BS-104

UNIDAD 3: Operaciones con transferencia de masa: Contactado en etapas

Diseño por contactado en etapas. Concepto de etapa ideal. Separación de fases. Equilibrio de partición.

Contactado en cocorriente, corrientes cruzadas y contracorriente. Concepto de recta de operación.

Extracción líquido-líquido. Destilación discontinua, destilación flash y por arrastre con vapor. Rectificación.

BS-105

Separaciones por Transferencia de Masa

El esquema básico para una separación difusional o con transferencia de masa consiste en alimentar una solución de más de un componente, algunos de los cuales se pretenden separar. Para ello se agrega un Agente de Separación que forma primeramente una nueva fase en la cual algunos de los componentes de la mezcla original se transfieren selectivamente. La velocidad de transferencia será proporcional al área interfacial, por lo cual es necesario dispersar una fase en otra y el mezclado favorece la mejora de los coeficientes de transferencia de masa.

BS-106

Las separaciones difusionales requieren la recuperación de las fases producto una vez que alcanzaron el equilibrio o se encuentran cerca de él. Por lo tanto deben tener una separación mecánica asociada (filtración, sedimentación, centrifugación, decantación).

La operación puede llevarse a cabo en forma discontinua o continua. Pero independientemente de ello ya sea en un instante dado o en un punto dado de un equipo, la composición de A (supongamos único componente que se transfiere) en ambas fases pueden representarse como y (fracciones másicas de A).

El equilibrio puede representarse a través de la constante de partición (no necesariamente constante) la cual depende de las variables de estado y de las composiciones. Tendremos:

En general existirá una Curva de Equilibrio.

Necesariamente nuestro sistema debe estar fuera del equilibrio. De cada lado de la interfase existirá un perfil de concentraciones de acuerdo con la Teoría de la Película, con valores de interfase que se suponen en equilibrio. Recordando las ecuaciones cinéticas:

AAxAAAyAA xxyy

An

ii kk

AAA xmy

Ay Ax

Am

iAyiAx

yA

xA

AA

AA

i

i

xxyy

kk

El sistema puede representarse en el diagrama .

Se puede trazar a partir del punto de operación una recta que intersectará a la curva de equilibrio en el punto representativo de la interfase.

Los valores de interfase son difíciles de conocer o medir por lo tanto resulta interesante medir la velocidad en función de coeficientes y fuerzas impulsoras globales. Se definen las composiciones equivalentes que son las que están en equilibrio con la composición considerada. Ver diagrama. Definimos los coeficientes globales: su relación con los coeficientes peliculares será:

Se pueden estimar las resistencias relativas

AA

A

yA yyAn

K AA

A

xA xxAn

K

xAyAyA

mkkK

111

xAyAxA m kkK111

2

yA

yA

yA

yAgResist k

K

K

k1001

1100%

*Ay *Ax

Ay Ax

BS-107

BS-108

Consideremos una etapa de equilibrio donde ingresa una alimentación binaria formada por los componentes A y B. Suponiendo que queremos separar A mediante el agregado de un agente de separación obteniéndose un producto bifásico supuestamente en equilibrio, formado por las fases y

Haciendo un balance para el componente que se transfiere:

Estas ecuaciones se representan en un diagrama vs . Podemos representar el punto conocido como punto de operación también el punto mezcla sobre la recta de 45º. El punto final representa al sistema en equilibrio según la constante de partición, sobre la Curva de Equilibrio .

ERMSF

0, AxF

1, AyE

0, AyS

1, AxR

F

SR E

E

Rxxxy

yxExxRxEREyRxSF

xxxy

yxSxxFxSFSyFxEyRxMxSyFx

AMA

AMA

AAMAMAAMAA

AMA

AMA

AAMAMAAMAA

AAAMAA

1

1

1111

0

0

0000

1100

Ay Ax0

M 1

CE

BS-109

De acuerdo a las ecuaciones existirán dos rectas una entre el punto de operación y el punto mezcla y otra entre el punto mezcla y el punto final.

Para poder trazar una única recta entre el punto inicial y el final redefinimos las composiciones y las masas (o caudales). Si sólo A se transfiere podemos definir los caudales de los materiales que no se transfieren y por lo tanto se mantienen constantes durante la transferencia: Debemos redefinir tambien las composiciones adecuadas como las relaciones másicas.

Asi:

'''''''''1'1'1'1'

11

00

ERMSFESRFyEExRRySSxFF

AA

AA

A

AA

A

AA y

yYx

xX

11

01

01

1

1

0

0

''

''

AA

AA

AMA

AMA

AMA

AMA

XXYY

XXXY

ER

SF

XXXY

Ax0AxAMx1Ax

Ay

1Ay

0Ay

AMx

0

1

M

SF

ER

CE

BS-110

Graficando:

AX0AXAMX1AX

AY

1AY

0AY

AMX

0

1''

''

ER

SF

10, AxF

11 , AyE

01 , AyS

11 , AxR

222 , AyE

02 , AyS

22 , AxR

333 , AyE

03 , AyS

33 , AxR

444 , AyE

05 , AyS

44 , AxR

0, AyS

Estas etapas ideales o teóricas (donde las corrientes de salida se encuentran en equilibrio) pueden combinarse entre sí con el fin de incrementar el cambio más allá de una única etapa de equilibrio.

Existen dos formas básicas de combinar estas etapas: en corrientes cruzadas o en contracorriente.

El esquema en corrientes cruzadas consiste en distribuir una de las fases entre todas las etapas y alimentarlas en forma simultánea

BS-111

Al contactar en corrientes cruzadas cada etapa tendrá una cantidad de solvente igual a la cantidad total dividida el número de etapas.

Esta situación se representa con una recta de mayor pendiente (n veces superior a una única etapa, El resultado final después de varias etapas se evidencia por la diferencia entre e (si juntamos todas las corrientes y el obtenido en una etapa). En su análogo discontinuo: n lavados con 1 volumen es mejor que 1 lavado con n volúmenes.

0

0

0

0

00

00

21

''

''

''

''

''''

''''''''

''..'',....,2,1

AAn

A

jjAAj

AAj

j

AAjjAjA

AjjAjjAjA

jjjjjj

j

XXYY

nSF

SF

XXYY

SF

YYSXXF

YEXRYSXF

ESRFERSFnSSSSnj

AX0AX1AX

AY

1AY

0AY 0

1

'4'

''

1SF

SF

''

1SF

2AY

2AX4AX 3AX

3AY

4AY

'YY 2

34

Y'YE

Otra forma de contacto es en contracorriente según se esquematiza a continuación:

Esta forma resulta ser la de mayor eficiencia donde se logran mayores cantidades separadas del componente A, pero implica una mayor complejidad operativa

BS-112

AjAj

AjAj

AA

AA

AA

AA

AA

AA

AA

AA

AjAjAjAj

AAAA

jj

XXYY

XXYY

XXYY

XXYY

XXYY

SF

YSXFYSXFYSXFYSXF

ESRF

1

1

43

45

32

34

21

23

10

12

11

1120

''

''''''''

''''

AX0AX1AX

AY

1AY

5AY

1

''

SF

2AY

2AX4AX 3AX

3AY4AY

2

34

Y'Y

10, AxF11, AyE

11, AxR 222 , AyE

22 , AxR 333 , AyE

33 , AxR 444 , AyE

44 , AxR5, AyS

BS-113

Otra forma de representar el contactado en contracorriente resulta de hacer un pasaje de términos en las ecuaciones anteriores:

Vemos que existe una recta de pendiente que pasa por todos los puntos , los cuales representan probables valores de interetapa en un equipo de separación, conocida como Recta de Operaciones en un equipo multietapas.

La forma de determinar el número de etapas ideales necesarias consiste en un trazado en escalera entre la recta de operaciones y la curva de equilibrio (Método de Mc Cabe-Thiele), donde cada escalón representa una etapa de equilibrio, donde se supone que las corrientes que abandonan dicha etapa se encuentran en equilibrio.

AjAj

AjAj

AjAj

AjAj

AjAj

AjAj

XXYY

XXYY

SF

XXYY

SF

1

12

1

1

1

1

''

''

''S

F

AjAj XY ,1

AX0AX1AX

AY

1AY

5AY

1

''

SF

2AY

2AX4AX 3AX

3AY4AY

2

34

Y'Y

BS-114

Otra forma de representar el contactado en contracorriente resulta de hacer un pasaje de términos en las ecuaciones anteriores:

Vemos que existe una recta de pendiente que pasa por todos los puntos , los cuales representan probables valores de interetapa en un equipo de separación, conocida como Recta de Operaciones en un equipo multietapas.

La forma de determinar el número de etapas ideales necesarias consiste en un trazado en escalera entre la recta de operaciones y la curva de equilibrio (Método de Mc Cabe-Thiele), donde cada escalón representa una etapa de equilibrio, donde se supone que las corrientes que abandonan dicha etapa se encuentran en equilibrio.

AjAj

AjAj

AjAj

AjAj

AjAj

AjAj

XXYY

XXYY

SF

XXYY

SF

1

12

1

1

1

1

''

''

''S

F

AjAj XY ,1

AX0AX1AX

AY

1AY

5AY

1

''

SF

2AY

2AX4AX 3AX

3AY4AY

2

34

Y'Y

BS-115

Extracción

Lo antes expuesto a modo de ejemplo bien puede adaptarse al caso de extracción. La extracción consiste en la separación de componentes de una mezcla en fase condensada mediante solubilidad diferencial en un solvente (solvente de extracción).

La fase original suele denominarse fase Refinado y la fase compuesta por el solvente de extracción, Extracto .

Sin embargo, la extracción tiene ciertas particularidades que es preciso puntualizar:

Fundamentalmente estas diferencias se basan en el hecho que algo de solvente puede quedar retenido en la fase refinado y que eventualmente algún material no requerido pueda pasar a la fase extracto. Esto determina que las fases en contacto durante la operación puedan ser ternarias. Para representar eficientemente esta situación utilizaremos diagramas ternarios, como por ejemplo triángulos rectángulos. En ellos los vértices representan a los componentes puros: A (componente a extraer, soluto), B (conjunto de componentes no requeridos en fase refinado), C (solvente de extracción puro)

RE

BS-116

Las mezclas binarias se representan sobre los lados y las mezclas ternarias en el interior del triángulo. Sobre los catetos leemos las fracciones másicas de los componentes, según se indica en el diagrama.

Por lo tanto un punto (una dada mezcla) puede representarse con solo dos variables y , por ejemplo, ya que la composición del tercer componente es dependiente de los otros dos.

A

B C

BACA

CBA

CB

Ax

Cx

Bx CAB xxx 1

Ax Cx

BS-117

La extracción puede calificarse según el estado de agregación de la mezcla original en:

•Extracción sólida

•Extracción líquida

La extracción sólida o lixiviación (leaching) en su caso más simple podemos suponer que la fase original está formada por un componente soluble y un sólido totalmente insoluble, en este caso la fase extracto será binaria y la refinado ternaria ya que es inevitable que algo de solvente impregne la fase sólida.

En este caso la cantidad de solvente retenida por la fase refinado es variable y depende del método utilizado en separarlo mecánicamente (filtración, centrifugación, prensado, etc.). Por lo tanto es un dato que debe obtenerse experimentalmente. Lo común es que esta cantidad dependa además de la composición de la solución retenida por el sólido. No es factible definir un coeficiente de reparto.

De esta forma se obtiene una curva de refinados que puede representarse en el interior del diagrama ternario, donde se ubicarán las mezclas refinado en equilibrio con una solución sobrenadante de la fase extracto.

BS-118

En este caso el criterio de equilibrio debe reformularse: el sistema alcanza el equilibrio cuando la solución sobrenadante tiene la misma composición que la solución retenida por el sólido. Por lo tanto el refinado puede considerarse como una mezcla entre sólido insoluble B y una solución de la misma composición que el extracto en equilibrio. El siguiente esquema representa la extracción en una sola etapa o una operación discontinua:

El solvente puede tener algo de A ya que en la mayoría de los casos este se recupera y se recircula. Al mezclar la alimentación con el solvente obtendremos una mezcla según las cantidades relativas de y .

0, Ao xR

1, AyE

0, AyS

1, AxR

S

M0R S

A

B C

0R

S

MR

E

refinadosdeCurva

BS-119

El punto estará ubicado de tal forma que: en la recta que une con , y representa una heterogénea mezcla que se separará en dos fases en equilibrio y .

Para el contacto en corrientes cruzadas la situación será la siguiente:

MRSM

SR

0

0 M

R E

jjjjjjj PMMSERRPMMSERR

SSSMERSRMERSRMERSR

11

1211110

321

33332

22221

11110

A

B C

0R

S

M1R

2E1M

2M

1E

2R3M

3R

3E

1P

P

E

100 , AxR

11 , AyE

01 , AyS

11 , AxR

222 , AyE

02 , AyS

22 , AxR3

33 , AyE

03 , AyS

33 , AxR

0, AyS

AyE ,

0R S

BS-120

La operación en contracorriente resulta ser la más efectiva ya que permite la mayor cantidad de material transferido con una relación fija solvente-alimentación:

PSRERERERERERERER

PSRERMERSR

njj

n

n

...1

2110

2231

1120

10

11

A

B C

0R

S

M1R

2E

1E

2R3R

3E

P

100 , AxR11, AyE

11, AxR 222 , AyE

22 , AxR 333 , AyE

33 , AxR44 , AyE

BS-121

Tanto para la extracción sólida o líquida, si se puede considerar que el soluto buscado está acompañado por materiales totalmente insolubles en la otra fase, y el solvente no impregna al refinado, se pueden usar los métodos enumerados en la parte general.

La extracción líquida supone sistemas formados por dos fases líquidas o semilíquidas. En estos casos la condición de equilibrio puede venir expresada como un coeficiente de reparto según definimos anteriormente, que puede ser constante con la composición del sistema a bajas concentraciones de soluto, no así a altas concentraciones por lo que conviene una evaluación empírica del mismo.

Por otro lado estos sistemas bifásicos generalmente retienen de los tres componentes en ambas fases, es decir admiten una cierta miscibilidad entre los solventes presentes en ambas fases.

El equilibrio, entonces puede representarse en diagramas ternarios donde una curva binodal separa las zonas homogéneas de las heterogéneas, la misma depende del par de solventes considerado y de la temperatura del sistema, a menor temperatura más amplia la zona heterogénea.

BS-122

Cómo se reparte un dado soluto entre ambas fases, se establece por una serie de segmentos en la zona heterogénea cuyos extremos determinan las composiciones en equilibrio en ambas fases y sobre el segmento se puede establecer la relación másica entre ambas fases aplicando la regla de la palanca para una dada mezcla heterogénea. Estos segmentos se denominan líneas de unión o tie-lines.

A

B C

plieguedePunto

binodalCurva

unióndeLínea

A

B C

0R

S

M

R

E

BS-123

La figura de la derecha representa una operación en una etapa o una operación discontinua. Industrialmente esta operación puede llevarse a cabo en una unidad mezclador-sedimentador (mixer-settler), donde la velocidad de extracción está controlada por la intensidad de agitación:

Para mejorar la extraccíón también puede operarse en corrientes cruzadas siendo el modelo matemático semejante a lo visto anteriormente y el esquema ternario sera asi:

A

B C

0R

S

M1R 2E1E

1M

2R2M

1P

2P

3M3R

3E

E

También los equipos son mezcladores- sedimentadores conectados en forma adecuada. Resultando así mayor extracción con la misma relación solvente-alimentación.

El esquema de conexión de los equipos mezcladores- sedimentadores

La operación en contracorriente sigue siendo la más eficiente forma de contacto, su representación será:

A

B C

0R

SP

M1R

2E

1E

2R3R

3E

BS-124

Existen equipos de régimen continuo, tipo torre, generalmente operados en contracorriente, en los cuales se ingresa la fase pesada por la parte superior y la liviana por la inferior. A continuación se muestran algunos diseños de columna utilizados para tal fin, algunos sin aporte de energía y otros con aporte de energía mecánica que mueve un eje ya sea en forma rotativa o alternativa para mejorar el mezclado y la dispersión entre ambas fases.

Para esos casos el tratamiento matemático es completamente similar al caso en contracorriente, donde las corrientes alineadas con el polo corresponden a corrientes a la misma altura de columna, semejante a las corrientes interetapa.

P

FP

FL

FLF

P

Dispersión pesado

FP

FL

FP

FL

Dispersión liviano

BS-125

Ejemplos de Extracción

Desde el punto de vista biotecnológico: el antibiótico penicilina es más soluble en el solvente orgánico metil isobutil cetona (MIBK) que en su medio de fermentación acuosa a pH ácido. Este fenómeno es utilizado para la purificación de la penicilina.

Las aplicaciones típicas de la extracción en el bioprocesamiento incluyen:

1. Purificación de antibióticos

2. Purificación de alcaloides

3. Purificación de proteínas utilizando sistemas acuosos de dos fases

4. Purificación de péptidos y pequeñas proteínas

5. Purificación de lípidos

6.Purificación de ADN

BS-126

La extracción por solvente como se utiliza en la industria biológica se pueden clasificar en tres tipos en función de los sistemas de disolvente utilizado

1. Extracción acuosa / no-acuosa

2. Extracción de dos fases acuosas

3. Extracción con fluido supercrítico.

1. Usando sistemas de solventes acuoso / no acuoso generalmente se extraen compuestos de bajo y medio peso molecular, tales como antibióticos, alcaloides, esteroides y péptidos pequeños. Son sistemas comúnmente usados en la ingeniería química tradicional

2. Macromoléculas biológicas tales como las proteínas y ácidos nucleicos pueden ser extraídos por dos fases acuosas

La extracción con dos fases acuosas es un caso especial de extracción líquido-líquido, ya que implica la transferencia de soluto de una fase acuosa a otra.

BS-127

Las dos fases acuosas inmiscibles se generan in situ por la adición de sustancias, tales como polímeros y sales a una solución acuosa. Dos tipos de sistemas se utilizan comúnmente:

a. sistema de dos fases polímero-polímero

b. sistema de dos fases polímero-sal

Un sistema de dos fases polímero-polímero, puede ser obtenido, por ejemplo, por el agregado de una mezcla de dextrano y PEG a una cierta alimentación. Al añadir cantidades específicas de estos polímeros a una fase acuosa (que contiene el soluto a separar), se forman dos fases acuosas, una rica en PEG y otra rica en dextrano. Sistemas de dos fases acuosas también pueden ser generadas mediante un polímero (PEG por ejemplo, o dextrano) y una sal como fosfato de sodio o de potasio.

Separaciones de dos fases acuosas tienen lugar a ciertas composiciones solamente. La figura muestra un diagrama de fases PEG-dextrano donde una curva de solubilidad separa la región de dos fases (por encima de la curva) de la región de una sola fase (por debajo de la curva).

BS-128

Estos diagramas de fase "binarios" que se basan en la composición de los dos polímeros (o polímero y la sal), se utilizan para determinar el rango de concentraciones necesarias para un proceso de extracción. También predicen el contenido del polímero / de sal en las fases refinado y extracto. La composición de las fases individuales generadas pueden ser obtenidas mediante las líneas de unión o tie lines, como se muestra en la figura.

BS-129

En la extracción de dos fases acuosas PEG / dextrano de proteínas, el comportamiento de la partición depende en gran medida de la composición relativa del polímero. También depende del pH de la solución y el peso molecular de la proteína a extraer. En términos generales, la partición de proteínas en la fase rica en PEG se ve favorecida. Cuando una combinación polímero/sal se utiliza para generar las dos fases acuosas, la partición de la proteína es favorable para la fase rica en polímero.

Extracción batch

En un proceso de extracción discontinuo, una alimentación se mezcla con un disolvente en un recipiente apropiado. El soluto se distribuye entre las dos fases en función de su coeficiente de reparto.

La velocidad a la que la transferencia de soluto tiene lugar desde la alimentación al disolvente, depende de la forma de mezcla. Una vez que el equilibrio es alcanzado, la mezcla se detiene y se dejan separar las fases refinado y extracto. Las unidades mezcladoras sedimentadoras (Mixersettler) se utilizan generalmente para la extracción batch a gran escala.

BS-130

La unidad de mezcla debe ser capaz de generar una alta área interfacial, debe proporcionar un alto coeficiente de transferencia de masa del soluto y causar baja cantidad de burbujas de aire. La unidad mezcladora debe tener un bajo radio, ser de geometría plana, debe permitir la fácil coalescencia, separación y recolección de las fases refinado y extracto como corrientes separadas.

La penicilina se reparte favorablemente en un disolvente orgánico desde el medio de fermentación acuosa en condiciones ácidas. Sin embargo, a pH neutro el reparto desde la fase orgánica a la fase acuosa se ve favorecida. Así, el antibiótico puede ser purificado por extracción en lotes secuenciales revertidos, donde el antibiótico se pasa de la fase acuosa a la fase orgánica y, neutralizando, para pasarla a la fase acuosa nuevamente (como se muestra en la figura). Esta secuencia suele repetirse un par de veces para obtener los antibióticos con alta pureza.

BS-131

Consideremos la velocidad de extracción, adaptando lo visto en general para la velocidad de transferencia de masa. Aplicando la Teoría de la Película para una partícula de refinado, rodeada de fase extracto:

En un equipo de contacto continuo tipo columna , ejemplificándolo en contracorriente:

Ax

Aix

Aiy

Ay

BS-132

La velocidad de transferencia en una porción diferencial de columna será igual al cambio de la cantidad de soluto A en ambas fases:

El área diferencial contenida en dicha porción, si es el área específica de contacto entre ambas fases (área de contacto/ volumen de columna).

El primer factor (HTU: altura de la unidad de transferencia) representa la resistencia cinético fluidodinámica a la transferencia

AAAA

AA

AAEAAR

AAiEAiARA

xmymyx

dAyyKdAxxKdAyykdAxxkdyEdxRdM

**

)*(*)()()(

0, AxR

AfxR,

AfyE,

0, AyE

dzAxR,AyE,

0

0 *)(*)(

*)(

000

0

0

A

Af

Af

A

x

xAAR

x

xAAR

z

AAR

xxdx

AaKR

AaxxKdxRdzz

dzAaxxKdxRdzAadA

a

HTUHTUHTU NTUNTU

BS-133

El segundo (NTU: número de unidades de transferencia) representa la resistencia termodinámica a la transferencia. El producto de ambos permite el cálculo de la altura activa de columna.

Para operaciones discontinuas la variable de diseño es el tiempo. Se define entonces el Tiempo de la unidad de transferencia (TTU):

t: tiempo necesario para la transferencia

: densidad de la fase refinado

Extracción con fluido supercrítico

Un fluido supercrítico (FS) es un material que tiene propiedades de líquido y gas. Cualquier sustancia puede ser obtenida como un fluido supercrítico por encima de su temperatura crítica y presión crítica, como se muestra en la figura. Un fluido supercrítico combina la propiedad de los gases, de poder penetrar fácilmente los materiales, y la capacidad disolvente de los líquidos.

0

*)(A

Af

x

xAAR xx

dxaK

t

TTU NTU

BS-134

Además, su densidad puede ser cambiada en un continuo, cambiando la presión.

El uso de un fluido supercrítico (por ejemplo, de dióxido de carbono supercrítico o agua) ofrece una alternativa a los disolventes orgánicos, que son menos amigables al ambiente. El poder de disolución de un fluido supercrítico, permite un disolvente seguro para el procesamiento de medicamentos y alimentos, y para la extracción de esencias y sabores.

BS-135

También se utiliza para la eliminación rápida de los componentes de incrustaciones, como aceite y la grasa de los dispositivos. La extracción con fluido supercrítico tiene un tremendo potencial para aplicaciones analíticas.

Algunas de las principales aplicaciones de la extracción con fluidos supercríticos son:

1. Separación y purificación de aceites esenciales y compuestos medicinales

2. Eliminación de grasa y suciedad de equipos de proceso

3. Procesamiento de alimentos y bebidas por ejemplo, la producción de "café descafeinado” y cerveza sin alcohol

Como se muestra en la figura, un fluido supercrítico puede ser obtenido por el aumento de la temperatura y la presión de una sustancia pura por encima de su temperatura crítica (Tc) y presión crítica (Pc). La solubilidad de una sustancia en un fluido supercrítico aumenta con el aumento de la presión (ver figura). Este fenómeno es aprovechado para afinar un proceso de extracción .

BS-136

El aumento de la presión acerca a las moléculas de fluidos supercríticos y facilita el “atrape” de más moléculas de soluto. La densidad de un fluido supercrítico también aumenta en forma significativa con el aumento de la presión. El mayor poder de extracción de un fluido supercrítico, cuando se compara con un líquido, se debe a la mayor difusividad del soluto en un fluido supercrítico, comparable a la del soluto en fase gaseosa

BS-137

Un fluido supercrítico puede ser utilizado tanto para la extracción líquido-FS como para la extracción sólido-FS. El Fluido Supercrítico es producido al presurizar a un gas como el dióxido de carbono (Temperatura crítica: 31.1 °C y presión crítica: 72.9 atm/7.39 MPa), utilizando un compresor. La compresión adiabática aumenta la presión y la temperatura de la sustancia por encima de sus valores críticos.

En algunos generadores de FS un intercambiador de calor adicional también puede ser utilizado en serie con el compresor. Los extractores utilizados con fluidos supercríticos son de diseño sencillo. Es necesario un mínimo de maquinaria para la dispersión de las fases en estos dispositivos, debido a la alta penetración de los fluidos supercríticos.

Para la extracción sólido-FS en el modo discontinuo podrá ser usado de manera eficaz un extractor de lecho relleno de contacto continuo.

BS-138

Extracción líquido-FS

El poder disolvente de un fluido supercrítico significa que el soluto de interés y el disolvente inicial son propensos a ser solubles en él.

Es necesario utilizar diagramas de fase ternarios para representar líquidos parcialmente miscibles que disuelven un soluto. Se muestra el diagrama de fase ternario para el sistema etanol-agua dióxido de carbono supercrítico. Como es evidente en el diagrama de fases, el supercrítico de dióxido de carbono no es adecuado para romper el azeótropo agua-etanol. Sin embargo, es útil para eliminar el etanol de la mezcla de etanol-agua, una aplicación es la fabricación de cerveza sin alcohol.

Etanol

Agua coSupercriti-CO 2

Azeótropo

BS-139

La figura muestra la configuración utilizada para la obtención de etanol relativamente concentrado a partir de una solución diluida de etanol mezclado con agua.

El dióxido de carbono gaseoso primero se convierte en un fluido supercrítico por compresión adiabática, después se introduce en el tanque de extracción .

El etanol acuoso se introduce en este tanque a la presión de operación en contracorriente. El fluido supercrítico preferentemente extrae el etanol y deja el extractor por la parte superior, mientras que el refinado (principalmente agua) sale por el fondo del extractor. El extracto es enviado a través de una válvula de reducción de presión a una cámara de expansión donde se obtiene una mezcla de dióxido de carbono gaseoso y de etanol líquido con algo de agua. El dióxido de carbono se separa de la mezcla etanol-agua y es enviado de vuelta al compresor.

El uso de una membrana como una barrera porosa entre la alimentación y el disolvente de extracción (es decir, FS) ofrece varias ventajas.

BS-140

Algunas de estos son:

Compacidad del aparato

Eficiente separación de refinado y extracto

3. Gran área interfacial

4. Área interfacial constante, independiente de la velocidad del fluido

BS-141

El uso de membranas en la extracción líquido-FS es más exitosa que en la extracción líquido-líquido tradicional ya que el FS puede penetrar fácilmente a través de la membrana en la fase alimentación, extraer el soluto y difundir nuevamente al lado extracto. Un nuevo proceso con fluidos supercríticos llamado extracción con fluido porocritico ha sido comercializado. El FS y el líquido de alimentación fluyen través de un módulo que contiene una membrana porosa, en contracorriente.

Las membranas tienen normalmente poros de 0,2 micras. son preferibles membranas de fibra hueca y enrollada en espiral , ya que proporcionan alta área interfacial. La figura muestra el principio de la extracción con fluido porocritico.

BS-142

Extracción Sólido-FS

La alta penetración de un FS hace que sea ideal para procesos de lixiviación.

En la extracción sólido-líquido convencional, las partículas sólidas necesitan ser pulverizadas para la recuperación satisfactoria de soluto por extracción.

La reducción del tamaño de partícula es mucho menos importante en la extracción sólido-SF. Tales procesos se realizan normalmente en lechos rellenos. La figura muestra el arreglo utilizado para la extracción de cafeína de los granos de café.

El extractor se llena primeramente de granos de café y el dióxido de carbono supercrítico, utilizado como solvente de extracción, se pasa a través de ellos. El extracto obtenido se compone principalmente de cafeína disuelta en dióxido de carbono supercrítico.

La cafeína y el dióxido de carbono se separan por la reducción de la presión y el dióxido de carbono gaseoso así obtenido se recicla. El refinado, es decir, los granos de café sin cafeína, son procesados para la producción de "café descafeinado”.

BS-143