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Operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (líquida o que formen parte de un sólido) en un disolvente selectivo. Consiste en poner una mezcla líquida en contacto con un segundo líquido miscible, que selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla. Se emplea en la refinación de aceites lubricantes y de disolventes, en la extracción de productos que contienen azufre y en la obtención de ceras parafínicas.

ALIMENTO
AGENTE DE SEPARACIÓN
PRODUCTOS
PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN
EJEMPLO
liquido
liquido inmiscible
dos líquidos
solubilidades diferentes
en dos fases liquidas
Separación de vitaminas de soluciones acuosas
El líquido que se emplea para extraer parte de la mezcla debe ser insoluble para los componentes primordiales. Después de poner en contacto el disolvente y la mezcla se obtienen dos fases líquidas que reciben los nombres de extracto y refinado. El producto de la operación, rico en disolvente se llama extracto; el líquido residual de donde se separó el soluto es el refinado (Treybal,1988).

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En los laboratorios de química o biología, se utiliza comúnmente el proceso de extracción líquido-líquido en una fase acuosa y en una fase orgánica. Se utiliza un embudo de decantación para separar las dos fases con mayor precisión .
La extracción de un componente de una mezcla líquida mediante un disolvente presenta en ocasiones ventajas respecto a efectuar la separación por destilación:
  • Instalaciones más sencillas.
  • Hay la posibilidad de separar componentes sensibles al calor sin necesidad de realizar una destilación al vacío.
  • La selectividad del disolvente para componentes de naturaleza química similar permite separaciones de grupos de componentes, imposibles de lograr basándose sólo en el punto de ebullición. (Costa, J; 1988)

Se hace la distinción entre la extracción sólido-líquido y la extracción líquido-líquido según que la materia a extraer esté en un sólido o en un líquido, respectivamente. En este caso, obviamente, el disolvente ha de ser inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto.

Proceso de separación (extracción líquido-líquido).jpg

Se puede utilizar este tipo de extracción cuanto la separación por destilación es ineficaz o muy difícil de emplear. Uno de los principales usos son las mezclas con las temperaturas de ebullición próximas, como derivados del petróleo, o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, con frecuencia se separan por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidades. La extracción puede utilizarse para separar más de dos componentes y en algunas aplicaciones se requiere una mezcla de disolventes en vez de un solo disolvente.

Existen varios equipos utilizados en la extracción líquido-líquido, a continuación se mencionan algunos de ellos con sus respectivas ventajas e inconvenientes.
Tabla 1: Ventajas y desventajas de los diferentes equipos de extracción
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Tabla 1: Ventajas y desventajas de los equipos de extracción

FACTORES QUE AFECTAN A LA EXTRACCIÓN
  • La composición de la alimentación, se ve afectado directamente con el gradiente de concentración
  • La temperatura de operación, ya que puede desnaturalizar el principio activo, además afecta a parámetros como: viscosidad y solubilidad.
  • La presión, ya que puede verse afectada por los esfuerzos cortantes.
  • La velocidad de flujo, en flujo turbulento se mejora la extracción ya que hay más contacto entre las fases.
  • El grado deseado de separación, porque mientras más etapas más costo.
  • La elección del disolvente, se ve afectada por los extractos.
  • La formación de emulsiones y espumas, una tensión interfacial demasiado baja podría crear emulsiones (mezclas de dos o más líquidos inmisibles entre sí) muy estables y no poder separar las fases en mucho tiempo,mientras que las espumas se forman por la inclusión de gases en el proceso.

ELECCION DEL SOLVENTE
  • No tóxico
  • Barato (depende de la eficiencia).
  • Fácil de recuperar.
  • Afinidad por el soluto / Mezcla.
  • Inmiscible en el líquido portador
  • Poseer una densidad distinta de la alimentación para que separación de fases sea sencilla.

Purificación de Extractos

Es frecuente que la operación de extracción se vea acompañada por la de destilación para la recuperación del disolvente.
Existen tres caminos para realizar la purificación de :

  1. Purificación por Destilación: Cuando se tiene una mezcla entre líquidos volátiles.

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2. Purificación por Evaporación: Cuando los sólidos son no volátiles.

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3. Purificación por Cristalización: Cuando se tiene una solución sobresaturada.

Un trabajo muy detallado sobre el proceso de extraccion liquido-liquido




TIPOS DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO - LÍQUIDO


Existen dos tipos de extracción líquido-líquido: la extracción líquido-líquido simple y la extracción líquido-líquido continua.

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO SIMPLE


Esta formado por una unidad de extracción. En él, el disolvente y la alimentación se pones juntos en las cantidades que se estimen convenientes y se separan las dos fases formadas.
Cuando se agita un compuesto con dos disolventes inmiscibles, el compuesto se distribuye entre los dos disolventes. A una temperatura determinada, la relación de concentraciones del compuesto en cada disolvente es siempre constante, y esta constante es lo que se denomina:
Coeficiente de distribución o de reparto (K = concentración en disolvente 2 / concentración en disolvente 1).
Es frecuente obtener mezclas de reacción en disolución o suspensión acuosa (bien porque la reacción se haya llevado a cabo en medio acuoso o bien porque durante el final de reacción se haya añadido una disolución acuosa sobre la mezcla de reacción inicial). En estas situaciones, la extracción del producto de reacción deseado a partir de esta mezcla acuosa se puede conseguir añadiendo un disolvente orgánico adecuado, más o menos denso que el agua, que sea inmiscible con el agua y capaz de solubilizar la máxima cantidad de producto a extraer pero no las impurezas que lo acompañan en la mezcla de reacción. Después de agitar la mezcla de las dos fases para aumentar la superficie de contacto entre ellas y permitir un equilibrio más rápido del producto a extraer entre las dos fases, se producirá una transferencia del producto deseado desde la fase acuosa inicial hacia la fase orgánica, en una cantidad tanto mayor cuanto mayor sea su coeficiente de reparto entre el disolvente orgánico de extracción elegido y el agua. Unos minutos después de la agitación, las dos fases se separan de nuevo, con lo que la fase orgánica que contiene el producto deseado se podrá separar mediante una simple decantación de la fase acuosa conteniendo impurezas. La posición relativa de ambas fases depende de la relación de densidades. Dado que después de esta extracción, la fase acuosa frecuentemente aún contiene cierta cantidad del producto deseado, se suele repetir el proceso de extracción un par de veces más.
Una vez finalizada la operación de extracción, se tiene que recuperar el producto extraído a partir de las fases orgánicas reunidas. Para ello, se tiene que secar la fase orgánica resultante con un agentedesecante, filtrar la suspensión resultante y finalmente eliminar el disolvente orgánico de la disolución seca conteniendo el producto extraído por destilación o evaporación.
Aunque normalmente la extracción se utiliza para separar el producto deseado selectivamente de una mezcla, a veces lo que se pretende con la extracción es eliminar impurezas no deseadas de una disolución.

CARACTERÍSTICAS DEL DISOLVENTE DE EXTRACCIÓN IDEAL
La extracción de un componente de una mezcla disuelta en un determinado disolvente se puede conseguir añadiendo otro disolvente que cumpla las siguientes condiciones.
  • Que no sea miscible con el otro disolvente. El disolvente de extracción debe ser inmiscible con la disolución a extraer. El agua o una disolución acuosa suele ser uno de los disolventes implicados. El otro disolvente es un disolvente orgánico.
  • Que el componente deseado sea más soluble en el disolvente de extracción que en el disolvente original.
  • Que el resto de componentes no sean solubles en el disolvente de extracción.
  • Que sea suficientemente volátil, de manera que se pueda eliminar fácilmente del producto extraído mediante destilación o evaporación.
  • Que no sea tóxico ni inflamable, aunque, desgraciadamente hay pocos disolventes que cumplan los dos criterios: hay disolventes relativamente no tóxicos pero inflamables como el hexano, otros no son inflamables pero sí tóxicos como el diclorometano o el cloroformo, y otros son tóxicos e inflamables como el benceno.

DISOLVENTE INMISCIBLE CON EL AGUA
  • Cuanto más polar es el disolvente orgánico, más miscible (soluble) es con el agua.
  • Disolventes polares como el metanol, el etanol o la acetona son miscibles con el agua, y por lo tanto, no son adecuados para extracciones líquido-líquido.
  • Los disolventes orgánicos con baja polaridad como el diclorometano, el éter dietílico, el acetato de etilo, el hexano o el tolueno son los que se suelen utilizar como disolventes orgánicos de extracción.

Tabla2: Disolventes de extracción comúnmente utilizados
Nombre
Fórmula
Densidad (g/mL)1
Punto de ebullición(ºC)
Peligrosidad
Disolventes de extracción menos densos que el agua
Éter dietílico
(CH3CH2)2O
0,7
35
Muy inflamable, tóxico
Hexano
C6H14
≈ 0,7
> 60
Inflamable
Benceno
C6H6
0,9
80
Inflamable, tóxico, carcinógeno
Tolueno
C6H5CH3
0,9
111
Inflamable
Acetato de etilo
CH3COOCH2CH3
0,9
78
Inflamable, irritante
Disolventes de extracción más densos que el agua
Diclorometano
CH2Cl2
1,3
41
Tóxico
Cloroformo
CHCl3
1,5
61
Tóxico
Tetracloruro de carbono
CCl4
1,6
77
Tóxico
Nota: La densidad del agua es 1 g/mL, y la de la disolución acuosa saturada de NaCl es 1,2 g/mL.
REPETICIÓN DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN
Después de una primera extracción se produce un reparto del compuesto a extraer entre el disolvente de extracción y la fase inicial. Como la fase inicial suele contener aún una cantidad del compuesto a extraer, variable en función de su coeficiente de reparto entre los dos disolventes implicados, es recomendable repetir el proceso de extracción con nuevas cantidades de disolvente de extracción, para optimizar su separación. A partir de la fórmula del coeficiente de reparto es muy fácil demostrar que es más eficiente una extracción con n porciones de un volumen V / n de disolvente de extracción que una sola extracción con un volumen V de disolvente. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número de extracciones con volúmenes pequeños de disolvente de extracción, mayor será la cantidad de producto extraído, o dicho de otra forma, “mejor muchos de poco que pocos de mucho”.
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EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO CONTINUA


La extracción líquido-líquido simple, que es el procedimiento de extracción más utilizado en el laboratorio químico, se suele utilizar siempre que el reparto del compuesto a extraer en el disolvente de extracción es suficientemente favorable. Cuando eso no es así, y la solubilidad del compuesto a extraer en los disolventes de extracción habituales no es muy elevada se suele utilizar otro procedimiento que implica una extracción continua de la fase inicial (normalmente una fase acuosa) con porciones nuevas del disolvente orgánico de extracción. Para evitar utilizar grandes volúmenes de disolvente de extracción, el proceso se hace en un sistema cerrado en el que el disolvente de extracción se calienta en un matraz y los vapores del disolvente se hacen condensar en un refrigerante colocado sobre un tubo o cámara de extracción que contiene la disolución acuosa a extraer. El disolvente condensado caliente se hace pasar a través de la disolución acuosa, para llegar finalmente, con parte del producto extraído, al matraz inicial, donde el disolvente orgánico se vuelve a vaporizar, repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz.
A continuación podemos ver el procedimiento de la extracción líquido - líquido en un embudo de separación:







EJEMPLO
Diagrama de Flujo: Extracción de ácido acético en disolución acuosa. Extracción líquido-líquido.
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EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO MÚLTIPLE



Una mejora del proceso simple consiste en dividir el disolvente en varias partes y tratar la alimentación sucesivamente con cada una de ellas. En la figura se representa una sistema de tres unidades. La extracción del soluto es mas completa que en el caso anterior y puede ser llevadas hasta los limites que se deseen aumentando el número de estadios. Este método es el corrientemente usado en el laboratorio.

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EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO MÚLTIPLE CONTRACORRIENTE



El método está basado en poner la alimentación, rica en soluto, en contacto con una disolución concentrada de este, o los refinados pobres en contacto con disoluciones tanto mas diluidas cuanto menor es la concentración de aquellos.

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EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO DIFERENCIAL EN CONTRACORRIENTE

El método esta basado en la diferencia de densidad de las dos fases que se forman para conseguir la marcha en contracorriente, la fase menos densa se introduce por la sección inferior de una columna de torre y la mas pesada por la parte superior.

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EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO CON REFLUJO

Cuando uno de los componentes de la alimentación es parcialmente miscible con el disolvente, solamente él puede ser obtenido puro, apareciendo en la otra fase una mezcla de los dos componentes. El reflujo, que puede ser aplicado a una fase o alas dos simultáneamente tiene por objeto colocara a la fase que se trate en las condiciones mas favorables para una mejor separación del componente a extraer.

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EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO


El equipo para la extracción líquido-liquido depende de la forma en que se realice el proceso. Cuando el sistema está formado por estadios, hay dos fases bien diferenciadas: mezcla íntima y separación posterior que a su vez presentan aspectos diferentes según el proceso sea continuo o discontinuo.

Los aparatos mezcladores, que consisten generalmente en tanques con dispositivos de agitación, deben proporcionar suficiente superficie de contacto durante un tiempo adecuado para que tenga lugar la transferencia de soluto.

1. Mezcladores: De los diversos tipos de aparatos empleados en la mezcla de materiales, los más utilizados en la extracción líquido-líquido son los agitadores y los mezcladores.

a) EXTRACTORES ANULARES ROTATORIOS:

Estos extractores, constan de un cilindro exterior estacionario, dentro del cual gira un cilindro concéntrico. El contacto liquido-liquido ocurre en el espacio anular entre los dos. Este es probablemente el tipo más simple de los extractores agitadores y ha despertado interés en el campo de los procesos con energía atómica por su sencillez y porque promete corto tiempo de residencia por etapa. Esto es necesario en la extracción de soluciones muy radioactivas para reducir al mínimo daños ala disolvente.

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b)EXTRACTORES DE DISCO ROTATORIO:

Este extractor, inventado en holanda posee varios “anillos estatores” horizontales, tabiques en forma de anillo que dividen el extractor en varios pequeños compartimientos cada uno de altura Hc. Una serie de discos, dispuestos en un eje central en cada compartimiento, giran para proporcionar la agitación mecánica.

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2. Extractores Centrífugos:

Los extractores centrífugos aumentan la turbulencia y el grado de contacto por el empleo de elevadas velocidades de rotación.

a) EXTRACTOR PODBIELNIAK:

Indiscutiblemente son los más importantes de esta categoría. La rotación es entorno de un eje horizontal. El cuerpo del extractor es un tambor cilíndrico,cuya construcción interior puede variar considerablemente. En los primerosmodelos, el tambor llevaba un pasaje de sección transversal rectangular yarrollado en una espiral de treinta y tantas vueltas por la cual, los liquidos, enlas propias palabras del inventor “se deslizaban como dos serpientes que seacarician con amor a contracorriente”. Los modelos últimos constan de cilindrosconcéntricos, perforados con agujeros o hendiduras que sirven para el paso deambos líquidos


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b) EXTRACTOR LUWESTA:

Este extractor que gira en torno de un eje vertical, es variante del inventooriginal de Coutor. Tiene tres etapas reales, de ordinario gira a 3800 r.p.m y sucapacidad de flujo se acerca a 1300 galones/hora. Se usa más extensamente en Europa que en Estados Unidos, principalmente en la industria farmacéutica.

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3. Columnas de destilación: El tipo más corriente de aparato es el de columna, cuya sección viene fijada porlos caudales que se deben manejar y cuya altura depende de la separación aconseguir. Lo mismo que en rectificación y absorción, los tipos más importantesde columnas son las de pulverización, de relleno y de platos. En la figura seespecifican detalladamente dichas columnas de extracción.

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TORRE DE EXTRACCIÓN DE PLATOS PERFORADOS

Las gotas del solvente ligero se dispersan, y tienden a elevarse.
Las gotas dispersadas coalescen o se aglutinan debajo de cada plato y se vuelven a formar por encima de éste. El líquido acuoso pesado fluye hacia abajo en los platos, se pone en contacto con las gotas flotantes y después pasa por la bajada del plato hacia el plato inferior.

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TORRES DE EXTRACCIÓN EMPACADAS Y DE ROCÍO

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 afuera, por el fondo.
El líquido ligero entra a través de un distribuidor en el fondo, que lo dispersa hacia arriba en forma de rocío de gotas pequeñas.
El líquido ligero se aglutina en la parte superior y fluye hacia afuera.

torre de extracción empacadas y de rocío.jpg


APLICACIONES DE LA EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO


  • Industria bioquímica, separación de antibióticos y recuperación de proteínas de sustratos naturales.
  • Extracción de metales como la recuperación del cobre de soluciones amoniacales, separaciones de metales poco usuales y de isótopos radiactivos en elementos combustibles gastados.
  • Industria química inorgánica, recuperar compuestos como: ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio de soluciones acuosas.
  • Recuperación de compuestos aromáticos como fenol, anilina o compuestos nitrogenados de las aguas de desecho.
  • Recuperación de productos sensibles al calor.
  • Recuperación de compuestos orgánicos del agua como formaldehido, ácido fórmico y ácido acético.

REFINACIÓN DEL PETRÓLEO


La mayoría de los procesos de extracción en la industria del petróleo se clasifican dentro de las siguientes categorías:
  • Endulzamiento de naftas ligeras o desulfuradas.
  • Separación de hidrocarburos en el tratamiento de aceites lubricantes del petróleo.
  • Los que envuelven desulfuración de productos del petróleo

EXTRACCIÓN DE FURFURAL DE ACEITES LUBRICANTES


El furfural es uno de los disolventes que gozan de más estimación. Se usa a temperatura relativamente alta en el intervalo de (65.5 °C a 121°C ), lo que permite el tratamiento de fracciones cerosas de viscosidad relativamente alta, incluso incluso en torres con relleno, sin peligro de obturación de las torres. el disolvente tiene el inconveniente de oxidarse fácilmente al aire y polimerizarse, y por ello no es raro cubrirlo en los tanques de almacenamiento con gas de chimenea y desairear la solución de alimentación para reducir al mínimo el deterioro del disolvente

DESASFALTADO DE PROPANO


En este caso el propano es un disolvente de precipitación usado para desfalcar, se dispone de el fácilmente y a precio bajo en todas las refinerías comúnmente se usa a temperaturas por debajo de los 121°C con razones disolvente/solución de alimentación relativamente altas y la alta volatilidad hace fácil la recuperación del disolvente. Los extractos (aceite lubricante desasfaltado) pueden enfriarse por evaporación del propano para desparafinarlos antes de su separación.

DESULFURACIÓN


Los compuestos de azufre en aceite de petróleo comprenden sulfuro dehidrogeno, disulfuro de carbono, mercaptanes y tiofenoles. Por lo general el sulfuro de hidrogeno se separa por extracción con solución acuosa de NaOH, que separa igualmente tiofenoles. Después de eliminar el H2S las gasolinas pueden endulzarse por conversión de los mercaptanes a mercapturos. El disolvente puede ser el NaOH acuoso, del cual se separan los mercaptanes por despojo con vapor con vapor de agua para recuperar el álcali.



Referencias:
Elección del Solvente