CAPITULO 7: EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO

La extracción líquido-líquido, también conocida como extracción con solvente, es una técnica
para la separación de los componentes de una mezcla líquida por contacto con un solvente
líquido inmiscible o parcialmente miscible. La separación se debe a la distribución diferencial de
los componentes entre las dos fases insolubles. Esta distribución desigual es el resultado de la
diferencia en la solubilidad de los componentes, que a su vez, se asocia con las diferencias en su
estructura química. La acetona se puede extraer de una solución que contiene acetona y agua
utilizando tricloroetano (TCE) como disolvente. Una solución acuosa de ácido acético se puede
separar extrayendo con acetato de etilo como disolvente. Los procesos que utilizan dos
disolventes para la extracción, también conocidos como extracción con doble solvente o
extracción fraccionada, no son infrecuentes. Por ejemplo, una mezcla de acetona y ácido acético
se puede separar por extracción con una mezcla insoluble de cloroformo y agua, con lo cual el
ácido se disuelve preferentemente en el agua y la acetona se disuelve preferentemente en el
cloroformo.

La aplicación industrial a gran escala de la extracción comenzó a principios de la década de 1930

con la recuperación de azufre y compuestos aromáticos a partir del queroseno por extracción
con dióxido de azufre líquido de 260 a 267 K. Actualmente, las industrias utilizan la extracción
de líquidos para una amplia variedad de aplicaciones. Estos incluyen la extracción de aceites
lubricantes, la descafeinación del café, la recuperación de catalizadores homogéneos, la
fabricación de penicilina, la recuperación de proteínas de sustancias naturales, la recuperación
de metales tales como el cobre de los líquidos de lixiviación amoniacal, la recuperación de uranio
y el plutonio de los elementos combustibles gastados, la separación de grasas ácidos de aceites
vegetales, eliminación de fenol de aguas residuales acuosas y extracción de componentes de
alta ebullición, como ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio de corrientes acuosas.

En su forma más simple, la extracción líquido-líquido se puede representar como se muestra

esquemáticamente en la Fig. 7.1. Aquí, una mezcla binaria que consiste en soluto (C) y líquido
portador (A) se extrae utilizando un disolvente (B). Los productos que se separan son la fase rica
en solventes llamada extracto y la fase rica en portadores llamada el refinado. Si el líquido
portador A y el solvente B son parcialmente miscibles, tanto las fases de extracto como de
refinado serán mezclas ternarias que consisten en los componentes A, B y C. El extracto será rico
en B, el solvente utilizado y el refinado serán ricos en A, el líquido portador.
Considere una operación en la que 100 kg de la solución de alimentación que contiene 25% en
peso de acetona en agua tratada con 50 kg de tricloroetano puro a 298 K.

La acetona muestra una preferencia por disolverse en el TCE que en el agua y, como resultado,
parte de la acetona en la alimentación, pero relativamente poca agua se transfiere al disolvente.
Después de alcanzar el equilibrio, la fase acuosa y la fase de disolvente se separan entre sí. La
solubilidad mutua del agua y el TCE son muy pequeños, la cantidad de agua presente en la fase
de disolvente y la cantidad de TCE presente en la fase acuosa será muy pequeña. El disolvente
presente en ambas fases se puede eliminar por evaporación o destilación, con lo cual se
producen aproximadamente 10,2 kg de producto de extracto libre de disolvente que contiene
un 95% de acetona y 89,8 kg de producto de refinado que contiene un 17% de acetona. El
proceso se representa como se muestra en la Fig. 7.2.

La relación de acetona a agua en los productos es muy diferente y también diferente a la del
alimento original; Vemos que la extracción con un disolvente conduce a la separación de los
componentes. En este ejemplo, aproximadamente el 40% de la acetona en la alimentación se
recupera como una solución al 95% de la alimentación original que contiene un 25% de acetona.
La recuperación puede mejorarse sustancialmente mediante el contacto repetido en una
operación de múltiples etapas. Dado que la separación por extracción se logra creando dos fases
insolubles al introducir el solvente, los productos de la extracción están inevitablemente
contaminados por una sustancia "extraña" (el solvente) y requieren en la mayoría de los casos
un tratamiento adicional para su eliminación. Los productos de refinado y extracto deben
someterse a tratamientos de extracción posterior, como la evaporación o la destilación para
eliminar el solvente, no solo para su purificación sino también para la recuperación y
reutilización de solventes costosos.

7.1 IMPORTANCIA DE LA EXTRACCION

La extracción ofrece varias ventajas sobre los métodos de separación directa, como la destilación
y la evaporación. En la destilación, la separación de los componentes de una mezcla líquida se
hace posible mediante la aplicación de calor, mientras que la separación en la extracción se logra
mediante la adición de un disolvente. En la extracción, la separación se logra de acuerdo con el
tipo químico de los constituyentes, mientras que en la destilación, la separación se logra
utilizando la diferencia en las volatilidades. Dado que la segunda fase necesaria para la
transferencia de masa se genera por la vaporización parcial de la mezcla, con frecuencia la
composición de las fases no será muy diferente y, por lo tanto, la separabilidad será pobre en la
destilación.
La extracción ofrece una mayor flexibilidad en la elección de las condiciones de operación;
Mediante la elección adecuada del tipo y las cantidades de disolventes, la eficacia de la
separación se puede mejorar significativamente.

La extracción se puede considerar como un medio alternativo de separación menos costoso

cuando la destilación es antieconómica o imposible como en las siguientes áreas:

1. Líquidos de ebullición cercanos: la destilación de mezclas de líquidos de ebullición

cercana es bastante costosa, si no imposible. La extracción, que hace uso de la diferencia
en la solubilidad de los componentes en lugar de sus volatilidades, se puede utilizar para
separar tales mezclas. Por ejemplo, separación de butadieno (pe: 268.45 K) de butilenos
(pe: 267.2 K - 268.2 K) por extracción con una solución de acetato de cupramonio.
2. Líquidos de baja volatilidad relativa: la destilación de mezclas de ciertos líquidos, a pesar
de la gran diferencia en sus puntos de ebullición, es bastante costosa ya sea por la baja
volatilidad relativa o por el alto calor de vaporización. Por ejemplo, para la separación
de una solución acuosa diluida de ácido acético por destilación, grandes cantidades de
agua deben ser vaporizadas y eliminadas como destilado. El calor de vaporización del
agua es muy alto, el requerimiento de calor para el proceso será bastante grande. La
separación del ácido acético mediante el tratamiento de la solución acuosa con un
disolvente adecuado, como el acetato de etilo, proporciona un medio alternativo menos
costoso.
3. Mezclas de alto punto de ebullición: Para evitar el peligro de descomposición a altas
temperaturas, la destilación de las mezclas de líquidos de alto punto de ebullición debe
realizarse a muy alto vacío; Esta es generalmente una operación muy costosa. La
extracción líquido-líquido se puede usar como sustituto de la destilación al vacío, que es
muy costosa, p. Ej. separación de ácidos grasos de cadena larga y vitaminas de aceites
naturales mediante extracción con propano líquido.
4. Componentes presentes en trazas: Eliminación de componentes presentes en pequeñas
concentraciones, como los materiales colorantes presentes en el sebo u hormonas
presentes en el aceite animal.
5. Sustancias sensibles al calor: debido a la destrucción química de las sustancias a altas
temperaturas, los materiales sensibles al calor como la penicilina y otros antibióticos no
se pueden recuperar por destilación de mezclas de fermentación. La extracción, que a
menudo se realiza a la temperatura ambiente o cerca de ella, es una técnica útil para la
separación de mezclas naturales o sustancias farmacéuticas térmicamente inestables.
Por ejemplo, la penicilina se recupera del caldo de fermentación mediante la extracción
con disolventes orgánicos adecuados, como el acetato de butilo.
6. Azeótropos: los azeótropos son mezclas de ebullición constante y no pueden separarse
por destilación ordinaria. Sin embargo, pueden estar separados por extracción. Por
ejemplo, una mezcla de metiletilcetona y agua que forma un azeótropo al 89,0% en peso
de cetona (pe: 346,65 K a 101,3 kPa) puede separarse extrayendo la cetona en un
disolvente como el tricloroetano. Alternativamente, la extracción de agua en salmuera
acuosa de cloruro de calcio también se puede utilizar para esta separación.
7. Líquidos en el mismo intervalo de ebullición: los productos derivados del petróleo con
estructuras químicas diferentes, pero con puntos de ebullición superpuestos no pueden
separarse por destilación porque, para la separación, la destilación hace uso de la
diferencia en las volatilidades de los componentes. Dichas mezclas se pueden separar
por extracción, lo que hace uso de la diferencia en la solubilidad causada por las distintas
características químicas de los componentes. De este modo, los hidrocarburos
 aromáticos se separan de los hidrocarburos parafínicos en el mismo intervalo de
ebullición por extracción. Para este propósito se utilizan disolventes tales como dióxido
de azufre líquido, sulfolano, furfural o dietilenglicol. Las fracciones de aceite lubricante
pueden liberarse de componentes aromáticos, que si están presentes en el aceite
conducen a características de temperatura de viscosidad deficientes, mediante
extracción con solventes como fenol, furfural o metilpirrolidona. La destilación no se
puede utilizar para esta separación, ya que los puntos de ebullición de los aromáticos y
los componentes deseados del aceite se superponen. Los componentes aromáticos,
como el benceno, el tolueno y los xilenos, se recuperan del reformado catalítico
mediante la extracción utilizando disolventes polares de alto punto de ebullición como
el sulfolano (C4H8SO2) seguido de destilación.

Además de lo anterior, la extracción encuentra aplicaciones también como sustituto de la

costosa evaporación, la cristalización fraccionada y la separación por ciertos métodos químicos.
La separación de metales como tantalumcolumbium, cobre-hierro, uranio-vanadio, etc. se
puede lograr mediante extracción líquido-líquido. La extracción se emplea con éxito para la
purificación de combustible de uranio y para la recuperación de elementos de combustible
gastado en la industria de la energía nuclear. La extracción súper crítica es un método
recientemente desarrollado que utiliza fluidos súper críticos o casi críticos como solventes.

A diferencia de la destilación, la extracción no es un método de separación directa y, por lo

tanto, tiene ciertas limitaciones. La contaminación de los productos de extracción con el
disolvente agregado, que es definitivamente una sustancia "extraña", es inevitable, y como
resultado, los productos requieren un tratamiento adicional para la recuperación o eliminación
del disolvente. La recuperación en muchos casos debe lograrse por destilación y el costo de
recuperación del solvente puede constituir una porción sustancial del costo de la separación por
extracción y la operación combinada puede ser incluso más costosa que la separación por
destilación ordinaria. El solvente de maquillaje es requerido para compensar la pérdida de
solvente. Se atarán cantidades relativamente grandes de capital si se requiere mantener en la
planta, grandes inventarios del solvente. Dado que el disolvente debe ser inmiscible con la
alimentación, la alimentación y el disolvente deben ser necesariamente químicamente
diferentes, y los recipientes de extracción tienen que manipular frecuentemente líquidos con
propiedades de corrosión muy diferentes. Esto restringe la elección de los materiales de
construcción que resisten la corrosión o que pueden conducir a materiales de construcción
costosos.

7.2 EQUILIBRIO LIQUIDO

La extracción líquido-líquido implica la distribución de los componentes entre dos líquidos

inmiscibles o parcialmente miscibles. En su aplicación más simple, la solución de alimentación
que es una mezcla de soluto C y un líquido portador A se extrae con un solvente B. El extracto
será rico en solvente B y el refinado será rico en el portador A. el componente C se distribuye
entre estas dos fases. Si A y B son completamente insolubles, las fases de extracto y refinado
serán mezclas binarias, la primera consistirá solo en B y C, y la última solo en A y C. La
distribución de equilibrio de C entre las fases de refinado y extracto puede ser muy bien
representado en las coordenadas rectangulares, con concentración de soluto en el extracto en
el eje y y la concentración de soluto en el refinado en el eje x como se muestra en la Fig. 7.3.
Por otro lado, si el portador A y el solvente B son parcialmente miscibles, las fases de extracto
y refinado son mezclas líquidas ternarias que consisten en los componentes A, B y C.
El comportamiento de equilibrio de tales mezclas se representa convenientemente en las
coordenadas triangulares equiláteras.

La suma de las distancias perpendiculares desde cualquier punto interior a los lados de un
triángulo equilátero es igual a la altitud del triángulo. Si la altitud del triángulo se establece para
representar el 100% de la composición (unidad de fracción de peso) de una mezcla ternaria, las
distancias perpendiculares se pueden representar para representar los porcentajes (o las
fracciones de peso) de los tres constituyentes de la mezcla. Los vértices del triángulo
representan los componentes puros. Así, en la Fig. 7.4a, el CD de altitud que representa una
fracción de peso de la unidad se divide en 10 partes iguales por líneas horizontales que
intersectan la altitud, cada línea horizontal representa el incremento de 0.1 en la fracción de
peso de C a medida que avanzamos desde la la base AB del triángulo al vértice C. La fracción de
peso del componente C es cero en el lado AB del triángulo y es una unidad en el vértice. La
mezcla binaria CA que consiste en A y B se representará por un punto en el lado AB. El vértice B
representa el componente puro B y el vértice A, el componente puro A. Considere un punto
como P dentro del triángulo. La longitud de línea PS, la distancia perpendicular a la base AB, es
la fracción de peso de C en la mezcla, la longitud de línea PQ, la fracción de peso de A en la
mezcla y la distancia PR, la fracción de peso de B en la mezcla.

Denotando las fracciones en peso de los componentes A, B y G por x1, x2 y x3, respectivamente,
la composición de la mezcla ternaria representada por el punto P en la figura 7.4a es x1 = 0.20,
x2 = 0.30, y x3 = 0.50 o la mezcla en P consiste en 20 (peso)% A, 30 (peso)% B y 50 (peso)% C.

Para los sistemas ternarios que consisten en los componentes A, B y C, intervienen tres pares
binarios. El tipo más común del sistema líquido-líquido en la extracción es el sistema Tipo I en el
que dos de estos pares son completamente miscibles y un par es parcialmente miscible. Algunos
ejemplos de tales sistemas se enumeran en la siguiente tabla:
El líquido C se disuelve completamente en A y B, mientras que A y B solo son parcialmente
miscibles entre sí. A una temperatura dada, los límites de miscibilidad del líquido B en el líquido
A están representados por el punto K y los del líquido A en el líquido B están representados por
el punto L. Por lo tanto, cuando dos líquidos puros A y B se mezclan y se dejan reposar, la mezcla
se separará en una fase rica en A, representada por K (que es aproximadamente 92.3% A y 7.7%
B en la figura 7.5) y una fase rica en B representada por L (que es aproximadamente 95% B y 5%
A ). Supongamos que A y B se mezclan en tal proporción que la composición de la mezcla
resultante se encuentra entre K y L, por ejemplo, en J. Esta mezcla no puede existir como un
líquido homogéneo y se separará espontáneamente en mezclas K y L, cuyas cantidades relativas
son dependientes, de acuerdo con la regla de la mezcla [Eq. (7.1)], sobre las cantidades de A y
B, mezcladas.

Ahora considere un sistema ternario obtenido mezclando los tres líquidos en proporciones tales
que la mezcla combinada esté representada por M en la figura 7.5. La mezcla no puede existir
como una fase homogénea. Se separa en la fase rica en B llamada el extracto denotado por E en
la figura y una fase de refinado, rica en el líquido portador A, denotado por R en la figura. La
línea que une R y E se llama línea de enlace, ya que une las dos fases que están en equilibrio. La
solubilidad mutua de A y B se altera agregando el componente C a la mezcla binaria de A y B. La
relación de A a B en la fase de refinado R no es igual a la de la binaria K. Similarmente, la relación
de A a B en el extracto E y la solución rica en B en L son diferentes, lo que indica la influencia de
C en la solubilidad de A y B.

Las cantidades relativas de las fases de refinado y extracto están determinadas por la proporción
en la que el punto de mezcla M divide la línea de unión. Para otra mezcla ternaria indicada por
M1, las fases de refinado y extracto de equilibrio se encuentran en los extremos de la línea de
unión R1E1 que pasa a través de M1. Del mismo modo, se pueden dibujar R2E2 y varias otras
líneas de enlace. La última de las líneas de enlace es la más corta y está representada por el
punto P, que se llama el punto de la trenza. Las curvas de solubilidad rica en A y rica en B se
fusionan, las fases de refinado y extracto tienen composiciones idénticas y las fases se vuelven
indistinguibles en el punto trenzado. La solubilidad mutua de A y B en las fases de extracto y
refinado se vuelven idénticas en el punto de la trenza. Ahora se puede dibujar una curva suave
a través de los puntos K, R, R1, R2, ...., P, ...., E2, E1 E, L, que se denomina curva de solubilidad
binodal para el sistema ternario.
La curva de solubilidad separa el área dentro del triángulo en dos regiones: la región
heterogénea y la región homogénea. La región en forma de cúpula limitada por la curva de
solubilidad es el área heterogénea dentro de la cual la mezcla no puede existir como un líquido
homogéneo. La mezcla en esta región se separa en fases de refinado y extracto en equilibrio que
están representadas por puntos que se encuentran en la curva de solubilidad. Fuera de la cúpula,
la mezcla es un líquido homogéneo; Ninguna mezcla en esta región puede separarse en fases de
refinado y extracción. Es la región heterogénea que es importante desde el punto de vista de la
extracción. Por la regla de la fase, el número de grados de libertad en la región homogénea es F
= C - π + 2 = 3 - l + 2 = 4, lo que significa que a una temperatura y presión definidas, hay dos
grados de libertad o se deben especificar concentraciones de dos componentes para definir el
estado del sistema. En la región heterogénea F = C - π + 2 = 3 - 2 + 2 = 3, lo que significa que a
una temperatura y presión dadas, el sistema es univariante y se determina únicamente
especificando la concentración de un solo componente. Por ejemplo, al especificar el peso de C
en la fase de refinado, la fase R se determina en la curva de solubilidad y el extracto E en
equilibrio con ella se determina al final del enlace Une que pasa a través de R que se encuentra
en el lado del extracto de La curva de solubilidad.

Curva de distribución

El equilibrio líquido-líquido puede representarse también por medio de curvas de distribución.

La curva de distribución muestra gráficamente la relación entre la fracción de peso del soluto en
la fase de extracción (y) tomada en el eje y y la fracción de peso del soluto en la fase de refinado
(x) tomada en el eje x. Cada línea de enlace en el sistema de coordenadas triangular da lugar a
un punto en la curva de distribución como se muestra en la Fig. 7.6. Si el lazo Une se inclina hacia
arriba como se muestra en esta figura, y será mayor que x y la curva de distribución estará por
encima de la diagonal. La relación de la fracción en peso del soluto en el extracto a la del refinado
se denomina coeficiente de distribución, m.

La Figura 7.7b muestra la curva de distribución del sistema de acetona (C) - agua (A) -
monoclorobenceno (B) en la que la distribución de acetona en equilibrio favorece al solvente,
en lugar del agua. El coeficiente de distribución es mayor que la unidad y la curva de distribución
se encuentra por encima de la línea de referencia de 45 °. La pendiente de la línea de enlace no
siempre tiene que ser positiva. Por ejemplo, para el sistema de ácido acético (C) - agua (A) - éter
isopropílico (B), la línea de enlace se inclina hacia abajo y el coeficiente de distribución es menor
que uno. Esto significa que en el equilibrio la distribución de ácido acético favorece la fase
acuosa en lugar de la fase de disolvente. La curva de distribución se encuentra debajo de la
diagonal en los casos que se muestran en la figura 7.7a. Se debe tener en cuenta que esto no es
una limitación para la extracción y que aún se puede separar el ácido acético mediante la
extracción de su solución con agua usando el disolvente de éter isopropílico, como se explicará
más adelante. Para ciertos sistemas, hay una inversión de pendiente para las líneas de enlace
después de ciertas concentraciones. Piridina (C) - agua (A) - clorobenceno (B), piridina (C) - agua
(A) - benceno (B), isopropanol (C) - agua (A) - benceno (B) son ejemplos de tales sistemas. Estos
son conocidos como "solutropos". La curva de distribución se encuentra por encima de la
diagonal hasta cierta concentración y por debajo de la diagonal después de eso. Para solutropes,
hay una línea de unión que es horizontal en el sistema de coordenadas triangular y esto
corresponde al punto de intersección de la curva de distribución y la diagonal. La figura 7.7c
muestra la curva de distribución del sistema piridina - agua - clorobenceno.

Selectividad

El factor de selectividad o separación (β) es análogo a la volatilidad relativa en la destilación. La

selectividad de un disolvente B para C refleja la capacidad del disolvente B para disolver C con
preferencia a A cuando una mezcla de A y C es tratado con B. Se define como la relación de C a
A en la fase de extracto a Relación de C a A en la fase de refinado en equilibrio. Para que la
separación por extracción sea posible, su valor debe ser diferente de la unidad. Así,
La primera proporción en el lado izquierdo de la ecuación. (7.9) es el coeficiente de distribución,
m, por definición.

Como la segunda relación en el lado derecho de la ecuación. (7.10) siempre será mayor que uno,
incluso si el coeficiente de distribución es menor que uno, la selectividad no tiene por qué serlo.
A menos que la solubilidad mutua de A y B sea muy alta, los sistemas con coeficiente de
distribución desfavorable (m <1) y solutropes también proporcionarán una selectividad mayor
que la unidad debido al alto valor de la segunda relación en la ecuación. (7.10). La figura 7.8
muestra un sistema con un coeficiente de distribución menor que la unidad. RE es una de las
líneas de enlace para el sistema. Cuando el solvente se elimina completamente del refinado,
obtenemos el refinado R 'libre de solvente que se encuentra en el lado AC del triángulo. Por la
regla de la mezcla, para la resta de una corriente de otra, R 'debe estar en la extensión de la
línea BR. La relación de C a A en la mezcla R 'es igual a la relación de la longitud de las líneas R'A
a R'C. De manera similar, E 'es el extracto libre de solvente que resulta cuando se elimina todo
el solvente presente en él. La relación de C a A en el extracto es la relación de las longitudes de
línea E'A a E'C. Así, geométricamente, la selectividad es

lo que podemos ver es mayor que uno, por inspección de la figura 7.8. Eso significa que, a pesar
de que el coeficiente de distribución es desfavorable, la selectividad del disolvente B para la
extracción del soluto C es bastante buena. Cuanto más alejados estén los puntos R 'y E', como
será el caso cuando las líneas de enlace se inclinen hacia arriba, mayor será la selectividad del
disolvente hacia el soluto.

La selectividad generalmente varía con la concentración de soluto y será una unidad en el punto
de la trenza. En algunos sistemas, la selectividad cambia de valores mayores que la unidad a
valores fraccionarios, con la selectividad igual a la unidad en ciertas concentraciones de soluto.
Tales sistemas son análogos a los azeótropos en la destilación. Para sistemas completamente
inmiscibles, la selectividad es infinita.