OPERACIONES LQUIDO LQUIDO El nico proceso de esta clase es la extraccin lquida, es anloga a las operaciones de contacto gas-lquido. La operacin exige un tratamiento separado para la extraccin lquida, como es la mayor variacin en la solubilidad de las fases lquidas en contacto, que puede suceder durante el paso a travs de una cascada de etapas ya que esto requiere tcnicas de clculo diferentes de las tcnicas necesarias para la absorcin o desorcin de gases. Por otro lado sus equipos son renovados cada cierto tiempo con nuevas modificaciones para otras aplicaciones de diseo.Conocida tambin como extraccin con disolventes, la cual es la separacin del o los componentes mediante el contacto con otro liquido insoluble. Puede llevarse a cabo en lotes o en forma continua, por otra parte la solucin que se extrae en este tipo de operaciones se la conoce como alimentacin y disolvente es el lquido que est en contacto con la alimentacin, El producto de la operacin rico en disolvente se llama extracto; el lquido residual de donde se separ el soluto es el refinado.Para procesos de mayor dificultad se pueden aplicar dos disolventes para separar los componentes de una alimentacin. A esto se lo conoce como extraccin con doble disolvente o fraccionada. Campos de utilidadSegn:1. Competencia con otras operaciones de transferencia de masaEvita gastos innecesarios y el ingeniero ve la factibilidad econmica y de tiempo para ver si es conveniente la aplicacin de la extraccin liquida1. Como un sustituto de mtodos qumicosNo provoca gastos y elimina la formacin de subproductos1. Para separaciones que es un nico mtodoNo necesita de aumento de temperatura o presin para que se d la operacin, facilita el proceso el ahorro de agentes.

EQUILIBRIO LQUIDO La extraccin liquida deduce el uso de sistemas compuestos por tres sustancias como mnimo; aunque las fases insolubles son predominantemente muy diferentes desde el punto de vista qumico, en la mayora de los casos los tres componentes aparecen en cierto grado en las dos fases .para esto se aplica un esquema que nos permite solucionar el anlisis del equilibrio y los respectivos balances de materia.Esquema de notacin1. A y B ion lquidos puros bsicamente insolubles; C es el soluto distribuido. Las mezclas que se van a separar por extraccin estn compuestas de A y C; B es el disolvente de extraccin. 2. Se utilizar la misma letra para indicar la cantidad de una solucin o mezcla y la ubicacin de la mezcla en el diagrama de fases. Las cantidades se miden por libras en las operaciones por lotes y en masa-tiempo en las operaciones continuas. Entonces,E = masa-tiempo de solucin E, un extracto, que se muestra en un diagrama de fase como el punto E. R = masa-tiempo de solucin R, un refinado, que se muestra en un diagrama de fases como el punto R. B = masa-tiempo de disolvente B.

Las cantidades libres de disolvente (libres de B) se indican mediante letras con prima. Entonces,E = masa/tiempo de solucin libre de B, que se muestra en un diagrama de fases como el punto E.E = E (1 + Ng)3. x = fraccin peso de C en el disolvente pobre (rico en A), o refinado, lquidos y = fraccin peso de C en-el disolvente rico (rico en B), o extracto, lquidos X = x/ (1 - x) = masa de C/masa no C en los lquidos refinados Y = (YN - Y) = masa C/masa no C en los lquidos del extracto x=fraccin peso de C en los lquidos refinados libres de B, masa C/ (masa A + masa C) Y = fraccin peso de C en los lquidos del extracto libres de B, masa C/ (masa A + masa C) N = fraccin peso de B con base en libre de B, masa B/ (masa A + masa C) Los subndices identifican la solucin o mezcla a la cual se refieren los trminos de concentracin. Las etapas se identifican mediante nmeros. As, x3 = fraccin peso de C en el refinado de la etapa 3; Y3 = fraccin peso de C (en base libre de B) en el extracto de la etapa 3, etc. Para otras soluciones identificadas mediante una letra en el diagrama de fases, se utiliza la misma letra como subndice de identificacin. As, xM = fraccin peso de C en la mezcla M. Un asterisco identifica especficamente a aquellas concentraciones en el equilibrio en donde se acenta la condicin en el equilibrio. As, yE* = fraccin peso de C en la solucin E en el equilibrio.4. A travs de todo el anlisis de equilibrios, balances de materia y clculos por etapas, las fracciones mol, relaciones mol y kmol pueden sustituirse de modo congruente por fracciones peso, relaciones en peso y kg, respectivamente. .

Coordenadas triangulares equilateras

FIG.1 coordenadas triangulares equilteras

Sirven para describir sistemas ternarios y que a partir de las factibilidades geomtricas que presenta el tringulo equiltero hacer los respectivos balances de materia, dando la siguiente formula:

Segn las consideraciones anteriores y haciendo un balance total de materia se tiene que:Pero lnea ET= Lnea MO =lnea EP y lnea MO=Lnea RL =Lnea MK = lnea PS, por lo tanto,Eliminando M;Balance para el componente C;

FIG.2 regla de mezclado

Para un anlisis completo sobre el comportamiento de los sistemas se ha analizado los ms importantes a continuacin:

Sistema de tres lquidos: un par parcialmente solubleCaracterizado por ser aplicado en la extraccin y por la aplicacin de las coordenadas triangulares que son aplicadas como isotermas. El lquido C se disuelve completamente en A y B, pero A y B solo se disuelven entre s, hasta cierto grado, para dar lugar a las soluciones lquidas saturadas en L (rica en A) y en K (rica en B). Cuanto ms insolubles son los lquidos A y B, ms cerca de los vrtices del tringulo se encontrarn L y K. Una mezcla binaria J, en cualquier punto entre L y K, se separara en dos fases lquidas insolubles de composiciones en L y K, ya que las cantidades relativas de las fases dependen de la posicin de J, de acuerdo con el principio de la ecuacinLa curva LRPEK es la curva binodal de solubilidad, que indica el cambio en solubilidad de las fases ricas en A y B al agregar C. El punto P, punto de pliegue

FIG.3 sistema de tres lquidos

Sistemas de tres lquidos: dos pares parcialmente solublesA y C son completamente solubles, mientras que los pares A-B y B-C presentan nicamente una solubilidad limitada.

FIG.4 efecto de la temperatura en equilibrios ternarios

Una isoterma tpica. A la temperatura predominante, los puntos K y J representan las solubilidades mutuas de A y B y los puntos H y L las de B y C. Las curvas KRH (rica en A) y JEL (rica en B) son las curvas de solubilidad ternarias

FIG. 5 sistema de tres lquidos A-B y B-C parcialmente miscibles

Sistema de dos lquidos parcialmente solubles y un solido El slido C se disuelve en el lquido A para formar una solucin saturada en K, y en el lquido B para dar una solucin saturada en L. A y B slo son solubles al grado que se muestra en H y J. Las mezclas en las regiones AKLIH y BLGJ son soluciones lquidas homogneas. Las curvas KD y GL muestran el efecto de agregar A y B sobre las solubilidades del slido. En la regin HDGJ se forman dos fases lquidas: si se agrega C a los lquidos insolubles H y J para dar una mezcla M, las fases lquidas en el equilibrio sern R y E, unidas por una lnea de unin.

FIG 5 efecto de la temperatura

Todas las mezclas en la regin CDG constan de tres fases: slido C y soluciones lquidas saturadas en D y G. De ordinario, las operaciones de extraccin lquida estn confinadas a la regin de las dos fases lquidas, que es la que corresponde a la curva de distribucin que se muestra.

FIG. 6 sistema de dos lquidos parcialmente solubles A y B y un slido C

Al aumentar la temperatura, con frecuencia estos sistemas cambian a la configuracin.

FIG.7 sistema de dos lquidos parcialmente solubles A,B y un solido

La relacin de equilibro sobre clculos de la extraccin se realizan de forma grafica.

FIG 8 coordenadas rectangulares

Para poder expandir una escala de concentracin con relaci6n a la otra, se pueden utilizar entonces coordenadas rectangulares. Una de estas se forma graficando las concentraciones de B como abscisa contra las concentraciones de C (X y v) como ordenada.En otro sistema de coordenadas rectangulares se considera como abscisa la fraccin peso de C en base libre de B, X y Yen las fases ricas en A y B, respectivamente, contra N, la concentracin de B, en base libre de B, como ordenada

FIG.9 coordenadas rectangulares en base libre de disolvente.

Sistemas de multicomponentes El sistema ms sencillo de cuatro componentes ocurre cuando dos solutos se distribuyen entre dos solventes. Para presentar completamente estos equilibrios, se requiere una grfica tridimensional , con la cual es difcil trabajar; empero, con frecuencia se puede simplificar esa grfica con las curvas de distribucin (xy), una para cada soluto, como la que se presenta para un solo soluto .Con ms de cuatro componentes no se puede trabajar convenientemente en forma grfica.DIAGRAMAS DE FLUJOEn los procesos de extraccin lquida se pueden llevar a cabo en equipo por etapas, en cascadas de multietapas; se realizan tambin en un aparato de contacto diferencial. Se van a considerar los mtodos de clculo y la naturaleza del equipo y sus caractersticas, por separado para cada tipo.CONTACTO POR ETAPASEl contacto por etapas puede realizarse en relacin con diferentes diagramas de flujo, tomando en cuenta la naturaleza del sistema y la separacin deseada. Para el anlisis se considera que cada etapa es una etapa terica o ideal; por tanto, el proceso est en equilibrio. Cada etapa debe incluir medios para facilitar el contacto de los lquidos insolubles y para separar fcilmente las corrientes de los productos. Asimismo una etapa constituye la combinacin de un mezclador y un sedimentador.

Extraccin en una sola etapa Puede ser una operacin por lotes o contina. Segn un balance de materia total es: F+ S, = M, = E, + R,Donde:Masa F (si es por lotes) F masa/tiempo (si es continua) S (masa o masa/tiempo) de un disolventeRefinado: R, (en masa o masa/tiempo.) Mezcla: M, (en masa o masa/tiempo.)Extracto: E, (en masa o masa/tiempo.)

Tomando en cuenta como ejemplo el balance de un componente (C) tenemos:

FIG.10 balance del componente C y sus respectivos diagramas

Asimismo para encontrar los respectivos valores de xm1, y las cantidades del extracto y refinado mediante las siguientes ecuaciones as:

Tambin puede hacerse los clculos en base libre de disolvente mediante los siguientes diagramas y ecuaciones a continuacin:

FIG.11 coordenadas libre de disolvente

Extraccin de varias etapas a contracorriente cruzadaEs una continuacin de la extraccin de una sola etapa ya que el refinado se pone sucesivamente en contacto con disolvente fresco, este proceso se puede llevar a cabo por lotes o contino. De las mismas maneras se analiza en coordenadas triangulares y los balances son los siguientes:

FIG.12 diagrama de proceso de multietapas

FIG.13 extraccin a corriente cruzada

Asimismo para realizar un anlisis en relacin a coordenadas libre de disolvente tenemos los respectivos balances:

Extraccin en varias etapas a contracorriente continaTomando en cuenta el diagrama mostrado a continuacin tenemos:

FIG.14 extraccin a contra corriente de varias etapas

Para el anlisis de este proceso se determina de la siguiente manera segn el tringulo:

FIG.15 diagrama triangular a contracorriente de varias etapas

Cuando el nmero de etapas es muy grande, se recomienda trazar lneas al azar desde delta R hasta intersecar las dos ramas de la solubilidad como se muestra:

FIG.16 transferencia de coordenadas al diagrama de distribucin

EXTRACTORES POR ETAPAS Se aplica en dos tipos principalmente: cascadas de mezclado-sedimentacin de una y de varias etapas y torres perforadas de varias etapas. Un mezclador-sedimentador se caracteriza por ser de una etapa, y consiste en dos partes: un mezclador para poner en contacto las dos fases lquidas y permite alcanzar la transferencia de masa y un sedimentador para separarlas mecnicamente. La operacin puede ser continua o por lotes.Los mezcladores son de dos tipos: mezcladores de flujo y tanques de mezclado. Los mezcladores de flujo o conocidos como los mezcladores de lnea, son equipo de volumen bastante pequeo colocados en una lnea de tubos, como una serie de orificios o boquillas de alimentacin, a travs de los cuales se bombean a corriente paralela los dos lquidos que se van a poner en contacto. Asimismo la eficacia del equipo depende bsicamente de: la cada de presin, el rea interfacial, y el tiempo de retencin.Tanques con agitacin Para el caso de los lquidos depende del diseo ya que segn el modelo continuo dichos lquidos ingresan desde el fondo y para el caso de cascada ingresan por las paredes laterales cerca de la parte superior.DispersionesConsiste en pequeas gotas del lquido disperso en continuo de otro .generalmente las gotas tienen un dimetro de 0.1 a 1 mm .el lquido que tiene el menor flujo volumtrico se dispersa en el otro.Potencia para la agitacin Estn dadas por las turbinas de disco de hoja plana, siempre se debe tener una viscosidad y densidades adecuadas.

Dnde: PM es la potencia de agitacin Las formulas anteriores representan a un tanque con mamparas.Coeficiente de transferencia de masa Debido a las pocas mediciones de coeficientes globales de transferencia de masa para sistemas liquido-lquido en tanques con agitacin, se ha analizado que por otra parte hay bastantes estudios sobre la transferencia de masa de partculas slidas. Para las partculas slidas pequeas, que estn ms estrechamente relacionadas, en tamao, con las gotas en un tanque bien agitado, la relacin recomendada es

De la misma manera para gotas pequeas con recirculacin interna se tiene que:

Y respectivamente pasa encontrar el coeficiente global:

Eficiencia de las etapas Debido a la incertidumbre en los datos de transferencia de masa, es razonable aplicar una versin simplificada del nmero de las unidades de transferencia.

Debido a que los lquidos en un tanque se mezclan uniformemente se los considera sus concentraciones constantes y se llega a la siguiente ecuacin:

Segn la eficiencia de Murphee en la fase dispersa la ecuacin viene dada por:

Bibliografa:Robert E. Treybal. Extraccin liquida, capitulo 10, pg. 529-581