EQUIPOS DE

EXTRACCIN

LQUIDO-LQUIDO Bielsa Asensio, Ivn Cabeza Prez, Pablo Cuadrado Caldern, Laura Jimnez de la Parra, Cristina Grupo XII

Valladolid, 27 de Octubre de 2005

Operaciones de Separacin Tarea1. Equipos de extraccin lquido-lquido

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La extraccin lquida consiste en la separacin de los componentes de una solucin lquida por contacto con un disolvente selectivo. Los componentes de la solucin original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases de lquidos, logrando cierto grado de separacin de los componentes que puede aumentarse utilizando contactos mltiples.

EQUIPOS DE EXTRACCIN Mezcladores-Sedimentadores.

Este equipo consta de dos partes: un mezclador para poner en contacto las dos fases lquidas y lograr la transferencia de masa, y un sedimentador para separarlas mecnicamente. Puede variar desde un solo tanque, con un agitador que provoca la mezcla de las fases que despus se dejan sedimentar (una sola etapa), hasta una gran estructura horizontal o vertical compartimentada (varias etapas). La extraccin se puede realizar de dos formas: en continuo y en discontinuo.

Para la extraccin discontinua el mezclador y el sedimentador pueden ser la misma unidad. Al terminar el ciclo de mezcla, se para el agitador y las capas se dejan decantar por gravedad, retirando despus el extracto y refinado que se recogen en recipientes separados, sacndolos a travs de una lnea inferior de descarga provista de una mirilla de vidrio.

Para flujo continuo el mezclador y el sedimentador han de ser piezas distintas del equipo. El mezclador puede ser un pequeo tanque agitado equipado con lneas de entrada y salida, as como placas deflectoras para evitar la formacin de cortocircuitos; tambin puede ser una bomba centrfuga u otro mezclador de flujo. El decantador con frecuencia es un sencillo decantador continuo por gravedad. Con lquidos que se emulsionan fcilmente y que tienen densidades aproximadamente iguales, puede ser necesario hacer pasar la descarga del mezclador a travs de un tamiz o una masa de fibra de vidrio para que puedan coalescer las gotitas de la fase dispersa antes de que sea posible la sedimentacin por gravedad.

En una planta de extraccin continua multietapa, se utiliza un tren de mezcladores-sedimentadores que opera con flujo en contracorriente, tal como se muestra en la Figura 1. El refinado procedente de cada sedimentacin constituye la alimentacin del siguiente mezclador, en el que se introduce un extracto intermedio o disolvente fresco. Los lquidos se bombean de una etapa a la siguiente, pero a veces se puede arreglar el flujo por gravedad si se requiere suficiente espacio. Los tanques de mezclado estn sumergidos en los grandes tanques sedimentadores circulares, los lquidos pesados fluyen por gravedad, los lquidos ligeros por empuje del aire, y la recirculacin del lquido ligero sedimentado hacia el mezclado se logra por un sobreflujo.

Figura 1. Sistema de extraccin mezclador-sedimentador a contracorriente en tres etapas

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Torres de platos perforados.

Son torres de varias etapas en contracorriente, muy efectivas, tanto con respecto a la capacidad de manejo del lquido como a la eficiencia en la extraccin, en particular para sistemas de baja tensin interfacial que no requieren agitacin mecnica para una buena dispersin de las gotas del lquido.

Se han construido columnas con dimetros superiores a 4,5 m. Con frecuencia se utilizan orificios de 0,32 a 0,64 cm de dimetro, separados entre s de 1,25 a 1,91 cm. La separacin entre los platos es mucho menor que en destilacin: 10 a 15 cm para la mayor parte de las aplicaciones con lquidos de baja tensin interfacial.

Generalmente el lquido ligero es la fase dispersa y los conductos de descenso permiten el paso de la fase continua de un plato a otro. En la Figura 2 a) se muestra cmo el lquido ligero se recoge formando una delgada capa debajo de cada plato y se proyecta en forma de chorros en el interior del lquido pesado situado encima. En la Figura 2 b) se muestra un diseo modificado, en el que las perforaciones solamente existen en un lado del plato, alternando a la derecha y a la izquierda de un plato a otro. Casi toda la extraccin tiene lugar en la zona de mezcla situada encima de las perforaciones, con el lquido ligero ascendiendo y acumulndose en un espacio debajo del plato superior, fluyendo entonces transversalmente sobre un vertedero hasta la siguiente serie de perforaciones. El lquido pesado que forma la fase continua (disolvente) pasa horizontalmente desde la zona de mezcla hasta la zona de sedimentacin, donde las finas gotas de lquido ligero tienen oportunidad de separarse y ascender hacia el plato superior.

Su efectividad para la transferencia de masa se deriva de que el mezclado axial de la fase continua est confinado a la regin entre los platos y no se distribuye por toda la torre de etapa a etapa, y de que las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a formar en cada, plato, destruyendo as la tendencia a establecer gradientes de concentracin dentro de las gotas, que se pueden formar cuando stas pasan sin perturbacin a travs de toda la columna. Esto hace que cuando se opera con un rgimen de flujo hidrodinmico adecuado, las velocidades de extraccin en columnas de platos perforados sean elevadas.

Figura 2. Torres de extraccin de platos perforados: (a) perforaciones en platos horizontales; (b) plato perforado de vertedero con zonas de mezcla y sedimentacin.

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Torres de pulverizacin y de relleno para extraccin.

Estos extractores operan con contacto diferencial y no por etapas, de forma que la mezcla y la sedimentacin se dan de forma simultnea y continua. Los lquidos fluyen a contracorriente a travs de una sola pieza del equipo debido a la diferencia en las densidades de los lquidos.

El lquido menos denso se introduce por el fondo de la torre y se distribuye en pequeas gotas por medio de las boquillas. Las gotas del lquido ligero ascienden a travs de la masa del lquido ms pesado, que desciende por la torre. Las gotas se recogen en la parte superior y forman la corriente del lquido ms ligero que sale por la parte superior de la torre, mientras que el lquido ms pesado sale por el fondo. Normalmente, la fase ligera es la que se dispersa mientras que la ms pesada es la continua, pero esta forma de operacin puede invertirse, pulverizando la corriente ms pesada para dispersarla en la fase ms ligera. La eleccin de la fase dispersa depende de la velocidad de flujo, de las viscosidades, as como de las caractersticas de mojado de ambas fases. Por ejemplo, la fase con mayor velocidad de flujo puede dispersarse para obtener una mayor rea interfacial, pero, si hay una importante diferencia de viscosidades, puede dispersarse la fase ms viscosa con el fin de obtener una mayor velocidad de sedimentacin.

Cualquiera que sea la fase dispersa, el movimiento de las gotas a travs de la columna pone constantemente el lquido de la fase dispersa en contacto con la otra fase para producir una eficacia equivalente a una serie de mezcladores-sedimentadores. Hay una transferencia de materia continua entre las fases, y la composicin de las mismas vara a medida que circulan por la torre. La separacin del equilibrio es lo que proporciona la fuerza impulsora para la transferencia de materia. La velocidad de transferencia de materia es relativamente baja en comparacin con absorcin o destilacin. En la prctica, el contacto entre las gotas y la fase continua es ms eficaz en la regin donde se forman las gotas.

A la hora de llevar a cabo el diseo del extractor, hay que tener en cuenta que el aumento de la altura no conduce a un aumento proporcional del nmero de etapas, sino que es mucho ms eficaz redispersar las gotas a lo largo de la torre. Esto se hace llenando la torre con cuerpos de relleno, como anillos o monturas, con esto se logra aumentar el nmero de etapas para una altura dada de columna.

Las torres de relleno se aproximan a las torres de pulverizacin en la sencillez y pueden construirse para resolver cualquier problema de corrosin o presin a un coste razonable. Su principal desventaja es que los slidos tienden a depositarse sobre el relleno y provocan canalizacin. Este es uno de los motivos por los que a pesar de su bajo coste no se utilizan demasiado.

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Figura 3 Torres de placas.

Estas torres de extraccin contienen una serie de placas deflectoras horizontales. El lquido pesado fluye por encima de cada placa y cae a la inferior, mientras que el lquido ligero fluye por debajo de cada placa y se proyecta hacia arriba desde el borde a travs de la fase pesada. Los dispositivos ms frecuentes son los de discos y anillos as como los de placas segmentadas, que van de un lado a otro. En ambos tipos el espaciado entre las placas es de 4 a 6 pulg (100 a 150 mm).

Las torres de placas no contienen pequeas perforaciones que puedan obstruirse o aumentar de dimetro por la corrosin. Pueden tratar disoluciones que contienen slidos en suspensin. Puesto que el flujo del lquido es suave y llano, sin cambios bruscos de velocidad y direccin, las torres de placas son muy convenientes para lquidos que se emulsifican fcilmente.

Las torres de discos y anillos estn equipadas con rasquetas con el fin de separar los slidos que se depositan sobre las placas.

Equipo de gravedad asistido mecnicamente.

Si la tensin superficial es elevada y/o las diferencias de densidad entre las dos fases lquidas son bajas, las fuerzas de gravedad resultan insuficientes para una adecuada dispersin de las fases y creacin de turbulencia. En este caso se utilizan agitadores rotatorios accionados por un eje que se extiende axialmente a lo largo de la columna con el fin de crear zonas de mezcla que alternan con zonas de sedimentacin en la columna. Las diferencias entre los diferentes tipos de columnas residen esencialmente en las cmaras utilizadas para mezcla y sedimentacin. Tambin se puede inducir agitacin moviendo las placas hacia arriba y abajo con un desplazamiento alternativo.

Extractores de torre agitada. En estos extractores de torre se comunica energa mecnica por medio de turbinas interiores u otros agitadores, instalados sobre un eje central rotatorio. Existen distintos tipos:

En el contactor de discos rotatorios que se muestra en la Figura 3 a) los discos planos dispersan el lquido y lo impelen hacia la pared de la torre, donde anillos estticos crean zonas de reposo en las que se separan las fases. Los discos con elevada velocidad de giro proporcionan la energa necesaria para la mezcla y las placas anulares sirven para dirigir el flujo y prevenir la dispersin axial. En otros diseos hay zonas de mezcla separadas por zonas de calma para dar lugar, de hecho, a un sistema de mezcladores-sedimentadores unos encima de otros. En el extractor de York-Scheibel que se representa en la Figura 4 b), la mezcla se realiza mediante palas de turbina con placas deflectoras, y el relleno de malla metlica situado entre las turbinas promueve la coalescencia y separacin de las fases, la sedimentacin. La mayor parte de la extraccin tiene lugar en las secciones de mezcla, aunque tambin se produce algo en las secciones de calma, de forma que la eficacia de cada unidad de mezclador-sedimentador es a veces superior al 100 por 100.

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Figura 4. Torres de extraccin agitada: (a) unidad de discos rotatorios; (b) extractor de

York-Scheibel

La columna de Khni utiliza impulsores cerrados montados sobre el eje central de la torre. El dimetro de las partculas se controla mediante la velocidad y dimetro de rodete.

La columna de Treybal es una adaptacin de un mezclador sedimentador de cascada en forma de columna de modo que se permite que los lquidos se asienten completamente entre etapas.

En la columna de platos recprocos de Karr se utilizan platos de flujo dual montados sobre un eje central y con accin de movimientos recprocos verticales. Esta columna tiene una mayor eficiencia volumtrica que otro tipo de extractores.

Columnas pulsadas.

La agitacin se comunica por medios externos. En este caso una bomba alternativa pulsa todo el contenido de la columna a intervalos frecuentes, de forma que un rpido movimiento alternativo de amplitud relativamente pequea se superpone al flujo ordinario de las fases lquidas. La torre puede ser de relleno ordinario o de platos perforados.

En una torre de relleno la pulsacin dispersa los lquidos y suprime la canalizacin, de forma que mejora considerablemente el contacto entre las fases. Estas torres se utilizan casi siempre para tratar lquidos radiactivos altamente corrosivos. No utilizan conductos de descenso. En el comportamiento ideal, la pulsacin provoca la dispersin del lquido ligero en la fase pesada durante la carrera ascendente y la fase pesada se proyecta en la fase ligera durante la carrera descendente.

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Extractores centrfugos.

La fuerza centrfuga puede acelerar en gran medida la dispersin y separacin de las fases, cuando las diferencias de densidades son muy bajas, o cuando se requieren tiempos de residencia muy pequeos debido a un rpido deterioro del producto.

Generalmente, los extractores centrfugos slo tienen una o dos etapas, y funcionan de la siguiente manera:

El equipo contiene una cinta perforada situada en el interior de una carcasa metlica, que va arrollada en espiral alrededor de un eje hueco horizontal, a travs del cual entran y salen los lquidos. El lquido ligero se bombea hasta la parte exterior de la espiral a una presin comprendida entre 3 y 12 atm para vencer la fuerza centrfuga, mientras que el lquido pesado se introduce por el centro. Los lquidos fluyen en contracorriente a travs del espacio que hay entre la cinta y las paredes de la carcasa. El lquido pesado se mueve hacia fuera a lo largo de la cara externa de la espiral, mientras que el ligero es forzado por desplazamiento a fluir hacia dentro a lo largo de la cara interna. La transferencia de materia es rpida.

El extractor de Podbielniak es

el ms importante. El tambor cilndrico contiene un caparazn concntrico, perforado que gira rpidamente sobre un eje horizontal (30 a 85 rps). Los lquidos entran a travs del eje: los lquidos pesados se llevan al centro del tambor y los lquidos ligeros a la periferia. Los lquidos pesados fluyen radialmente hacia afuera y los dos se sacan a travs del eje.

Figura 5 Extractor centrfugo de Podbielniak

El extractor Quadronics es un dispositivo que gira horizontalmente en el que pueden aadirse orificios fijos o ajustables radialmente como paquete, lo que permite controlar la intensidad de mezclado. El extractor Luwesta es una centrfuga que gira sobre un eje vertical y contiene tres etapas. El extractor de Laval contiene un cierto nmero de cilindros perforados que giran en torno a un eje vertical. Los lquidos siguen una trayectoria en espiral y se mezclan al pasar por las perforaciones.

Los extractores centrfugos tienen las ventajas de producir muchos contactos tericos en un pequeo espacio y tener tiempos de residencia muy pequeos. Pero las dificultades de mantenimiento y el deficiente comportamiento en servicio continuo han limitado su uso en la industria.

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PAUTAS PARA LA SELECCIN DE EQUIPOS DE EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO: A la hora de seleccionar el equipo apropiado hay que tener varios factores o condiciones en cuenta: Capacidad Modo de operacin:

Por cargas o en continuo

Potencia que se desea comunicar Generalmente la potencia se relaciona con el tiempo de operacin que se desee lograr

Numero de etapas de equilibrio Relacin de fases Condiciones de emulsificacin Ensuciamiento Costes: Del propio equipo y de los equipos auxiliares que puedan requerir

determinados equipo para un proceso completo Orden de preferencia de los equipos de contacto para extraccin. Factor o condicin Equipo(s) Preferido(s) 1.Se desea comunicar una potencia muy baja: Columna de pulverizacin (a)Una etapa de equilibrio Columna de placas (b)Pocas etapas de equilibrio 1.Columna de platos perforados (c)Muchas etapas de equilibrio 2.Columna de relleno 2.Se desea comunicar unapotencia baja o moderada, y tres o ms etapas: (a) servicio general y con ensuciamiento 1.Extractores centrfugos (b) Servicio sin ensuciamiento, requiriendo bajo tiempo de residencia y poco espacio

2.Columnas con agitadores rotatorios o placas con movimiento alternativo

3. Elevada comunicacin de potencia Extractores centrfugos 4.Elevada relacin de fases 1.Columna de platos perforados 2.Mezclador-sedimentador 5.Condiciones de emulsificacin Extractores centrfugos 6.No se consideran los datos de diseo sobre transferencia de materia para el sistema Mezcladores-sedimentadores 7.Sistemas radioactivos Extractores con pulsacin

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BIBLIOGRAFA.

- E.J. Henley, J.D. Seader. Operaciones de separacin por etapas de equilibrio en ingeniera qumica Ed. Revert (1988). Captulo 2, pginas 84 - 89

- Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriott. Operaciones unitarias en ingeniera qumicaEd. MacGraw-Hill, 4 edicin (1994). Captulo 19, pginas 627-637

- Knovel - R.H. Perry, D.W. Green Perrys Chemical Engineers Handbook Ed. McGraw

Hill (1999). Captulo 15 , pginas 22 47