TRANSFERENCIA DE MASA II · extractores por contacto diferenciales columna empacada columna de oldshue-rushton columna de spray extractor de podbielniak

TRANSFERENCIA DE MASA

II

EQUIPOS DE

EXTRACCION

LIQUIDA - LIQUIDA

CLASIFICACION DE EQUIPOS

DE EXTRACCION LIQUIDA-LIQUIDA

CONTACTORES

POR ETAPAS

EXTRACTORES POR

CONTACTO

DIFERENCIALES

CONTACTORES POR ETAPAS

COLUMNA DE

PLATOS

COLUMNA DE

PULSOS

COLUMNA

DE

SCHEIBEL

MEZCLADORES-

SEDIMENTADORES

EXTRACTORES POR

CONTACTO DIFERENCIALES

COLUMNA

EMPACADA

COLUMNA DE

OLDSHUE-RUSHTON

COLUMNA

DE

SPRAY

EXTRACTOR DE

PODBIELNIAK

MEZCLADOR SEDIMENTADOR

• Las dos fases líquidas

se mezclan y luego se

separan por

sedimentación.

• Se pueden mezclar

cualquier número de

unidades para formar

una cascada en

contracorriente.

Extracto

Refinado

Alimentación

MEZCLADOR

SEDIMENTADOR • Durante la mezcla

uno de los líquidos se dispersa en la forma de gotas pequeñas en la otra fase líquida.

• La fase dispersa puede ser tanto la fase ligera como la fase pesada.

Extracto

Refinado

Alimentación

MEZCLADOR

SEDIMENTADOR

Extracto

Refinado

Alimentación

• La mezcla se conduce en un recipiente de agitación y un tiempo de residencia que se aproxime al equilibrio.

• La etapa de sedimentación es por gravedad en un recipiente llamado decantador.

MEZCLADOR SEDIMENTADOR

• Los extractores mezcladores-sedimentadores alcanzan generalmente unas eficiencias del 80 %, normalmente entre el 90 y el 95 %.

Extracto

Refinado

Alimentación

MEZCLADOR

SEDIMENTADOR

sedimentador sedimentador

Extracto final

Mez

clad

or

Mez

clad

or

Disolvente

Refinado

final

alimentación

• Se pueden combinar en serie para extracción en contracorriente o en etapas múltiples.

• Cada etapa estará formada al menos, por un mezclador y un sedimentador.

• De ordinario, los líquidos se bombean de una etapa a la siguiente.

DISEÑO DE UN MEZCLADOR

SEDIMENTADOR • Los extractores

mezcladores-sedimentadores se dimensionan a partir de corridas por lotes en laboratorio o planta piloto.

• Un diseño preliminar se puede hacer utilizando la teoría disponible y correlaciones empíricas.

Extracto

Refinado

Alimentación

• Los datos experimentales muestran que cuando las viscosidades de los líquidos es mayor que 0.1, el tiempo de residencia promedio requerido de las dos fases líquidas en el mezclador para lograr una eficiencia del 90% puede ser como mínimo de 30 segundos y usualmente no más de 5 minutos, cuando se utiliza una potencia de agitador por volumen de mezcla de 0.788 kW/m3

Extracto

Refinado

Alimentación

• Basado en experimentos, la capacidad de un sedimentador puede ser estimado como 0.2 m3/min de extracto combinado y flujo de refinado por metro cuadrado del área de fases desacoplado.

• Para un recipiente horizontal cilíndrica la relación utilizada de L/DT es 4.

• Si la interfase está localizada a la mitad del recipiente, el área desacoplada es DT L o bien utilizando L/DT = 4 el área será 4D2

T

Extracto

Refinado

Alimentación

EJEMPLO • El ácido benzoico es extraído continuamente de

una solución diluida en agua utilizando tolueno

como solvente en una serie de mezcladores-

sedimentadores que operan en contracorriente.

Los flujos de la alimentación y solvente son

1.89 y 2.84 m3/min, respectivamente. El tiempo

de residencia en cada mezclador es de 2

minutos. Estimar

• A) El diámetro y altura de cada mezclador.

• B) La potencia del agitador.

min73.484.289.1

3mQ

346.9)2)(73.4( mQtV residenciatotal

4

3DVtotal

mV

DH total 3.24

3/1

DISEÑO DEL MEZCLADOR

2

2

33

65.23)min

2.0)(min

73.4( mm

mmLDT

4TD

L2465.23 TD

mDT 43.2

DISEÑO DEL SEDIMENTADOR Para un área desacoplada en el sedimentador

mL 72.9)43.2(4

322

1.454

)72.9()43.2(

4m

LDV T

TOTAL

utosQ

Vt TOTALresidencia min5.9

73.4

1.45

VOLUMEN TOTAL DEL

SEDIMENTADOR

H

D

Di W

Tubería de entrada de

la fase orgánica

Tubería de entrada de

la fase acuosa

Hi

1D

H

3

1

D

Di

12

1

D

W

2

1

H

H i

TURBINA BAFFLE

NÚMERO DE

BAFFLES = 4

TURBINAS DE

PALETAS = 6

084.0

225

276.2

106.02

min 03.1

gDD

D

g

D

Mi

M

i

TD

iM

Para lograr una eficiencia de 90 a 100 % es necesario

suministrarle una vigorosa agitación. Una mínima velocidad de

rotación de la turbina Ώ es requerida para completar y tener

una dispersión uniforme.

Donde:

∆ρ = valor absoluto de la diferencia en densidad entre los

líquidos.

σ = tensión interfacial entre las fases de los líquidos

φD = acumulación fraccional en el tanque de la fase dispersa

líquida.

ρM = densidad de la mezcla de las dos fases dada por:

DDCCM

Donde:

∆ρ = valor absoluto de la diferencia en densidad entre los

líquidos.

σ = tensión interfacial entre las fases de los líquidos

φD = acumulación fraccional en el tanque de la fase dispersa

líquida.

ρM = densidad de la mezcla de las dos fases dada por:

DDCCM

DDCCM

Donde:

ρC = densidad de la fase líquida continua.

ρD = densidad de la fase líquida dispersa.

φC = acumulación fraccional en el tanque de la fase continua

líquida.

μM = viscosidad de la mezcla de las dos fases dada por:

DC

DD

C

CM

5.11

MiD

PPo

53

La potencia del agitador P se puede estimar a partir de una

correlación empírica en términos del número de Potencia Po, el

cual depende del número de Reynolds de la turbina Re:

M

MiD

2

Re

Una correlación experimental de datos de Po versus Re para

recipientes con baffles con turbina de seis paletas encontró que

para Re mayor de 10000, el Po tiende a un valor asintótico de

5.7.

EJEMPLO • El furfural es extraído continuamente de una solución diluida en

agua utilizando tolueno como solvente en una serie de

mezcladores-sedimentadores que operan en contracorriente. Los

flujos de la alimentación y solvente son 1.61 y 2.24 kg/s,

respectivamente. El tiempo de residencia en cada mezclador es

de 2 minutos. La densidad de la alimentación es 998 kg/m3 y su

viscosidad es 0.89 cP, la densidad del solvente es 868 kg/m3 y

su viscosidad es 0.59 cP. La tensión interfacial es 0.025 N/m.

Estimar para el refinado como la fase dispersa:

• A) Las dimensiones del mezclador y el diámetro de la turbina.

• B) La velocidad mínima de rotación

• C) La potencia requerida del agitado a 1.20 veces la velocidad

mínima de rotación.

min097.0

998

6061.1

3

lim

mxQ entacióna

min155.0

868

6024.2

3mxQsolvente

615.0097.0155.0

155.0

extracto

385.0615.01 refinado

A)

min252.0097.0155.0

3mQ

3504.0)2)(252.0( mQtV residenciatotal

4

3DVtotal

m

VDH total 863.0

43/1

DISEÑO DEL MEZCLADOR

mD

Di 288.03

385.0 RD

3130868998

m

kg

3918868615.0998385.0

m

kgxxM

Para la fase dispersa del refinado: B)

615.0 EC

cPxx

M 29.189.059.0

385.089.05.11

615.0

519.0

084.0

225

276.2

106.02

min 03.1

gDD

D

g

D

Mi

M

i

TD

iM

rpm152min

Sustituyendo en la ecuación:

C)

rpm1822.1 min

52

1078.1Re xD

M

Mi

7.553

MiD

PPo

kWP 288.0

3572.0

504.0

288.0

m

kW

V

P

T

Relativamente cercano

al valor recomendado de

0.788kW/m3

TORRE EMPACADA

• Permite contactos

diferenciales y en

ellas el mezclado y la

sedimentación

proceden con régimen

continuo y simultáneo

Alimentación

Extracto

Solvente

Refinado

TORRE EMPACADA

• Una torre empacada es más eficiente que una torre de aspersión, pero aún ocurre retromezclado y la HETS en general es mayor que para las torres de pulsación y con agitación mecánica.

Alimentación

Extracto

Solvente

Refinado

COLUMNA EMPACADA

• El espacio vacío de

una torre de rocío se

rellena con piezas

especiales para reducir

la circulación vertical

de la fase continua.

• El relleno reduce el

espacio libre

disponible para el

flujo.

Líquido

ligero

Líquido

ligero

Líquido pesado

Líquido

pesado

empaque

EMPAQUE

• Anillos Raschig y Palls

• Monturas Berl e Intalox.

• Los cuales provocan que

las gotas se aglutinen y

vuelvan a dispersarse a

intervalos frecuentes a lo

largo de toda la torre.

• La mezcla axial se

reduce

considerablemente.

EMPAQUE

• Rellenos modernos

estructurales.

• Alta capacidad.

• Pobre eficiencia

debido a la

retromezcla.

DISEÑO DE TORRES

EMPACADAS EN EXTRACCIÓN

1

2

*

x

x

OLOLOLxx

dxHNHz

aSK

LH

x

OL ´

Las ecuaciones que se utilizan son similares a las de desorción. Se

utilizan para soluciones diluidas y mezclas totalmente inmiscibles,

utilizando coeficientes globales.

DISEÑO DE TORRES


M

FNOL

xx

xxN

*

´´

´*

´*

´*´**

lnFF

NN

FFNNM

xx

xx

xxxxxx

Si la línea de operación y equilibrio son líneas rectas entonces:

DISEÑO DE TORRES


A

myx

myxA

AN

SN

SFOL

/

/1ln

1

1´´

´´

El valor del número total de unidades de transferencia se puede

determinar por esta ecuación donde m es la pendiente de la línea de

equilibrio.

equilibriolíneapendiente

operaciónlíneadependiente

mS

FA

..

...

ALTURA EQUIVALENTE A UNA

ETAPA TEÓRICA (HETS)

N

z

teóricasetapasnúmero

empacadatorrealturaHETS

..

..

Para el caso de la altura equivalente a una etapa teórica

tenemos la siguiente relación:

ALTURA DE UNA ETAPA DE EQUILIBRIO

TIPO HETS (m)

Torre de aspersión 3-6

Torre empacada 0.4-1.5

Torre con empaque

estructurado

0.5-1.6

Torre de platos 0.8-1.2

Torre empacada con

pulsación

0.15-0.30

Torre de Scheibel 0.1-0.3

Torre de Karr 0.2-0.6

EJEMPLO

• Una solución acuosa de 800 kg/h conteniendo 12 %

en peso de acetona es extraída con 500 kg/h de

tricloroetano que contiene 0.5 % en peso en un

proceso a contracorriente. El agua y el tricloroetano

son esencialmente inmiscibles hasta concentraciones

de acetona en agua de 27%. El refinado sale con una

concentración del 1 % en peso. Los datos de

equilibrio obedecen a la ecuación y = 1.633x.

Determinar la altura de la torre empacada y el

número de etapas teóricas equivalentes.

1364.012.01

12.0

1

´

F

FF

x

xx

0101.001.01

01.0

1

´

N

NN

x

xx

005.0005.01

005.0

1

´

S

SS

y

yy

A

myx

myxA

AN

SN

SFOL

/

/1ln

1

1´´

´´

979.0

500633.1

800

mS

FA

979.0

633.1/005.00101.0

633.1/005.01364.0979.01ln

979.01

1OLN

Si la altura de la unidad de transferencia HOL es de 1.2

metros. La altura de la columna empacada es:

)226.15)(2.1( OLOLNHz

mz 27.18

N

z

teóricasetapasnúmero


..

..

0.122.18

..

..

Nteóricasetapasnúmero


Si la altura equivalente HETS para torre empacada es de

1.0:

22.18N

TORRE DE EXTRACCIÓN POR

ASPERSIÓN

• Estas columnas son las

más simples y

sencillas.

• Presentan baja

eficiencia debido al

escaso mezclado y

como consecuencia su

uso es reducido en la

industria. Tubería

de

rociado

Salida líquido pesado

Líquido

ligero

Líquido

pesado

Salida

líquido

ligero

Gotas

TORRE DE EXTRACCIÓN POR

ASPERSIÓN • El líquido pesado entra

por la parte superior de la

torre de rocío, llena la

torre, lo que constituyendo

la fase continua y fluye

hacia fuera, por el fondo.

El líquido ligero entra a

través de un distribuidor

de tobera en el fondo, que

lo dispersa hacia arriba en

forma de rocío de gotas

pequeñas.

Tubería

de

rociado


Líquido

ligero

Líquido

pesado

Salida

líquido

ligero

Gotas

COLUMNA DE PLATOS

PERFORADOS

• El líquido ligero fluye por

las perforaciones de cada

plato, y de ese modo, se

dispersa en gotas se

elevan por la fase

continua. El líquido

pesado fluye

horizontalmente por cada

plato y pasa al plato

inferior por el tubo de

descenso.

Líquido

pesado

Gotas de

líquido

ligero que

ascienden

Disolvente

aglomerado

Las gotas del disolvente

ligero líquido tienden

a elevarse.

Las gotas dispersadas se

aglutinan debajo de

cada plato y se

vuelven a formar por

encima de éste al

pasar las

perforaciones.

Líquido

pesado

Gotas de

líquido

ligero que

ascienden

Disolvente

aglomerado

COLUMNA DE PLATOS

PERFORADOS

• El líquido acuoso

pesado fluye hacia

abajo en los platos,

donde se pone en

contacto con las

gotas flotantes y

después pasa por la

bajada del plato

hacia el plato

inferior.

Líquido

pesado

Gotas de

líquido

ligero que

ascienden

Disolvente

aglomerado

COLUMNA DE PLATOS

PERFORADOS

EXTRACTORES AGITADOS

• Columnas con

agitación mecánica

asistida.

• Se utilizan cuando la

tensión superficial es

alta, y/o la diferencia

de densidades es baja,

y/o viscosidades de los

líquidos altas.

Entrada

líquido

ligero

Entrada

líquido

pesado


Salida líquido ligero


• Una serie de

agitadores de

paletas montados

sobre un eje

giratorio central,

proporcionan la

agitación para

ambas fases.

• Operan a

contracorriente.


Entrada

líquido

ligero

Entrada

líquido

pesado



• Cada agitador está

separado del siguiente

por una sección en

calma constituida por

un tamiz de alambre

que promueve el

aglutinamiento de las

gotas y la separación

de las fases.

Entrada

líquido

ligero

Entrada

líquido

pesado



CONTACTORES DE DISCOS

GIRATORIOS

• Este aparato utiliza

impulsores de turbina de

disco con hoja plana para

dispersar y mezclar los

líquidos y platos con

compartimientos

horizontales para reducir

el mezclado axial.

• Se utilizan en la industria

petroquímica para el

furfural.

Disco

del

rotor

Anillo

estator



Entrada

líquido

pesado

Entrada

líquido

ligero

CONTACTORES DE DISCOS

GIRATORIOS

• La torre está dividida en

compartimentos

mediante desviadores

horizontales y dentro de

cada compartimento se

proporciona agitación

mediante un disco

horizontal giratorio,

situado en posición

central

COLUMNA SCHEIBEL

Es uno de los

extractores más eficaces

debido a la disposición

interna de los

deflectores que

controlan el mezclado

en las etapas.

Es apropiada para

aplicaciones en las que

se requiera un gran

número de etapas.

COLUMNA SCHEIBEL

En la torre de Scheibel

una serie de agitadores

rotatorio de turbina

forman dispersiones que

se aglomeran o coalescen

al pasar a través de la

malla tejida. Después la

mezcla pasa por la zona

de sedimentación

externa.

Así la torre opera como

una serie de unidades de

extracción de mezclado y

sedimentación.

Región de

mezclado

Región de

sedimentación Impulsor de

turbina

Malla

tejida

Anillo

estator

COLUMNA DE PLATOS

RECIPROCOS DE KARR

• En el caso de la columna de

Karr las placas perforadas se

mueven hacia arriba y hacia

abajo para aumentar la

agitación y provocar pulsación

en los líquidos. Esto da lugar a

una distribución más uniforme

en cuanto al tamaño de gota,

porque las fuerzas de cizalla

sobre la sección transversal de

la torre son muy semejantes.

COLUMNA DE PLATOS

RECIPROCOS DE KARR

• Columnas agitadas que imparten su energía por medio de placas afectadas con movimientos recíprocos o con flujos pulsantes de los líquidos.

COLUMNA DE PULSOS

• Son extractores en los cuales se aplica al contenido líquido un movimiento rápido de vaivén de poca amplitud.

• Se ha descubierto que la agitación producida de ese modo hace mejorar las velocidades de extracción.

COLUMNA DE PULSOS

• Una bomba con émbolo reciprocante, bomba de fuelle o pulso de aire a alta presión se conecta por el exterior al espacio que contiene el fluido continuo, para que todo el contenido de la torre se mueva hacia arriba o hacia abajo. Los flujos de entrada de las fases dispersa y continua entra y salen de la torre.

COLUMNA DE PULSOS

• Se pueden utilizar

una torre

empacada común

o una torre con

platos de tamizado

especiales pueden

someterse a

pulsaciones.

Entrada líquido pesado


Entrada de

líquido ligero

Salida líquido

ligero

Pulsaciones

EXTRACTOR CENTRÍFUGO DE

PODBIELNIAK

• Es el más importante del grupo.

• La rotación tiene lugar sobre un eje horizontal.

• El cuerpo del extractor es un tambor cilíndrico que contiene cilindros perforados concéntricos.

EXTRACTOR PODBIELNIAK

• Los líquidos se introducen por el eje giratorio.

• El líquido ligero se conduce por el interior hacia la periferia del tambor.

• El líquido pesado hacia el eje del tambor.

FACTORES QUE AFECTAN LA SELECCIÓN DEL

EQUIPO Mezclador-

sedimentador

Extractor

centrífugo

Columnas

estáticas

Columnas

agitadas

Número de

etapas

Bajo Bajo Moderado Alto

Velocidad de

flujo

Alto Bajo Moderado Moderado

Tiempo de

residencia

Muy alto Muy bajo Moderado Moderado

Tensión

interfasial

Moderado a

alto

Bajo a

moderado

Bajo a

moderado

Moderado a

alto

Viscosidad Bajo a alto Bajo a

moderado

Bajo a

moderado

Bajo a alto

Diferencia de

densidades

Bajo a alto Bajo a

moderado

Bajo a

moderado

Bajo a alto

Espacio Alto Moderado Bajo Bajo

VENTAJAS Y DESVENTAJAS EQUIPO VENTAJAS DESVENTAJAS

Mezclador-

sedimentador

Buen contacto

Alta eficiencia

Alta inversión.

Gran espacio.

Contactores

continuos sin

agitación

Bajo costo inicial.

Bajo costo de

operación

Baja eficiencia.

No puede manejar

altos flujos

Contactores

continuos con

agitación

Buena dispersión.

Posibilidad de varias

etapas

No puede manejar

altos flujos.

Extractores

centrífugos

Requiere poco espacio. Altos costos iniciales

y de operación

APLICACIONES DE LOS EQUIPOS

TIPO DE EXTRACTOR CAMPO DE APLICACIÓN

INDUSTRIAL

Mezclador-sedimentador Petroquímica, Química, Metalurgia,

Fertilizantes

Columnas estáticas de

extracción como columna de

platos o empacadas.

Petroquímica, Química y Alimentos

Columnas de pulso como

columnas de platos o

empacadas

Petroquímica, Nuclear y

Metalurgia.

Extractores centrífugos Petroquímica, Química,

Farmaceútica y Nuclear

ESTIMADA MÁXIMA PRODUCCIÓN

EQUIPO MÁXIMO

DIÁMETRO

(m)

ESTIMADA

VELOCIDAD DE

PRODUCCIÓN (m3/h)

Mezclador-sedimentador 10 2400

Columna de platos 5 1200

Columna empacada 5 1000

Contactor de disco rotatorio 4 450

Columna Kuhni 3 280

Columna de platos

reciprocantes

3 280

Columna Scheibel 3 200

Columna de platos y baffle 5 1200

Columna de spray 4 900

PROCESO

Pequeño volumen Extractores

centrífugos

Formación de emulsión Extractores

centrífugos

si

si

Menos de 5 etapas teóricas Extractores

centrífugos,

Mezcladores-

sedimentadores

Más de 5 etapas teóricas

¿Baja altura? Mezcladores-

sedimentadores

si

si si

Pequeña área

De piso

Alto volumen de gasto

Bajo volumen de gasto

si

Rango de carga

grande

si

Rango de pequeña

carga si

si

si

Columna

empacada,Columna Karr,

Columna Scheibel.

Plato

Perforado

pulsado,

Kuhni

RDC, ARD

PROCESO

Mínimo tiempo de residencia Extractores centrífugos

Formación de emulsión Extractores centrífugos,

Columna de platos reciprocantes

SI

SI

NO

Largo tiempo de residencia

Número pequeño

de etapas requeridas

NO

Mezclador - sedimentador

NO

NO

SI

SI Mezclador – sedimentador

Columna sin agitación

Columna agitada mecánicamente

Planta Piloto Extracción líquido/

líquido

1. Columna de extracción

2. Condensador

3. Columna de destilación

4. Caldera

5. Reservorio de producto

final

6. Tanque del solvente

condensado

7. Reservorio de solvente

8. Alimentación de la

columna

9. Recolección de la

columna

10.Bomba de agua

11.Bomba del solvente

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