoja de
ingreso a la UDEH.
Realice una inspeccin visual de los parmetros de diseo del
IC.
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Durante la operacin de la UDEH, cuando la temperatura de cabeza
de la torre de
destilacin indique el inicio del proceso de condensacin,
encender la bomba de
circulacin de agua hacia el IC. Misma que ser indicada por el
docente
La toma de datos se realizar en el tiempo que determine el
docente, se tomarn
los siguientes datos:
a) Flujo de agua de enfriamiento, determinado por la bomba de
agua.
b) Temperatura de entrada y salida del agua al IC, (ver panel de
control).
c) Temperatura de cabeza de la torre de destilacin.
d) Volumen de producto destilado en los tanques de
almacenamiento. (los
volmenes de cada tanque se manejarn como datos separados)
5. TIEMPO DE DURACIN DE LA PRCTICA
Tiempo estimado de duracin de la prctica: 6 horas
6. MEDICIN, CLCULOS Y GRFICOS
Elabore una tabla, con todos los parmetros de diseo de IC de la
UDEH
Determine los coeficientes de transferencia de calor para los
fluidos por tuvo y
coraza. Utilizando las grficas especficas para el diseo de
IC.
Determine el coeficiente total de transferencia de calor.
7. CUESTIONARIO
1. Que es el coeficiente de suciedad y cual su importancia para
el diseo de
Intercambiadores de calor?
2. Para el caso particular de la prctica, donde se tiene un
volumen destilado de
una mezcla de gasolina como se determina la cantidad de calor
transferida por
este combustible y de que depende?
3. Se han de calentar 37,5 kg/s de un crudo de petrleo desde 295
hasta 330 K
por intercambio de calor con el producto de cola de una columna
de destilacin.
El producto de cola, con una velocidad de flujo de masa de 29,6
kg/s, se ha de
enfriar desde 420 hasta 380 K. Se dispone de un intercambiador
de calor
tubular con un dimetro interior de la carcasa de 0,60 m que
tiene un paso del
lado de la carcasa y dos pasos del lado de los tubos. El
cambiador tiene 324
tubos de 19 mm de dimetro exterior con 2,1 mm de espesor de
parad y 3,65 m
de longitud, dispuestos en una red cuadrada de 25 mm y
soportados por placas
deflectoras con un corte del 25 % espaciadas a intervalos de 230
mm. Ser
adecuado este intercambiador?
Temperatura media del crudo de petrleo: 313 K
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Capacidad calorfica: 1,986 x 103 J/kgK
Viscosidad: 0,0029 N s/m2
Conductividad calorfica: 0,136 W/mK
Densidad: 824 kg/m3
Para el producto de cola a 400 K ;Cp =2200 J/kgK
Practica No 4
EXTRACCIN CON SOLVENTES
1. CONOCIMIENTO TERICO REQUERIDO
La extraccin es una de las operaciones bsicas del laboratorio.
Se define como la
accin de separar con un lquido una fraccin especfica de una
muestra, dejando el
resto lo ms ntegro posible.
Se pueden realizar desde los tres estados de la materia, y se
denominan:
1) Extraccin slido lquido
2) extraccin lquido lquido
3) extraccin gas lquido.
Este proceso de separacin de sustancias est basado en la libre
distribucin de la
sustancia en dos fases.
Mediante esta tcnica se pueden separar componentes que se hallan
presentes en
mezclas slidas (extractor soxhlet); o mezclas lquidas usando un
embudo de
decantacin, basados siempre en las diferencias de distribucin de
sus componentes
individuales en dos fases que interactan a travs de un rea de
tamao considerable.
La extraccin con solventes es una tcnica de tratamiento que
consiste en usar un
solvente (un lquido capaz de disolver otra sustancia) para
separar o retirar
compuestos de una fase homognea.
Se pueden obtener diferentes productos como aceites y grasas a
partir de muestras
vegetales y animales utilizando tcnicas estas tcnicas.
La tcnica ms importante de separacin se basa en el reparto
selectivo del soluto
entre dos fases no miscibles, que pueden ser una acuosa y una
orgnica.
La distribucin del soluto entre las dos fases inmiscibles es un
fenmeno de equilibrio
que se describe por medio de la ley de distribucin, cuya
constante de equilibrio se
denomina coeficiente de distribucin o coeficiente de reparto.
Las constantes de
distribucin permiten calcular la concentracin del soluto que
permanece en una
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solucin despus de un nmero de extracciones y permite determinar
la forma ms
eficiente de realizar una separacin por extraccin.
Es importante tener en cuenta que las sustancias inicas y los
compuestos orgnicos
polares, estarn en mayor proporcin en la fase acuosa, mientras
que los compuestos
orgnicos no polares, estarn en mayor proporcin en la fase
orgnica.
S(fase1) S(fase 2)
[ ( )]
[ ( )]
Dado en concentraciones molares
KD es el coeficiente de distribucin, si KD es suficientemente
grande el soluto pasar
de la fase 1 a la fase 2, pero si KD es pequeo el soluto
permanecer en la fase 1. Los
estados fsicos de ambas fases se identifican al describir el
proceso de separacin
nombrando primero la fase que contiene el soluto.
La extraccin soxhlet consiste bsicamente en el lavado sucesivo
de una mezcla slida
con un determinado solvente, que va lavando o extrayendo de la
muestra los
componentes afines al solvente mediante el lavado sucesivo de
una muestra se
pueden extraer de ella componentes cuya solubilidad en el
solvente es baja, debido al
efecto acumulativo de las extracciones.
Un equipo especialmente diseado para realizar extracciones a
partir de mezclas
slidas es el soxhlet.
La extraccin Soxhlet se fundamenta en las siguientes etapas:
1) Colocacin del solvente en un baln.
2) Ebullicin del solvente que se evapora hasta un condensador a
reflujo.
3) El condensado cae sobre un recipiente que contiene un
cartucho poroso con la
muestra en su interior.
4) Ascenso del nivel del solvente cubriendo el cartucho hasta un
punto en que se
produce el reflujo que vuelve el solvente con el material
extrado al baln.
5) Se vuelve a producir este proceso la cantidad de veces
necesaria para que la
muestra quede agotada. Lo extrado se va concentrando en el baln
del solvente.
La siguiente figura indica el armado de un extractor
soxhlet:
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EL cartucho es un recipiente cilndrico con base semiesfrica para
que se apoye la
muestra en la base del equipo extractor y sea adems ms
resistente. Los materiales
ms utilizados son el algodn prensado y la porcelana porosa, la
cantidad de muestra
se condiciona el tamao del cartucho y este al del extractor.
Es por eso que existen varios tamaos de soxhlet, y es
conveniente antes de
comenzar a trabajar definir cul es la medida que se
requiere.
Solvente.- La cantidad de solvente debe ser la necesaria para
que al ascender al
cartucho y antes de que se haga la sifonada, no quede seco el
baln inferior porque la
muestra podr secarse o quemase, o cuando caiga el lquido de la
sifonada sobre el
vidrio recalentado se puede producir una explosin de los vapores
con el consiguiente
riesgo de accidente. Como durante la operacin hay prdida del
solvente por
evaporacin, se debe agregar por lo menos una cantidad semejante
en exceso.
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Solventes a utilizar: Si se sigue una norma o tcnica el solvente
estar indicado.
Pero con frecuencia, particularmente en los laboratorios de
investigacin, se suelen
realizar extracciones no normalizadas. Por eso es conveniente
saber el rango de estas
sustancias que se pueden utilizar en el extractor soxhlet. La
experiencia que se posee
es que hay una temperatura mxima y mnima de ebullicin en la que
el equipo
funciona adecuadamente.
En la siguiente tabla se expone una lista, no exhaustiva, de los
solventes comunes
utilizados en las extracciones con Soxhlet.
2. COMPETENCIAS
El alumno determina el coeficiente de transferencia de materia,
en un proceso
de extraccin slido lquido, empleando como muestra: aceite
comercial
contenido en un medio slido y un solvente orgnico como medio
extractor
3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
3.1. Equipos y materiales
Extractor tipo Soxhlet.
Tamices de diferente malla.
Refractmetro.
Cronometro.
Vidrios de reloj
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3.2. Reactivos
Arena.
Aceite vegetal.
Acetona grado analtico.
4. PROCEDIMIENTO
Construir una curva de calibracin del ndice de Refraccin Vs
Concentracin de
aceite; preparando mezclas de 10 mL de aceite- acetona (al 0,0;
20,0; 50,0; 80,0; 100,0
%) a temperatura ambiente.
a) Tomar 500 g de arena seca y dejar pasar por tres tamices que
nos permita tener
aproximadamente tamaos de partcula de 1,0; 0,8; y 0,4 mm de
dimetro.
b) Tomar 180 gramos de un tamao de partcula de arena especfica
que determine el
docente.
c) Preparar mezclas de arena aceite de 2,5; 5,0% y 10,0% de
aceite en 50 g. de
arena.
d) Colocar cada una de las mezclas preparadas en el cartucho de
extraccin del
equipo soxhlet y se somete a extraccin con acetona utilizando un
medio de
calentamiento.
e) Medir el tiempo mediante un cronometro desde que cae la
primera gota de acetona
hasta que se produce el sifonamiento de la acetona del cartucho
al baln de
recoleccin. Esto se produce cuando se llena el cartucho
completamente con la
acetona. En el momento que se sifonea la acetona cortar el
calentamiento o alejar el
baln del manto calefactor.
f) Se toma una muestra del lquido contenido en el baln (1 mL)
que es una mezcla de
acetona aceite y se determina su composicin mediante la lectura
del ndice de
refraccin y la curva de calibracin construida anteriormente.
g) Repetir el proceso para cada una de los tamaos de partculas
de arena y de los
diferentes porcentajes de aceite.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA
Tiempo estimado de duracin de la prctica 2 horas
6. MEDICION, CLCULOS Y GRAFICOS
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Con los datos experimentales obtenidos, para cada una de las
extracciones realizadas
es posible obtener la concentracin (CD) que posee el extracto
contenido en la
caldera al final de la operacin. Se calcula el coeficiente de
transferencia de
materia KV utilizando la ecuacin:
Donde:
Kv = coeficiente de distribucin
CD = concentracin de la muestra final (acetona)
Cs = concentracin inicial de la muestra (arena)
V = volumen total de solvente
ms = masa de la muestra de aceite
t = tiempo de la 1 extraccin
Correlacionar los valores de las constantes volumtricas de
transferencia de
materia con el tamao de partcula.
Llenar las tablas con los datos y los clculos realizados de la
prctica.
DATOS VALOR UNIDAD
Masa inicial de muestra
Volumen de solvente
Tiempo de extraccin
Temperatura de ebullicin
VARIABLE FORMULA RESULTADO UNIDAD
Composicin Inicial:
Composicin Final:
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Coeficiente de distribucin:
9.1 Grafique la curva de calibracin desarrollada
9.2 Explique los datos y observaciones de los experimentos
realizados en la prctica.
9.3 Determine el contenido de aceite recuperado en la muestra de
trabajo.
9.4 Cul podra ser efecto de la temperatura en cada una de las
extracciones
realizadas en la prctica?
9.5 Determinar el coeficiente de distribucin para extrapolar los
resultados a
condiciones industriales.
7. CUESTIONARIO
10.1 Mencione tres tipos de industrias en donde la separacin por
solubilidad
constituya una de las operaciones bsicas.
10.2 Porque es mejor hacer una extraccin varias veces con
volmenes pequeos,
que una extraccin una sola vez con un volumen grande?
10.3 Qu es y cmo funciona un extractor soxhlet?