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extraccion solido - liquido

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JAZMIN GARZA

on 18 December 2015

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extracción sólido - líquido
OPERACIONES UNITARIAS III
Extracción Solido liquido
Es una operación unitaria que está referida a la disolución de uno o más componentes de una muestra sólida, por el contacto que se establece con un disolvente líquido. Se concentra el solvente y se recuperan los productos deseados. Para que se realice la extracción debe haber un contacto superficial directo entre ambas fases y por tanto es conveniente que el sólido esté finamente dividido y que el proceso de extracción se repita varias veces para incrementar su eficiencia.
Dania Carolina garza cruz
GUILLERMO ANTONIO REYES FLORES
JAZMIN ALEJANDRA PRESA PEREZ

Grupo 37QAI5
Operación unitaria también conocida como lixiviación, percolación o lavado; se usa lavado si se quiere eliminar un componente no deseado, se usa lixiviación cuando se quiere extraer un componente valioso, y se usa percolación por la forma de operación -vertido de un liquido sobre un solido-.
Fundamento
Diagrama de Equilibrio
Componentes de una columna de extracción Solido - Liquido
Métodos de extracción
Ecuación de Balance en el Sistema
Cuando se realiza este tipo de extracción, sobre todo en la extracción de productos naturales, suelen utilizarse aparatos llamados de extracción continua o semicontinua que optimizan la extracción con un mínimo de solvente.

Operación unitaria cuya finalidad es la separación de uno o más componentes contenidos en una fase sólida, mediante la utilización de uno o más componentes contenidos en una fase sólida, mediante la utilización de una fase líquida o disolvente. El componente o componentes que se transfieren de la fase sólida a la líquida reciben el nombre de soluto, mientras que el sólido insoluble se denomina inerte.

Entre más grande sea la superficie de contacto entre la parte sólida y el líquido que le atraviesa aumenta la eficiencia de la extracción y para que se dé esto es necesario que la parte sólida se le someta a un pretratamiento (upstream) que normalmente es el secado y la molienda de la muestra.


Campos de aplicación de esta operación básica son, por ejemplo, la obtención de aceite de frutos oleaginosos o la lixiviación de minerales.

Los componentes de este sistema son los siguientes:

1. Soluto.-
Son los componentes que se transfieren desde el sólido hasta en líquido extractor.
2. Sólido Inerte.-
Parte del sistema que es insoluble en el solvente.
3. Solvente.-
Es la parte líquida que entra en contacto con la parte sólida con el fin de retirar todo compuestos solubles en ella.

Un
ejemplo
de la vida cotidiana es la preparación de la infusión de café. En este proceso, la sustancia aromática del café (soluto) se extrae con agua (disolvente) del café molido (material de extracción, formado por la fase portadora sólida y el soluto).

En el caso ideal se obtiene la infusión de café (disolvente con la sustancia aromática disuelta) y en el filtro de la cafetera queda el café molido totalmente lixiviado (fase portadora sólida).

Existen dos tipos de extracción sólido-líquido y esto depende de la forma en que se realiza el proceso:
• Lixiviación.- Cuando retiramos un soluto diana.
• Lavado.- Cuando quitamos componentes no deseados.

Este tipo de operaciones se lleva a cabo en una sola o en múltiples etapas. Una etapa es una unidad de equipo en la que se ponen en contacto las fases durante tiempo determinado, de forma que se realiza la transferencia de materia entre los componentes de las fases y va aproximándose al equilibrio a medida que transcurre el tiempo. Una vez alcanzado el equilibrio se procede a la separación mecánica de las fases.

Una vez realizado el proceso y para obtener un producto puro se requiere pasar a la siguiente fase (downstream), en el cual se puede utilizar operaciones de evaporación o destilación con el fin de separar el o los solutos del disolvente. Este último se puede condensar para volverlo a utilizar.
Aplicaciones prácticas

Las aplicaciones importantes de la extracción sólido-líquido en la industrias alimenticias son: extracción de aceites y grasas animales y vegetales, lavado de precipitados, obtención de extractos de materias animales o vegetales, obtención de azúcar, fabricación de té y café instantáneo, entre otras:

• Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas, como los de soja y de algodón mediante la lixiviación con disolventes orgánicos como: éter de petróleo, hexano, etc.
• Extracción de colorantes a partir de materias sólidas por lixiviación con alcohol o soda.
• En ecología para indicar el desplazamiento hacia los ríos y mares de los desechos y excrementos, además de otros contaminantes como pueden ser los fertilizantes; producido por el mismo proceso indicado para el fenómeno químico.
• En geológia en el proceso de lavado de un estrato de terreno o capa geológica por el agua.
• En el tratamiento de los minerales concentrados .
• Metalurgia Extractiva: para trabajar los minerales principalmente oxidados. Desde un tiempo a esta parte se realiza la lixiviación de minerales sulfurados de cobre mediante procesos de lixiviación bacteriana
• Obtención de azúcar.
• Fabricación de té y café instantáneo.
En el mecanismo de extracción de un soluto contenido en un sólido mediante un líquido ocurren las siguientes etapas:

1. Cambio de fase del soluto: Paso del soluto desde el sólido al líquido 2. Difusión del soluto en el disolvente contenido en los poros del sólido: Se da la transferencia del soluto desde el interior del sólido hasta la superficie del mismo debido a la diferencia de concentración de éste en la interface sólido-líquido (gradiente de concentración) y la superficie exterior del sólido. En esta etapa se obtiene la siguiente expresión de transferencia de materia:


Velocidad de transferencia de materia en la difusión del soluto en el disolvente contenido en los poros del sólido
3. Transferencia del soluto desde la superficie de la partícula sólida hasta el seno de la disolución: Cuando el soluto alcanza la superficie se transfiere al seno de la disolución, esta transferencia de materia se da por transporte molecular y turbulento. La velocidad de transferencia de materia en esta etapa es:
Ecuación No 2: Velocidad de transferencia de materia en la transferencia del soluto desde la superficie de la partícula sólida hasta el seno de la disolución.
Explicación de los Fundamentos de Extracción Sólido – Líquido

Extracción Solido – liquido discontinua.
La separación de una mezcla de compuestos solidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente.
Extracción solido – líquido continuo.
La extracción solido – liquido suele ser mucho más eficiente cuando se hace de manera continua con el disolvente de extracción caliente en un sistema cerrado, utilizando una metodología similar a la comentada para la extracción liquido – liquido continua, basada en la maceración con disolvente orgánico, previamente vaporizado en un matraz y condensado en un refrigerante, de la mezcla solida a extraer contenida dentro de un cartucho o bolsa de celulosa que se coloca en la cámara de extracción.
Extracciones en caliente
. La extracción solido-liquido o liquido-liquido en caliente es una operación relativamente rutinaria en os laboratorios de química. El caso más habitual es la extracción con el sistema Soxhlet. Dado que para ella se suelen emplear líquidos volátiles inflamables, se tendrán que aplicar las recomendaciones generales para la utilización de este tipo de compuestos que ya se han comentado (sobrepresión, presencia de vapores inflamables).
los factores más importantes que influyen sobre la velocidad de extracción son:

a)
Tamaño de las partículas sólidas. Evidentemente cuanto más pequeñas sean, mayor es la superficie interfacial y más corta la longitud de los poros. Por tanto mayor es la velocidad de transferencia. Sin embargo, tamaños excesivamente pequeños pueden hacer que las partículas se apelmacen dificultando la extracción.

b)
Tipo de disolvente. El disolvente debe ser lo más selectivo posible y se recomienda de baja viscosidad.
c)
Temperatura. Un aumento de la temperatura favorece la solubilidad y aumentan los coeficientes de transferencia de materia. El límite superior se fija atendiendo a criterios de calidad del producto, criterios económicos y de seguridad con respecto al disolvente.
d)
Agitación del disolvente-soluto. Favorece la transferencia por aumento de coeficientes de transferencia de materia en la interfase S/L. Además se evita la sedimentación y apelmazamiento de las partículas sólidas. Por otro lado, la destilación es una operación básica
Consiste en sumergir el producto a macerar en un líquido y dejarlo una determinada cantidad de tiempo, para transmitir al líquido características del producto macerado. 
La ventaja de la maceración en frío consiste en que al ser sólo con agua se logran extraer todas las propiedades de lo que se macera, es decir, toda su esencia sin alterarla en lo más mínimo.
Maceración en frío
Métodos Continuos
La extracción sólido-líquido es un proceso semi-continuo, que acopla una destilación con un cartucho de tipo « SOXHLET » que contiene el producto solido impregnado de un principio activo (soluto) que se extrae por disolución en solvente caliente.

La columna de destilación genera vapores del solvente que se condensan; este solvente puro y caliente alimenta el cartucho que contiene el solido inerte y el soluto.

Cuando el cartucho está lleno, la solución obtenida (solvente y soluto) se vacía automáticamente por par medio de un sifón (lixiviación) y regresa al hervidor donde el solvente se lleva nuevamente a ebullición.
La lixiviación se puede realizar al pasar en continuo el solvente o al purgar manualmente y sucesivamente.

El solvente puede ser introducido en un solo paso para la infusión y después el extracto obtenido se trasiega manualmente.
Métodos Discontinuos
Arrastre de vapor
En este método, el material a extraer esta completamente sumergido en agua, la cual es calentada hasta ebullición, bien sea a través de fuego directo o a través de algún método de calefacción (chaquetas o serpentines de vapor o resistencias eléctricas). La característica principal de este proceso es el contacto directo entre el agua en ebullición y el material.
Hidrodestilación
Es cualquier sustancia que se encuentre en condiciones de presión y temperatura superiores a su punto crítico que se comporta como “un híbrido entre un líquido y un gas”, es decir, puede difundir como un gas (efusión), y disolver sustancias como un líquido (disolvente).

Al comportarse como un líquido facilita la disolución de los solutos, a la vez que, su comportamiento como gas permite una fácil separación de la matriz. Esto conlleva un proceso de extracción más rápido, eficiente y selectivo que en el caso de la extracción líquido-líquido.
Fluido supercrítico
Velocidad de Extracción
En base al supuesto, tenemos:







donde:
A
: Área de transferencia interfacial sólido – líquido.
b:
Espesor efectivo de la película líquida que rodea las partículas sólidas.
c:
Conc. del soluto en el seno de la solución en el tiempo t.
cS:
Conc. de la solución saturada en contacto con las partículas sólidas.
M:
Masa de soluto transferido en el tiempo t.
k´:
Coeficiente de difusividad.
En un proceso batch, se asume que V (volumen total de la solución) permanece constante, con lo cual:




El tiempo t, en el cual la concentración de la solución general cambia desde c0 hasta c, puede determinarse mediante:



Ordenando:



Esta ecuación muestra que la solución general se aproxima a la condición de saturación, de manera exponencial.


Resolviendo:


Importante: Se admite que tanto b como A permanecen constantes.
Si c0 = 0 (es decir: se usa solvente fresco inicialmente), tenemos:

Extracción en Etapa Única
(Extracción Monoetapa)
Consideraciones:
Son necesarias las Líneas de Operación y de Equilibrio.
Se supone que, el sólido ya libre de soluto, es insoluble en el solvente.
Se dispone de suficiente disolvente y suficiente tiempo para lograr la disolución del soluto.
No hay adsorción del soluto en el sólido durante la extracción.
El soluto no es soluble en el sólido inerte.
Equipo Batch
Ecuaciones:

Se tienen 3 componentes: Soluto (A) ; Sólido Inerte (Agotado ; Lixiviado) (B) ; Solvente (C).
Se tienen 2 fases: Corriente de derrame y Flujo inferior (corriente de la suspensión).
Concentración de Sólido (B):
Concentración Soluto (A) en el Líquido:


Extracción en Etapa Única
(Extracción Monoetapa)
Ecuaciones de Balance de Materia
Balance General de la Solución:


Balance para el Componente (Soluto):


Balance para el Sólido Inerte:

Diagramas de Equilibrio
Otros Diagramas de
Equilibrio
Diagrama de Equilibrio
(Triángulo Rectángulo)
S:
Solvente de Extracción.
A:
Soluto.
B:
Sólido Inerte.

Línea EF:
Retención de Solución Variable.
Línea EF´:
Retención de Solución Constante.
Línea EC:
Retención de Solvente Constante.

Extracción en Etapa Única
(Flujo de Proceso – Retención Variable)
Extracción en Etapa Única
(Flujo de Proceso – Retención Constante)
Extracción en Etapa Múltiple
(Extractores Continuos: Diferentes Modelos)
Extractor Tipo Canasto
Extractor Rotocell
Extracción en Etapa Múltiple
(Extractores Continuos: Diferentes Modelos)
Extracción en Etapa Múltiple
(Diagrama de Flujo de Proceso)
Extracción en Etapa Múltiple
(Ecuación de Línea de Operación)
Balances sobre las n primeras etapas:

Balance General:

Balance p/ Soluto:

Ecuación Línea de Operación:


Atención: En Ec. Línea de Operación, sustituir el término L0x0 por L0y0.

Extracción en Etapa Múltiple
(Ecuaciones – Flujo Inferior Variable)
Condición: L y V son variables.

Balance General:

Balance p/ Soluto:

Balance p/ Sólido Inerte:

Extracción en Etapa Múltiple
(Ecuaciones por Etapa – Flujo Inferior Variable)
Condición: Las ecuaciones se aplican para cada etapa.

Balances Generales para Etapas 1 y n.



Reordenado la Ec. p/ Etapa 1:



Reordenando p/ todas las Etapas:


* se denomina “flujo de diferencia” (kg. / h). y es un valor constante.

Extracción en Etapa Múltiple
(Ecuaciones por Etapa – Flujo Inferior Variable)
Coordenadas gráficas de (“flujo de diferencia”):

Extracción en Etapa Múltiple
(Número de Etapas Ideales – Flujo Inferior Variable)
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