DISEÑO DE UN EXTRACTOR SÓLIDO – LÍQUIDO

Curso: Diseño de Plantas

Profesor: Carrasco Venegas, Luis

Alumnos:

ORivas Quezada, Manuela

OVargas Sanchez, Irving

EXTRACCIÓN SÓLIDO – LÍQUIDO La extracción es una 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.

Aprovecha, por tanto, la diferencia de solubilidades de los componentes de la

mezcla en el disolvente añadido.

La extracción puede clasificarse dependiendo del estado físico de los

materiales: sólido-líquido o líquido-líquido. Por sus características, la

extracción puede ser continua o discontinua.

Consiste en la remoción o extracción de un

COMPONENTE SOLUBLE (SOLUTO) contenido en un

SÓLIDO, mediante un DISOLVENTE apropiado.

EXTRACCIÓN SÓLIDO – LÍQUIDO O LIXIVIACIÓN

1. Solvente.- Es la parte líquida que entra en contacto con la parte

sólida con el fin de retirar todo compuestos solubles en ella.

2. Material de extracción.- Fase portadora sólida con soluto.

3. Soluto.- Son los componentes que se transfieren desde el sólido

hasta el líquido extractor.

4. Fase portadora sólida lixiviada

5. Disolvente con el soluto de transición en él disuelto

COMPONENTES DEL SISTEMA SÓLIDO – LÍQUIDO

En un proceso de extracción sólido – líquido las operaciones

implicadas son:

Cambio de fase del soluto al disolverse en el disolvente. Esta

etapa se considera prácticamente instantánea.

Difusión del soluto a través del disolvente contenido en los poros

del sólido inerte.

Transferencia del soluto desde las inmediaciones de la interfase

sólido – líquido hasta el seno de la masa principal de disolvente.

Si el sólido presenta estructura celular (por ej: semillas oleaginosas,

granos de café, remolacha, etc.), las paredes celulares suministran

una resistencia adicional a la transferencia de masa. Por lo tanto, la

velocidad de extracción es relativamente baja.

MECANISMO DE EXTRACCIÓN SÓLIDO – LÍQUIDO

ETAPAS CONTROLANTES EN LA VELOCIDAD DE EXTRACCIÓN

O Etapa Controlante 1: Difusión del soluto a través de poros del

sólido residual.

O ¿Cómo se soluciona?: Reducción de tamaño del material a tratar

(materia prima).

O Ventaja: Distancia hacia la superficie que recorre el soluto es

pequeña.

O Etapa Controlante 2: Difusión del soluto, desde la superficie de la

partícula, hasta el seno de la solución.

O ¿Cómo se soluciona?: Alto grado de agitación del fluido.

O Ventaja: Aumento de la velocidad de transferencia de masa.

FACTORES INFLUYENTES EN LA VELOCIDAD DE EXTRACCIÓN

Son 4 los factores influyentes:

1) Tamaño de partícula del sólido.

2) Tipo de solvente de extracción.

3) Temperatura.

4) Velocidad de agitación del fluido.

DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE EXTRACCIÓN

O Hecho: Forma de los poros del sólido remanente es

imposible de definir.

O Consecuencia: Es muy complicado obtener la velocidad de

transferencia de masa en su interior.

O ¿Qué se hace? Se obtiene una aproximación de la velocidad

de transferencia de masa.

O ¿Cuál es esa aproximación?:

O Se determina la velocidad del soluto, desde la superficie de la partícula hasta el seno de la solución líquida.

O ¿Cómo se hace?:

O Se admite que una película delgada es quien opone resistencia a la transferencia de masa.

O 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: Concentración del soluto en el seno de la solución en el tiempo t.

cS: Concentración de la solución saturada en contacto con las partículas sólidas.

M: Masa de soluto transferido en el tiempo t.

k´: Coeficiente de difusividad del Sto en el Disolvente.

En un proceso batch, se asume que V (volumen total de la solución)

permanece constante, con lo cual:

O El tiempo t, en el cual la concentración de la solución general

cambia desde c0 hasta c, puede determinarse mediante:

O Resolviendo:

O Importante: Se admite que tanto b como A permanecen

constantes.

O Si c0 = 0 (es decir: se usa solvente puro inicialmente), tenemos:

O Ordenando:

O Esta ecuación muestra que la solución general se aproxima a la

condición de saturación, de manera exponencial.

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.

EXTRACCIÓN EN UNA SOLA ETAPA

O 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:

Ecuaciones de Balance de Materia

1) Balance general de la solución:

2) Balance para el componente (Soluto):

3) Balance para el sólido inerte:

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 ETAPAS MÚLTIPLES EXTRACTORES CONTINUOS

Ecuación de la Línea de Operación:

Balances sobre las n primeras etapas:

1) Balance general:

2) Balance para el soluto:

3) Ecuación de la línea de operación:

OJO: En la Ec. De la línea de operación, sustituir el término L0x0 por L0y0.

Planta de sambo

DATOS PRELIMINARES DE DISEÑO

OPERACIONES PREVIAS

1)Secado de Semilla

2)Descascarado

3)Trituración y

Molienda

4)Atemperado de

Semilla

5)Extracción con

Disolvente

6)Eliminación de

Disolvente

Si el aceite es mayor

al 20% de su

contenido es

recomendable

realizar un prensado

DISEÑO DE EXTRACTOR SOLIDO - LIQUIDO

Se evidencia que la cantidad de solvente utilizado en la extracción

puede ser considerado constante ya que recircula durante el

proceso con perdidas imperceptibles.

I.- CÁLCULOS TÉCNICOS DEL EQUIPO

1) DISEÑO DEL TANQUE DE EBULLICIÓN (EVAPORADOR)

Se considera diseñar un equipo a escala industrial con un

volumen de 17.5L de solvente y además se asume un

diámetro del tanque de ebullición de 31 cm para darle el

espacio necesario a la resistencia que será utilizada como

fuente de calor ya que mide 29 cm de longitud.

𝑽 =𝝅 𝒙∅𝟐𝒙𝒍

𝟒

𝑙 =𝑉𝑥4

𝜋𝑥∅2

𝑙 =17500𝑥4

𝜋𝑥312

𝒍 = 𝟐𝟑, 𝟐𝒄𝒎

∅=31cm

𝑽 = 𝟏𝟕, 𝟓𝑳 = 𝟏𝟕𝟓𝟎𝟎𝒄𝒎𝟑

DATOS:

Para la construcción del

extractor se utilizara acero

inoxidable AISI 304 de 2mm

de espesor recomendado

para equipos que estarán

en contacto con alimentos.

Datos:

V = 17,5 L = 17 500 cm3

Según la tabla de Propiedades de líquidos se obtiene los siguientes

datos de entalpia:

hHe14°C = 274 kJ/kg = 274 000 J/kg

hHe68°C = 337 kJ/kg = 337 000 J/kg

1.1) DISEÑO TÉRMICO DEL TANQUE DE EBULLICIÓN

Se dispone de una resistencia de 6000 W por lo tanto el tiempo de

generación de vapor de la masa de hexano es:

𝝆= 0.66 g/cm3

𝒎 = 𝜹𝒙𝑽

𝑚 = 0,66𝑔

𝑐𝑚3𝑥17500𝑐𝑚3

𝒎 =11550g= 11.55Kg. (Hexano)

𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑸𝒔𝒂𝒍𝒆

- Calculando la masa de solvente:

- Calculo de balance de energía

𝒎 = 11.55Kg

t= 2,04min

Masa de vapor generado

𝒎𝟎 =𝒎

𝒕

𝒎𝟎 = 𝟑𝟒𝟐 𝑲𝒈/𝒉

Para el diseño de la camisa se toma en consideración el volumen de

solvente que fue nuestro punto de partida en el diseño del tanque de

ebullición ya que este será el volumen que ingrese al extractor y

recircule constantemente.

Además con el fin de lograr un diseño adecuado del equipo se decide

considerar para el extractor un diámetro de 24 cm.

2) DISEÑO DEL EXTRACTOR (CAMISA)

DIMENSIONAMIENTO DEL EXTRACTOR

Datos:

V = 17, 5L = 17500cm3

∅=24cm

A esta altura comienza la

recirculación del solvente sin

embargo se decide construir el

extractor con una altura de

50 cm para dar cabida a la

apertura del ingreso del vapor de

hexano que pasara hacia el

condensador.

𝒍 = 𝟑𝟖. 𝟕 𝒄𝒎

La canastilla será instalada dentro de la camisa con el fin de que contenga la

muestra seca y no recircule con la solución de extracción, cumple la función de

papel filtro.

El diámetro que permite la camisa es de 236mm pero considerando que la

canastilla debe entrar y salir con facilidad se dispone de 2mm a cada lado entre

la pared de la camisa y la pared de la canastilla, por lo tanto:

3) DISEÑO DE LA CANASTILLA (CANASTA TAMIZ)

DIMENSIONAMIENTO DE LA CANASTA TAMIZ

𝒅𝒄𝒂𝒎−𝒄𝒂𝒏 = 𝟐(𝟐𝒎𝒎)

∅𝒊𝒄𝒂𝒎 = 𝟐𝟑𝟔𝒎𝒎

∅𝒐𝒄𝒂𝒏 = ∅𝒊𝒄𝒂𝒏 − 𝒅𝒄𝒂𝒎−𝒄𝒂𝒏

∅𝒐𝒄𝒂𝒏 = 𝟐𝟑𝟔 − 𝟒

∅𝒐𝒄𝒂𝒏 = 𝟐𝟑𝟐𝒎𝒎

Diámetro de la canastilla y será construida en acero inoxidable AISI 304

de 1mm de espesor.

Considerando el diámetro de la canastilla, la mejor disposición de la

misma dentro de la camisa y la altura de recirculación de la solución

extraída, se decide construir una canastilla de 32 cm de alto.

∅𝒐𝒄𝒂𝒏 = 𝟐𝟑𝟐𝒎𝒎

4) DISEÑO DEL CONDENSADOR

Con el objetivo de que el equipo sea proporcional se

construye un condensador con las siguientes dimensiones:

𝒉 = 𝟑𝟗𝒄𝒎

𝝓 = 𝟏𝟔𝒄𝒎

BALANCE TÉRMICO DEL CONDENSADOR

𝑬𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂 = 𝑬𝒔𝒂𝒍𝒆

Flujo volumétrico del agua que ingresa al condensador

𝒎𝑯𝟐𝑶 = 𝟐𝟖𝟖𝑲𝒈/𝒉

Determinación del número de espirales En el condensador se encuentra un espiral de cobre escogido por su

buena conductividad de calor, a través del cual fluye el vapor de hexano,

esta espiral posee un diámetro de 10 cm.

∅𝒔 = 𝒅𝒊𝒂𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒆𝒔𝒑𝒊𝒓𝒂𝒍

Kcu: coeficiente de difusividad

5) DISEÑO DE LA CISTERNA (RESERVORIO DEL REFRIGERANTE)

La cisterna va a contener el agua que circulara por la cámara de

enfriamiento y tendrá las siguientes dimensiones:

Por lo tanto la cisterna contendrá un

volumen de agua de:

Se dispondrá de una bomba de succión de 0,5 HP.

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD O RENDIMIENTO

El diseño acepta una masa máxima de solido por lixiviar (pepas) de 9 kg y

una masa máxima de solvente (hexano) de 11,55 kg, el diseño de la camisa

esta acepta una capacidad máxima de 17,5 L (11,55 kg), es decir, que

siempre en la camisa deberá existir una masa de 11, 55 kg entre el solido

por lixiviar y el solvente. Por lo tanto si aumentamos la masa de pepas,

disminuimos la masa de hexano o viceversa.

BALANCE DE MASA PARA EL SAMBO

Balance de materia total:

Rendimiento

CÁLCULOS DE VALIDACIÓN DEL EQUIPO

1) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE HEXANO A UTILIZAR

2) CÁLCULO DE LA DENSIDAD DEL ACEITE DE SAMBO

Construido a base de acero inoxidable A.S.T.M serie 300, que es

el material mas recomendable para la corrosión en especial el

AISI 304 (American Iron and Steel Institute), este material tiene

una resistencia a la rotura de 220 Mpa lo cual muestra que es

adecuado para soportar este peso, además su resistencia a la

abrasión es baja. Por lo tanto el espesor con el cual se

construirá el reactor es de 2 mm.

TIPO DE MATERIAL DEL EQUIPO Y SU CONTROL (VARIABLES DEL PROCESO)

TIPO DE MATERIAL DEL EQUIPO

PROTOTIPO DE EXTRACTOR SÓLIDO -LÍQUIDO PARA LA OBTENCIÓN DE

ACEITES VEGETALES