Salting Out Extracción ácido acético

Universidad de Costa Rica

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

Laboratorio de operaciones por separación de fases

IQ–0433

Análisis del efecto electrolítico, la proporción disolvente-

alimentación y la identidad del disolvente en la operación de

extracción líquido-líquido

Profesora: Ing. Karolina González V., M.B.A.

Asistente: Andrés Alvarado G.

Grupo: 1-A

Presentado por:

San José, Costa Rica

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio

Junio, 2012

Oscar Acuña Díaz

Estefanía Castro Rivas

Mauricio Sánchez Valverde

A80067

A81541

A85982

i

RESUMEN

Se pretendió establecer las condiciones de refinación óptima para un sistema ternario de

agua, ácido etanoico y un disolvente orgánico (hexano o éter de petróleo) por medio de

un análisis estadístico de diseño factorial completo.

Para ello se determinó el índice de refracción de varias disoluciones de ácido acético

con y sin sal mediante la utilización del refractómetro de Abbé con el objeto de elaborar

las rectas de concentración de ácido acético en función del índice de refracción para

cuantificar la concentración del soluto en el refinado.

Seguidamente se llevó a cabo el proceso de extracción líquido-líquido donde se variaron

tres factores: disolvente (hexano o éter de petróleo), proporción alimentación-disolvente

(3:1 y 3:2) y la presencia de sal de mesa. Para ello se realizaron las corridas

aleatoriamente, y se fueron analizando los índices de refracción del refinado. Vale

destacar que dicho proceso fue realizado en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental.

Se concluyó que el proceso de extracción de ácido acético disuelto en agua, según las

condiciones estudiadas se mejora al añadir cloruro de sodio a la disolución de

alimentación, al utilizar éter de petróleo como disolvente y al utilizar una proporción

mayor de disolvente con respecto a la alimentación.

Además se determinó que la presencia de sales disueltas es el único factor que presenta

un efecto importante en el proceso y que a pesar de que existen interacciones entre los

factores, para el nivel de significancia elegido no existen interacciones significativas.

Por lo tanto con base en los resultados, se recomienda ampliar las investigaciones sobre

el fenómeno en estudio llamado “salting-out” ya que su aplicación podría ser

sumamente útil en los tratamiento de purificación del agua.

ii

ÍNDICE

Página

RESUMEN .................................................................................................................... i

INDICE DE FIGURAS ................................................................................................ iv

INDICE DE CUADROS ............................................................................................... v

OBJETIVOS ................................................................................................................. 1

1. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 3

1.1 Triángulo de Solubilidad ..................................................................................... 4

1.2 Etapas en un Proceso de Extracción ..................................................................... 5

1.3 Clasificaciones de la Extracción Líquido - Líquido .............................................. 6

1.3.1 Tipo de Contacto .......................................................................................... 6

1.3.2 Modo de Mezcla ........................................................................................... 7

1.4 Elección del disolvente ........................................................................................ 8

1.5 “Salting-out” ....................................................................................................... 9

2. METODOLOGÍA ............................................................................................... 11

2.1. Metodología experimental............................................................................. 11

2.2. Equipo experimental ..................................................................................... 11

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................................... 12

4. CONCLUSIONES .............................................................................................. 18

5. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 19

6. APÉNDICES ...................................................................................................... 20

Apéndice A. Resultados .......................................................................................... 20

Apéndice B. Resultados intermedios ....................................................................... 21

Apéndice C. Consola de Minitab® 16 para el análisis del diseño factorial propuesto

............................................................................................................................... 23

Apéndice D. Muestra de cálculos ............................................................................ 25

D1. Estimación de la concentración de ácido acético en los refinados ...................... 25

D2. Estimación de la concentración de soluto en el extracto .................................... 25

iii

D3. Cálculo del coeficiente de distribución ............................................................. 26

Apéndice E. Nomenclatura ...................................................................................... 27

iv

INDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1. 1 Triángulo de solubilidad .............................................................................. 4

Figura 1. 2 Efecto de la Temperatura en Equilibrios Ternarios ...................................... 5

Figura 1. 3 Extracción en Régimen Continuo ................................................................ 6

Figura 1. 4 Extracción en un régimen discontinuo ......................................................... 7

Figura 1. 5 Procesos de Extracción con agitación mecánica ........................................... 7

Figura 1. 6 Procesos de Extracción con agitación por circulación de fluidos .................. 8

Figura 3. 1 Concentración de ácido acético en agua destilada en función del índice de

refracción .................................................................................................................... 12

Figura 3. 2 Concentración de ácido acético en agua salada en función del índice de

refracción .................................................................................................................... 13

Figura 3. 3 Gráficas de efectos principales .................................................................. 15

Figura 3. 4 Matriz completa de interacciones .............................................................. 16

Figura 3. 5 Diagrama de Pareto para efectos estándar .................................................. 16

Figura 3. 6 Gráfica de cubos para la variable de respuesta promedio para diversas

combinaciones de factores........................................................................................... 17

v

INDICE DE CUADROS

Página

Cuadro 3. 1 Factores y niveles del diseño factorial completo utilizado ........................ 14

Cuadro A. 1. Índices de refracción para distintas concentraciones de ácido acético en

agua destilada ............................................................................................................. 20


agua destilada con una concentración de 350 ppm de cloruro de sodio ........................ 20

Cuadro A. 3. Índices de refracción medidos con ayuda de un refractómetro de Abbé

para el refinado ........................................................................................................... 20

Cuadro B. 1. Concentración de ácido acético en el refinado ........................................ 21

Cuadro B. 2. Concentración de ácido acético en el extracto ......................................... 21

Cuadro B. 3. Coeficiente de distribución del ácido acético en el extracto y refinado para

cada corrida experimental ........................................................................................... 22

1

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Establecer las condiciones de refinación óptima para un sistema ternario de

agua, ácido etanoico y un disolvente orgánico (hexano o éter de petróleo) por

medio de un análisis estadístico de diseño factorial completo.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Elaborar las rectas de concentración de ácido acético en función del índice de

refracción tanto para la disolución en agua destilada como para la disolución

salina, para cuantificar la concentración del soluto en el refinado.

Realizar un proceso de extracción líquido-líquido, por tandas, a escala de

laboratorio, para dos sistemas ternarios: agua-ácido acético-hexano y agua-ácido

acético-éter de petróleo.

Determinar la identidad del disolvente orgánico que genera menor concentración

del soluto en los refinados en el proceso de extracción.

Determinar la razón alimentación: disolvente que genera menor concentración

del soluto en los refinados en el proceso de extracción.

Determinar la concentración de sal disuelta que genera menor concentración del

soluto en los refinados en el proceso de extracción.

2

JUSTIFICACIÓN

La extracción líquida tiene diversas aplicaciones en la industria en las que por varios

factores, como lo son los costos y eliminación de subproductos, resulta como un buen

sustituto de otras operaciones de transferencia de masa y métodos químicos. Por tales

razones la investigación de dicho tema resulta de suma relevancia para su posterior

aplicación a mayor escala.

En general se han explorado los campos de la extracción líquida en donde se tienen

mezclas ternarias de dos compuestos insolubles entre sí con un soluto distribuido, en

donde en varios casos el agua es uno de los primeros. No obstante en los últimos años

se ha empezado a estudiar el fenómeno denominado “salting-out” en donde mediante la

adición de una sal inorgánica al agua se obtiene como la solubilidad en el agua del

soluto orgánico disminuye propiciando una mejor extracción del soluto de interés. Por

tanto la aplicación de dicho principio en la industria para la purificación de las aguas

residuales por ejemplo, podría ser sumamente efectiva para la eliminación de los

contaminantes orgánicos así como también en operaciones unitarias de intercambio

iónico.

3

1. MARCO TEÓRICO

La extracción líquido-líquido es un proceso de transferencia de masa en el cual se da la

separación de los componentes de una mezcla líquida, por el contacto de esta con otro

líquido, es cual es inmiscible o parcialmente inmiscible con esta y que disuelve

preferentemente a uno de los constituyentes de la mezcla original. Con eso, se pueden

definir varios términos que suelen utilizarse para diferenciar los diferentes componentes

que se utilizan en este proceso:

Alimentación: es la mezcla líquida original a la cual se desea extraer alguno de sus

componentes.

Disolvente: es el líquido que se pone en contacto con la alimentación.

Soluto: es el componente que se desea separar de la mezcla de alimentación y que es

soluble, tanto en la alimentación como en el disolvente.

Extracto: es la fase generada luego de la extracción la cual es rica en el disolvente.

Refinado: líquido residual de donde se ha extraído el soluto.

Este tipo de operación, tiende a ser un poco más simplificado en su operación en sí, ya

que como se indica tiende a ser prácticamente poner en contacto dos corrientes de

líquidos, por lo que podría ser más eficiente en ciertos casos que una destilación, ya sea

por la naturaleza de los compuestos o simplemente, porque las condiciones con las que

se trabajarían son de bajos rendimientos o condiciones muy especiales y específicas

(McCabe, Smith, & Harriot, 2005).

Cabe destacar que la parte de mayor complejidad de la operación se da cuando se deben

de separar las fases, ya que puede que las sustancias posean densidades similares, por lo

que a la hora de la separación de las mismas se complique un poco. Ya que por lo

general, al poner las sustancias en contacto, se proceden a agitar para que exista la

mayor transferencia del soluto, haciendo que se tienda a general algún tipo de emulsión;

y teniendo en cuenta que las viscosidades también tienden a ser altas, las velocidades de

los componentes a lo largo de los equipos sin muy bajas por lo que se requiere de un

fuerte apoyo mecánico para poder realizar esta separación de las fases (McCabe, Smith,

& Harriot, 2005).

4

Además de ello, hay que mencionar, que una vez superada la operación de extracción

siempre debe de considerarse otro tipo de operación unitaria de separación; esto ya que

se debe de pensar en la de acuerdo a las necesidades de la operación en obtener por

aparte el soluto y el disolvente (componentes del extracto) principalmente si se

considera en una recirculación del último, o si por el contrario, el compuesto de interés

es el refinado. Por lo que podría pensarse en operaciones como destilación, evaporación,

entre otros (McCabe, Smith, & Harriot, 2005).

1.1 Triángulo de Solubilidad

Treybal (1988) trata la siguiente nomenclatura para describir el equilibrio químico en la

operaciones de extracción líquida, en donde A y B se refieren a los dos líquidos puros

básicamente insolubles y C el soluto distribuido, y por tanto las mezclas a separar en la

extracción serán A y C, y B será el disolvente de extracción. E se denota para el extracto

y R para el refinado. Por lo tanto, como la extracción supone al menos el uso de tres

sustancias, se establece un triángulo de solubilidad como el mostrado en la Figura 1.

Figura 1. 1 Triángulo de solubilidad

(Treybal, 1988)

En la Figura 1.1 se describe gráficamente las concentraciones en los sistemas ternarios

en estudio, en donde la altura del triángulo equilátero se atribuye a la composición al

100% y las distancias a los tres lados los porcentajes o fracciones de los tres

componentes, además cada vértice del triángulo representa uno de los componentes

puros. Por ejemplo, la distancia perpendicular desde cualquier punto como K a la AB

representa el porcentaje de C en dicha mezcla, y a AC el porcentaje de B y a CB el

5

porcentaje de A. Las composiciones en cada punto, como por ejemplo el punto M que

corresponde a una mezcla R a las que le agregan E kg de una mezcla E se pueden

obtener mediante balances de materia (Treybal, 1988).

Es importante destacar que para sistemas de este tipo la solubilidad entre A y B

aumentar con un incremento en la temperatura, y arriba de cierta temperatura crítica de

solución se disuelven por completo. Por otra parte el efecto de la presión usualmente es

muy pequeño en el equilibrio líquido y por lo tanto se tiende a omitirlo; sin embargo no

hay que descartar que si la presión se redujese considerablemente en tanto que fuera

menor que las presiones de vapor de las soluciones, aparecería entonces una fase vapor

y se interrumpiría el equilibrio químico (Treybal, 1988).

Figura 1. 2 Efecto de la Temperatura en Equilibrios Ternarios

(Treybal, 1988)

1.2 Etapas en un Proceso de Extracción

En el proceso de extracción, pueden señalarse tres operaciones bien definidas e

independientes una de la otra; y sin importar si la extracción es en régimen continuo o

por lotes estarán presentes en el proceso, éstas son (Miranda, 2011):

a. Contacto entre Fases: en esta sección, se suelen alimentar a un tanque agitado y otro

equipo que permita el mezclado entre la alimentación y el disolvente, en esta, es donde

se da la transferencia de masa del soluto, por lo que se podría afirmar que es la etapa

más importante del proceso de extracción.

6

b. Separación de las Fases: una vez obtenidos el tanto el extracto como el refinado, se

debe dar un tiempo para que las fases tiendan a separarse nuevamente. Cabe mencionar,

que por lo general se da un tiempo de retención en los equipos para que por simple

acción de la gravedad las fases se tiendan a separar por medio de la diferencia de sus

densidades y luego por una simple decantación se separan. Cabe mencionar que el

proceso de separación se dificulta, se pueden utilizar medios mecánicos como la

centrifugación para poder obtener el extracto como el refinado por separado.

c. Recuperación del Disolvente: idealmente, y considerando que se obtener muchos

beneficios en diversos campos como los económicos, ambientales, del proceso, entre

otros; se debe de purificar el disolvente para que de nuevo vuelva a ser utilizado en el

proceso.

1.3 Clasificaciones de la Extracción Líquido - Líquido

Las extracciones líquido – líquido, pueden clasificarse de acuerdo con un gran número

de aspectos de las definen, entre los que se pueden mencionar: el tipo de contacto y

también la forma en que se mezclan los líquidos (Coulson & Richardson, 2003).

1.3.1 Tipo de Contacto

Continuo: en esta extracción, se opera bajo un régimen en el que siempre hay corrientes

de entrada del disolvente y la alimentación, de los que siguen generalmente algún tipo

de decantador o sedimentador para la separación de las fases que también salen de la

operación de extracción en forma dinámica. Cabe destacar que por la continuidad de

este proceso, este tipo es el que más suele utilizarse en el área industrial (Coulson &

Richardson, 2003).

Figura 1. 3 Extracción en Régimen Continuo

(Miranda, 2011)

7

Discontinuo: como su nombre lo indica, este es el tipo de extracción por lotes o “batch”

en la que el proceso de separación se realiza en un solo equipo y debe de esperarse un

tiempo prudencial entre cada una de las etapas de la extracción para sí garantizar una

adecuada y eficiente operación (Coulson & Richardson, 2003).

Figura 1. 4 Extracción en un régimen discontinuo

(Miranda, 2011)

1.3.2 Modo de Mezcla

Agitación Mecánica: como su nombre lo indica, en este tipo de extracción se utiliza un

impulsor que permita el contacto necesario entre la alimentación y el disolvente.

Generalmente, se utilizan impulsores que generen una buena distribución axial a lo

largo del tanque para permitir la mayor homogeneización de ambos líquidos. Como se

utiliza una agitación directa, luego de la etapa de mezclado siempre tiene que haber una

fase de “reposo” para que pueda darse la adecuada separación de las fases, ya sea en un

equipo aparte (Figura 1.5 a) o que en el mismo se de la agitación y sedimentación

(Figura 1.5 b) (Coulson & Richardson, 2003).

Figura 1. 5 Procesos de Extracción con agitación mecánica

(Coulson & Richardson, 2003)

8

Circulación de Fluidos: en este tipo de extracción el factor determinante es la diferencia

de las densidades de los fluidos, esto porque la operación se suele llevar a cabo en torres

o columnas en las que el líquido más denso se alimenta por la parte superior de la

misma y más ligero por la parte inferior. Por acción de la gravedad, el líquido ligero

tenderá a subir y el pesado a bajar, en un proceso a contracorriente, es en este punto

donde se da el contacto para permitir la transferencia del soluto de uno a otro. Como los

líquidos por sí solos tienden a separarse, no es necesario un equipo adicional para tal

fin.

Figura 1. 6 Procesos de Extracción con agitación por circulación de fluidos

(Coulson & Richardson, 2003)

1.4 Elección del disolvente

Treybal (1988) sugiere las siguientes características para la elección de un disolvente:

1. Selectividad: la selectividad define la efectividad del disolvente B para separar

los componentes de una solución A y C y en las operaciones de extracción se

requiere que sea mucho mayor a uno, puesto que cuando es igual a uno la

separación no es posible, se expresa mediante la Ecuación 1.

2. Coeficiente de distribución: es la relación y*/x en el equilibrio, y los valores

mucho más grandes que uno resultan más adecuados porque implican una menor

cantidad de disolvente para la extracción.

(1.1)

Extractor de Columna de

Platos Perforados Extractor de Torre Agitada

Extractor de Columna de

Pulverización

9

3. Insolubilidad del disolvente: dependiendo del sistema, el disolvente más

insoluble resulta el más útil para la extracción.

4. Recuperabilidad: siempre debe ser posible recuperar el disolvente para

reutilizarlo, por lo tanto como este generalmente se recupera mediante

destilación, el disolvente no debe formar azeotropos con el soluto extraído, las

mezclas deberán presentar alta volatilidad relativa y la sustancia en menor

cantidad deberá ser la más volátil.

5. Densidad: se requiere una diferencia en las densidades de las fases líquidas

saturadas, y entre mayor sea, mejor resultará la extracción.

6. Tensión interfacial: entre mayor sea, la coalescencia de las emulsiones será más

rápida , por tanto se desea alta.

7. Reactividad química: el disolvente ha de ser inerte químicamente frente a los

reactivos y estable.

8. Viscosidad, presión de vapor y punto de congelamiento: deben todos ser bajos

para facilitar su uso.

9. Finalmente el disolvente debe ser no tóxico, no inflamable y de bajo costo.

1.5 “Salting-out”

Boddu, Krishnaiah y Viswanath (2001) realizaron una extracción líquido-líquido de una

mezcla de benceno, agua y ácido acético en donde se estudió el efecto de añadir una sal

inorgánica al agua. En síntesis se obtuvo una mejor extracción del ácido acético al

añadir la sal utilizada, que correspondió a CaCl2 esto por el fenómeno denominado

“salting-out”.

Al agregar un sal inorgánica como el CaCl2 a una mezcla de benceno, agua y ácido

acético las moléculas de agua empiezan a mostrar interacciones con los iones de la sal.

Dicha interacción propicia que el agua tenga menos moléculas disponibles para

interactuar con el benceno y por ello la solubilidad del último decrece, en tanto que

experimentalmente se ha obtenido que la solubilidad del benceno en agua es de 1910

ppm pero al añadir sal al agua, este valor decrece a 502 ppm, todo a 303,15 K (Boddu,

Krishnaiah, & Viswanath, 2001).

En la extracción líquido-líquido dicho fenómeno beneficia la separación de los

reactivos, ya que disminuye la cantidad de disolvente en la fase acuosa, para la mezlca

10

en estudio. Experimentalmente los resultados obtenidos con dicho método han resultado

más eficientes energéticamente que realizando la misma separación pero con agua sin

sal, por destilación (Boddu, Krishnaiah, & Viswanath, 2001).

11

2. METODOLOGÍA

2.1. Metodología experimental

El objetivo consistió en establecer las condiciones de refinación óptima para un sistema

ternario de agua, ácido etanoico y un disolvente orgánico (hexano o éter de petróleo)

por medio de un análisis estadístico de diseño factorial completo.

Por lo tanto se determinó el índice de refracción de varias disoluciones de ácido acético

con y sin sal mediante la utilización del refractómetro de Abbé en el Laboratorio de

Ingeniería Ambiental; para elaborar las rectas de concentración de ácido acético en

función del índice de refracción para cuantificar la concentración del soluto en el

refinado.

Seguidamente se llevó a cabo el proceso de extracción líquido-líquido en un embudo de

Squibb donde se variaron tres factores: disolvente (hexano o éter de petróleo),

proporción alimentación-disolvente (3:1 y 3:2) y la presencia de sal de mesa. Las

corridas se realizaron aleatoriamente utilizando Minitab, y se fueron analizando los

índices de refracción del refinado.

Los factores experimentales fueron el tipo de disolvente, la presencia de sal y la

proporción alimentación-disolvente, por lo que la variable dependiente fue la

concentración de ácido acético en el refinado de la extracción de la mezcla ternaria.

2.2. Equipo experimental

Embudo de Squibb.

Refractómetro de Abbé.

Sal de mesa.

Agua destilada.

Ácido acético.

Éter de petróleo.

Hexano.

12

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS

El objetivo general de esta investigación consiste en determinar las condiciones que

mejoran la extracción de ácido acético en disolución acuosa; para esto la extracción se

llevó a cabo con ayuda de dos disolventes diferentes (éter de petróleo y hexano) en

diferentes proporciones respecto a la alimentación. Otro factor que se tomó en cuenta

fue la presencia de electrolitos en el sistema para determinar su grado de influencia en el

rendimiento del proceso de extracción.

La variable de respuesta, fue la concentración de ácido acético en el refinado, de modo

que se pudiese establecer un punto de comparación respecto a la concentración original

del soluto en la fase acuosa. Para estimar la concentración de ácido etanoico el refinado

se procedió a correlacionar el índice de refracción con la concentración del soluto para

cierto número de disoluciones de referencia, tanto para el caso de agua destilada como

para el agua con sal disuelta. Para el caso del sistema binario ácido acético-agua, la

curva obtenida de la concentración en función del índice de refracción se muestra en la

Figura 3.1.

Figura 3. 1 Concentración de ácido acético en agua destilada en función del índice de

refracción

(Elaboración propia, 2012)

Al hacer una regresión lineal por mínimos cuadrados, la ecuación que correlaciona la

concentración de ácido acético con el índice de refracción (con un índice de correlación

de 1) es la siguiente:

(3.1)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.332 1.333 1.334 1.335 1.336 1.337 1.338Con

cen

tra

ció

n d

e á

cid

o a

céti

co

(mol/

L)

Índice de refracción a 25,1 ºC

13

Donde,

CHOAc es la concentración de ácido acético, mol/L

η es el índice de refracción de la disolución.

De manera similar, para las disoluciones de referencia con ácido acético y sal disuelta,

se elaboró la recta que se presenta en la Figura 3.2

Figura 3. 2 Concentración de ácido acético en agua salada en función del índice de

refracción


Al hacer una regresión lineal por mínimos cuadrados, la ecuación que correlaciona la

concentración de ácido acético con el índice de refracción (con un índice de correlación

de 0,9878) es la siguiente:

(3.2)

Donde,

CHOAc es la concentración de ácido acético, mol/L

η es el índice de refracción de la disolución

Es evidente la diferencia que existe entre ambas rectas, ya que al adicionar sal a la

disolución el medio se vuelve ópticamente más denso; aunque se sacrifica un poco de su

linealidad el modelo generado para las muestras que tienen sal es adecuado.

y = 314.29x - 421.11

R² = 0.9878

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.339 1.34 1.341 1.342 1.343 1.344Con

cen

tra

ció

n d

e á

cid

o a

céti

co

(mol/

L)

Índice de refracción a 25,1 ºC

14

Una vez que se contó con el modelo para estimar la variable de respuesta deseada,

elaboró un diseño factorial completo de 3 factores en dos niveles con dos réplicas. Los

factores, con su nivel alto y bajo se presentan en el Cuadro 3.1.

Cuadro 3. 1 Factores y niveles del diseño factorial completo utilizado

Factor Nivel bajo Nivel alto

Identidad del disolvente Hexano Éter de petróleo

Proporción

disolvente:alimentación Baja (1:3) Alta (2:3)

Presencia de sales disueltas Sin sal Con sal

Para efectuar la separación se utilizaron embudos de Squibb de 125 mL. La mezcla se

agitó vigorosamente y se dejó reposar hasta que se diera la elución y los componentes

de la mezcla formaran dos fases bien definidas; para cada corrida experimental se midió

el índice de refracción del refinado con ayuda de un refractómetro de Abbé y se estimó

la concentración del soluto de interés con las Ecuaciones (3.1) y (3.2).

La tendencia general, según los datos experimentales, es que la presencia de sal en la

mezcla perturba la condición de equilibrio, ya que las concentraciones de ácido acético

en los refinados con presencia de sal es menor que la concentración inicial de la

disolución (0,5 mol/L), esto se corrobora al calcular los coeficientes de distribución para

el sistema en equilibrio, ya sin importar el solvente o la proporción del mismo respecto

a la alimentación, las extracciones que se realizaron con sales disueltas presentan

mayores coeficientes de reparto. Otro factor que, al parecer, influye en el proceso de

extracción es la identidad del disolvente. Para corroborar estas consideraciones, con

ayuda del Software Minitab® 16 se analizó el diseño factorial propuesto y se obtuvo los

siguientes resultados:

15

Figura 3. 3 Gráficas de efectos principales


En efecto, la presencia de sal y la identidad del disolvente tienen un efecto en los

resultados obtenidos, no siendo así la proporción del disolvente para este caso de

estudio; al parecer con que el ácido acético sea lo suficientemente soluble en la fase

orgánica se pueden alcanzar buenos resultados.

El análisis de los factores no puede estar completo si no se consideran las interacciones

que puedan haber entre ellos; si se estudia con cuidado la Figura 3.4 (generada con

ayuda de Minitab® 16), la cual presenta la matriz completa de interacciones se puede

apreciar que no existe interacción alguna entre la presencia de sal y la identidad del

disolvente, lo mismo ocurre con la proporción del disolvente con respecto a la

alimentación. En cambio sí existen interacciones entre los siguientes factores:

Proporción del disolvente respecto a la alimentación y presencia de sal

Proporción del disolvente respecto a la alimentación y la identidad del

disolvente

Identidad del disolvente y presencia de sal

Este análisis tiene su fundamento en las medias de las concentraciones del ácido acético

presente en los refinados y la presencia de interacciones se determina si las rectas

correspondientes a ambos factores se intersecan en un punto.

Con salSin sal

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

Baja (1/3)Alta (2/3)

ÉterHexano

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

Presencia de sal

Me

dia

Proporción

Disolvente

Gráfica de efectos principales para ConcentraciónMedias de datos

16

Figura 3. 4 Matriz completa de interacciones


Aunque se conocen los efectos e interacciones que afectan al sistema es necesario

determinar cuáles son realmente significativos de manera global, por ende, con ayuda de

un diagrama de Pareto se puede esclarecer cuáles efectos o interacciones son realmente

significativas. El diagrama correspondiente se presenta en la Figura 3.5.

Figura 3. 5 Diagrama de Pareto para efectos estándar


Con ayuda de los datos promedio para cada combinación de factores es posible generar

una gráfica de cubos que ilustre las condiciones experimentales contempladas que

mejoren el proceso de extracción o para este caso de estudio que generen la menor

concentración de ácido acético en los refinados. La gráfica de cubos se presenta en la

Figura 6.

0,4

0,3

0,2

ÉterHexano

Baja (1/3)A lta (2/3)

0,4

0,3

0,2

C on salS in sal

0,4

0,3

0,2

Presencia de sal

Proporción

Disolvente

Sin sal

Con sal

de sal

Presencia

Alta (2/3)

Baja (1/3)

Proporción

Hexano

Éter

Disolvente

Gráfica de interacción para ConcentraciónMedias de datos

AC

C

B

BC

AB

ABC

A

20151050

Té

rmin

o

Efecto estandarizado

2,31

A Presencia de sal

B Proporción

C Disolv ente

Factor Nombre

Diagrama de Pareto de efectos estandarizados(la respuesta es Concentración, Alfa = 0,05)

17

Figura 3. 6 Gráfica de cubos para la variable de respuesta promedio para diversas

combinaciones de factores


De la Figura 3.6 se puede apreciar que la menor concentración de ácido etanoico en los

refinados se logra utilizando éter de petróleo como disolvente, en proporción alta

respecto a la alimentación y con presencia de sales disueltas, por ende para

experimentos similares sería de esperar que con altas proporciones de disolvente con

respecto a la alimentación y con adición de sales en altas concentraciones el

rendimiento de la extracción mejore.

Éter

Hexano

Baja (1/3)

Alta (2/3)

Con salSin sal

Disolvente

Proporción

Presencia de sal

0,225

0,2000,400

0,400

0,225

0,2500,400

0,400

Gráfica de cubos (medias de los datos) para Concentración

18

4. CONCLUSIONES

1. El proceso de extracción de ácido acético disuelto en agua, según las

condiciones estudiadas se mejora al añadir cloruro de sodio a la disolución de

alimentación.

2. El proceso de extracción de ácido etanoico disuelto en agua, según las

condiciones estudiadas, se mejora al utilizar éter de petróleo como disolvente.

3. El proceso de extracción de ácido etanoico disuelto en agua, según las

condiciones estudiadas, se mejora al utilizar una proporción mayor de disolvente

con respecto a la alimentación.

4. La presencia de sales disueltas es el único factor que presenta un efecto

importante en el proceso.

5. A pesar de que existen interacciones entre los factores, para el nivel de

significancia elegido (α = 0,05) no existen interacciones significativas.

19

6. BIBLIOGRAFIA

Boddu, V., Krishnaiah, A., & Viswanath, D. (2001). Liquid−Liquid Equilibria of the

Benzene + Water + Acetic Acid Ternary System and Solubility of Benzene

in Water: Effect of Calcium Chloride. Journal of Chemical & Engineering

Data , 46 (5), 1772-1775.

Coulson, J., & Richardson, J. (2003). Ingeniería Química: Operaciones Básicas

Volumen II. Barcelona: Reverté.

McCabe, W., Smith, J., & Harriot, P. (2005). Operaciones unitarias en ingeniería

química. México D.F: McGraw-Hill Interamericana.

Miranda, M. (2011). Universidad de los Andes. Recuperado el 18 de Junio de 2012, de

Apuntes y Publicaciones del Profesor:

http://www.ula.ve/moira/extraccionliquido-liq

Treybal, R. (1988). Operaciones de transferencia de masa. México: McGraw-Hill.

20

6. APÉNDICES

Apéndice A. Resultados


agua destilada

Concentración de ácido acético

(mol /L) Índice de refracción Temperatura (ºC)

1 1,3375 25,1

0,8 1,3365 25,1

0,6 1,3355 25,1

0,4 1,3345 25,1

0,2 1,3335 25,1

0 1,3325 25,1


agua destilada con una concentración de 350 ppm de cloruro de sodio

Concentración de ácido acético

(mol /L) Índice de refracción Temperatura (ºC)

1 1,343 25,1

0,8 1,3425 25,1

0,6 1,342 25,1

0,4 1,341 25,1

0,2 1,3405 25,1

0 1,34 25,1

Cuadro A. 3. Índices de refracción medidos con ayuda de un refractómetro de Abbé

para el refinado

Orden

Estándar

Orden

Corrida

Bloq

ues

Disolv

ente

Propor

ción

Presencia

de sal η

14 1 1 Éter Alta

(2/3) Con sal

1,3

405

5 2 1 Éter Alta

(2/3) Sin sal

1,3

345

15 3 1 Éter Baja

(1/3) Sin sal

1,3

345

9 4 1 Hexan

o

Alta

(2/3) Sin sal

1,3

345

8 5 1 Éter Baja

(1/3) Con sal

1,3

407

6 6 1 Éter Alta

(2/3) Con sal

1,3

405

12 7 1 Hexan

o

Baja

(1/3) Con sal

1,3

405

2 8 1 Hexan

o

Alta

(2/3) Con sal

1,3

407

7 9 1 Éter Baja

(1/3) Sin sal

1,3

345

11 10 1 Hexan

o

Baja

(1/3) Sin sal

1,3

345

21

(Continuación) Cuadro A.3. Índices de refracción medidos con ayuda de un

refractómetro de Abbé para el refinado

Orden

Estándar

Orden

Corrida

Bloq

ues

Disolv

ente

Propor

ción

Presencia

de sal η

4 11 1

Hexan

o

Baja

(1/3) Con sal

1,3

405

10 12 1

Hexan

o

Alta

(2/3) Con sal

1,3

407

13 13 1 Éter

Alta

(2/3) Sin sal

1,3

345

3 14 1

Hexan

o

Baja

(1/3) Sin sal

1,3

345

1 15 1

Hexan

o

Alta

(2/3) Sin sal

1,3

345

16 16 1 Éter

Baja

(1/3) Con sal

1,3

405

Apéndice B. Resultados intermedios

Cuadro B. 1. Concentración de ácido acético en el refinado

Orden Corrida Concentración de soluto en refinado (mol/L)

1 0,25

2 0,4

3 0,4

4 0,4

5 0,2

6 0,25

7 0,25

8 0,2

9 0,4

10 0,4

11 0,2

12 0,25

13 0,4

14 0,4

15 0,4

16 0,2

Cuadro B. 2. Concentración de ácido acético en el extracto

Orden Corrida Concentración de soluto en extracto (mol/L)

1 0,15

2 0,05

3 0,2

4 0,05

5 0,5

6 0,15

7 0,5

22

(Continuación) Cuadro B.2. Concentración de ácido acético en el extracto

Orden Corrida Concentración de soluto en extracto (mol/L)

8 0,125

9 0,2

10 0,2

11 0,6

12 0,125

13 0,05

14 0,2

15 0,05

16 0,6

Cuadro B. 3. Coeficiente de distribución del ácido acético en el extracto y refinado para

cada corrida experimental

Orden Corrida Coeficiente de distribución

1 0,75

2 0,13

3 0,50

4 0,13

5 2,00

6 0,75

7 3,00

8 0,50

9 0,50

10 0,50

11 3,00

12 0,50

13 0,13

14 0,50

15 0,13

16 3,00

23

Apéndice C. Consola de Minitab® 16 para el análisis del diseño factorial

propuesto

Ajuste factorial: Concentración vs. Presencia de. Proporción. Disolvente Efectos y coeficientes estimados para Concentración (unidades codificadas)

Término Efecto Coef SE Coef T P

Constante 0,31250 0,004419 70,71 0,000

Presencia de sal -0,17500 -0,08750 0,004419 -19,80 0,000

Proporción 0,00000 0,00000 0,004419 0,00 1,000

Disolvente -0,01250 -0,00625 0,004419 -1,41 0,195

Presencia de sal*Proporción 0,00000 0,00000 0,004419 0,00 1,000

Presencia de sal*Disolvente -0,01250 -0,00625 0,004419 -1,41 0,195

Proporción*Disolvente 0,01250 0,00625 0,004419 1,41 0,195

Presencia de sal*Proporción* 0,01250 0,00625 0,004419 1,41 0,195

Disolvente

S = 0,0176777 PRESS = 0,01

R-cuad. = 98,04% R-cuad.(pred.) = 92,16% R-cuad.(ajustado) = 96,32%

Análisis de varianza para Concentración (unidades codificadas)

Fuente GL SC Sec. SC Ajust. CM Ajust.

Efectos principales 3 0,123125 0,123125 0,041042

Presencia de sal 1 0,122500 0,122500 0,122500

Proporción 1 0,000000 0,000000 0,000000

Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625

2-Interacciones de (No.) factores 3 0,001250 0,001250 0,000417

Presencia de sal*Proporción 1 0,000000 0,000000 0,000000

Presencia de sal*Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625

Proporción*Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625

3-Interacciones de (No.) factores 1 0,000625 0,000625 0,000625

Presencia de sal*Proporción*Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625

Error residual 8 0,002500 0,002500 0,000312

Error puro 8 0,002500 0,002500 0,000312

Total 15 0,127500

Fuente F P

Efectos principales 131,33 0,000

Presencia de sal 392,00 0,000

Proporción * *

Disolvente 2,00 0,195

2-Interacciones de (No.) factores 1,33 0,330

Presencia de sal*Proporción * *

Presencia de sal*Disolvente 2,00 0,195

Proporción*Disolvente 2,00 0,195

3-Interacciones de (No.) factores 2,00 0,195

Presencia de sal*Proporción*Disolvente 2,00 0,195

Error residual

Error puro

Total

Observaciones inusuales de Concentración

Residuo

Obs OrdenEst. Concentración Ajuste EE de ajuste Residuo estándar

5 8 0,250000 0,225000 0,012500 0,025000 2,00R

7 12 0,250000 0,225000 0,012500 0,025000 2,00R

16 16 0,200000 0,225000 0,012500 -0,025000 -2,00R

R denota una observación con un residuo estandarizado grande.

24

Coeficientes estimados para Concentración utilizando datos en unidades no

codificadas

Término Coef

Constante 0,312500

Presencia de sal -0,0875000

Proporción 0,00000000

Disolvente -0,00625000

Presencia de sal*Proporción 0,00000000

Presencia de sal*Disolvente -0,00625000

Proporción*Disolvente 0,00625000

Presencia de sal*Proporción* 0,00625000

Disolvente

Medias de cuadrado mínimo para Concentración

Error

estándar de

Media la media

Presencia de sal

Sin sal 0,4000 0,006250

Con sal 0,2250 0,006250

Proporción

Alta (2/3) 0,3125 0,006250

Baja (1/3) 0,3125 0,006250

Disolvente

Hexano 0,3187 0,006250

Éter 0,3063 0,006250

Presencia de sal*Proporción

Sin sal Alta (2/3) 0,4000 0,008839

Con sal Alta (2/3) 0,2250 0,008839

Sin sal Baja (1/3) 0,4000 0,008839

Con sal Baja (1/3) 0,2250 0,008839

Presencia de sal*Disolvente

Sin sal Hexano 0,4000 0,008839

Con sal Hexano 0,2375 0,008839

Sin sal Éter 0,4000 0,008839

Con sal Éter 0,2125 0,008839

Proporción*Disolvente

Alta (2/3) Hexano 0,3250 0,008839

Baja (1/3) Hexano 0,3125 0,008839

Alta (2/3) Éter 0,3000 0,008839

Baja (1/3) Éter 0,3125 0,008839

Presencia de sal*Proporción*Disolvente

Sin sal Alta (2/3) Hexano 0,4000 0,012500

Con sal Alta (2/3) Hexano 0,2500 0,012500

Sin sal Baja (1/3) Hexano 0,4000 0,012500

Con sal Baja (1/3) Hexano 0,2250 0,012500

Sin sal Alta (2/3) Éter 0,4000 0,012500

Con sal Alta (2/3) Éter 0,2000 0,012500

Sin sal Baja (1/3) Éter 0,4000 0,012500

Con sal Baja (1/3) Éter 0,2250 0,012500

25

Apéndice D. Muestra de cálculos

D1. Estimación de la concentración de ácido acético en los refinados

Para determinar la concentración de ácido acético en los refinados del proceso de

extracción, se interpoló el valor del índice de refracción medido para cada muestra en la

recta de mejor ajuste correspondiente.

Por ejemplo, para la corrida 1 (Cuadro A.3), la cual se llevó a cabo con sal disuelta, la

recta de mejor ajuste (Ecuación 3.2), generada por medio de regresión lineal, con los

datos del Cuadro A.2:

El procedimiento se repite para los valores de índice de refracción del Cuadro A.3 que

correspondan a las corridas sin sal disuelta; con los datos del Cuadro A.1 se genera la

Ecuación 3.1, que es la recta de mejor ajuste correspondiente. Los resultados se tabulan

en el Cuadro B.1.

D2. Estimación de la concentración de soluto en el extracto

Para determinar la concentración de ácido acético en el extracto, se calcula el remanente

de soluto que permanece en la fase acuosa (la concentración inicial es de 0,5 mol/L), ese

remanente se multiplica por el volumen de la alimentación para obtener los moles y se

divide por el volumen del disolvente correspondiente, si la proporción era a 2/3 el

volumen del extracto será de 80 mL, en el caso de proporción a 1/3, el volumen es de

40 mL.

Donde,

CA0 es la concentración inicial de soluto, mol/L

CA es la concentración remanente de soluto, mol/L

VE es el volumen del extracto, mL

26

Por ejemplo, para el primer dato del Cuadro B1, con base en la proporción indicada en

el Cuadro A.3:

El procedimiento se repite para todos los datos del Cuadro B.1, con base en la corrida

correspondiente al Cuadro A.3; los resultados se tabulan en la segunda columna del

Cuadro B.2.

D3. Cálculo del coeficiente de distribución

El coeficiente de distribución se calcula como la razón de la concentración de soluto en

el extracto y la concentración del mismo soluto en el refinado cuando se ha alcanzado la

condición de equilibrio.

Por ejemplo, para los primeros los datos de los Cuadros B.1 y B.2:

El procedimiento se repite para todos los datos de la segunda columna de los Cuadros

B.1 y B.2; los resultados son tabulados en la segunda columna del Cuadro B.3.

27

Apéndice E. Nomenclatura

C Concentración, mol/L

K Coeficiente de distribución, adm.

V Volumen, ml

b Selectividad, adm.

η Índice de refracción, adm.

Subíndices

A Referido al Soluto

A0 Referido al soluto inicial

E Referido al extracto

HOAc Referido al ácido acético

Salting Out Extracción ácido acético

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