ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas
OPERACIONES UNITARIAS II EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA EXTRACCIÓN S-L
Paúl Ayala Palca Lilibethed Murillo Mabel Salazar Loor Andrea
Ramos Bayas Cinthia Pacalla
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Ing. Pablo Tejada
1. OBJETIVOS Identificar los diferentes equipos utilizados para una extracción sólido – líquido. Analizar el funcionamiento de cada uno de los equipos utilizados para una lixiviación. Determinar el equipo más eficiente de acuerdo con sus características y funcionamiento.
INTRODUCCIÓN El presente trabajo comprende la definición de lixiviación, un breve ejemplo y la identificación de los diferentes equipos que se pueden utilizar a nivel industrial para realizar una extracción sólido – líquido, divido en las categorías si los sólidos son permeables o no permeables. La importancia de conocer los diversos equipos que se manejan viene dada por la aplicación que se le quiera dar a la lixiviación, tales como biológica, alimenticia o minera. Es necesario reconocer cuál es el equipo adecuado para realizar cualquiera de las aplicaciones antes mencionadas; y así también analizar y comprender su funcionamiento. Al final del trabajo, se concluirá cuáles son los aspectos que se deben considerar para elegir el equipo apropiado para la lixiviación.
3. MA R C O TE OR IC O La operación unitaria extracción sólido – líquido, también conocida como lixiviación, es un proceso de transferencia de masa que ocurre cuando se separa una sustancia de un sólido a través de un medio de extracción líquido. El componente deseado se difunde en el disolvente desde su forma sólida natural, por lo cual el líquido o disolvente es muy importante, ya que éste facilita la extracción de la sustancia deseada. (Hazlego, 2010) Un ejemplo sencillo es la preparación de un té de manzanilla, donde se definiría: 1. La bolsita de té de manzanilla como la mezcla sólida. 2. La manzanilla para extraer es la sustancia deseada. 3. El agua caliente es el disolvente o líquido.
3.1. OPERACIÓN EN ESTADO NO ESTACIONARIO En estas operaciones los sólidos y los líquidos se ponen en contacto únicamente en forma de lotes, también intervienen aquella en donde el lote del sólido se pone en contacto con una corriente continua del líquido solvente. Entre estas operaciones se encuentran:
3.1.1. Percolación por carga Es un proceso de lixiviación por percolación descontinua donde se trata de un gran tanque con un fondo falso, donde los sólidos se dejan caer al tanque hasta una profundidad uniforme luego se rocían un disolvente hasta que el solidos se reduzca hasta un mínimo y por último se excavan, el flujo es a contracorriente. Estos tanques para cuyo principal movimiento es la agitación, dicha agitación son generados por turbinas, pales o hélices. (Percolacion continua, 2011) Consideraciones a tener:
La temperatura Tamaño de la materia Tipo idóneo del solvente
3.1.2. Tanque agitado por carga Estos tanques son agitados mediante impulsores coaxiales como turbinas, paletas o hélices, que se utilizando habitualmente para la disolución por cargas de sólidos en líquidos. La principal función del agitador es proporcionar disolvente no agotado a las partículas de material durante el periodo que se encuentran en el tanque y circular suavemente los sólidos a través del fondo del tanque o suspenderlos simplemente por encima del fondo. Después de producida la lixiviación se pueden separar los sólidos mediante el asentamiento y la decantación, o con filtros externos o centrífugas. (Equipos de lixiviación, 2009).
3.1.3. Tanque Pachuca Un tanque Pachuca consiste en un recipiente cilíndrico grande, comúnmente de 4 a 10 m (13 a 33 pies) de diámetro, y de unos 15 m (50 pies) de altura. La base del tanque está formada por un cono inclinado, por lo que los lodos o las partículas que se asientan en el tanque caerán al centro. Para agitar la lechada en el tanque y desalentar la sedimentación de partículas, se inyecta aire en la base del tanque desde el centro del cono. En algunos tanques de Pachuca, se permite que el aire suba en un chorro de flujo bifásico libre a la superficie de la suspensión de modo que se establece un patrón de circulación natural en la pulpa. En otros tanques, un tubo de aspiración ubicado axialmente de 0,5 m (20 in) de diámetro, lleva una dispersión flotante de lodo de aire desde el fondo del tanque hasta la superficie de la suspensión. La lechada fluye de regreso a través del espacio anular entre el tubo de aspiración y la pared del tanque. En un tanque Pachuca, el tubo puede extenderse verticalmente a solo la mitad de la altura del tanque, de modo que la mezcla se produce mediante una combinación del tubo de aspiración y los efectos de chorro de las dos fases libres. (D., 2016). Los objetivos principales de este tanque son: la suspensión de las partículas, la mezcla de reactivos, transferencia de masa entre la solución y las partículas y la transferencia de masa entre las burbujas de aire y los sólidos suspendidos. (Shekhar & Evans, 1989) Se utilizan generalmente para la lixiviación de minerales no ferrosos, tales como el oro, uranio, zinc y cobre.
3.1.4. Lixiviación en filtro prensa Este equipo es diseñado para aquellos sólidos finos, demasiados finos como para ser percolados en tanques relativamente profundos, puede filtrarse y lixiviarse en el filtro prensa por medio del bombeo del disolvente a través de la pasta de la prensa. (Villegas, 2014) El filtro prensa es un sistema de filtración por presión que tiene una operación muy sencilla: el lodo líquido es bombeado a las cámaras que se encuentran rodeadas por lonas gruesas filtrantes. Al momento de bombear existe un aumento de la presión y el lodo es forzado a atravesar las lonas, provocando una acumulación de los sólidos y la formación de una pasta seca. Posteriormente, un pistón hidráulico empuja la placa (manual o mecánico) de acero contra las placas de polietileno oprimiéndolas. El cabezal y el soporte terminal son sostenidos por rieles de las barras de soporte. El filtrado pasa a través de las lonas y es dirigido hacia los canales de las placas y puertos de drenado del cabezal para descarga. Finalmente, para remover la respectiva pasta compactada se hace retroceder el pistón neumático, causando una relajación de la presión y separando cada una de las placas, para así permitir que la pasta compactada caiga desde la cámara. (QuimiNet, 2008)
La aplicación de este equipo es amplia, sin embargo, se usa mucho para la clarificación de líquidos, en la industria azucarera, cervecería, vinificación, etc. En la actualidad los filtros prensa preferentemente se lo usa en muchas industrias debido a su alto rendimiento obtenido, factor determinante en la industria pesada y minera. (QuimiNet, 2008)
3.2. OPERACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO En estas operaciones el sólido y el líquido se ponen en contacto de manera continua, entre estas operaciones están las siguientes:
3.2.1. Extractor Bollman Es un proceso de lixiviación por percolación continua consiste en una torre de platos o cesta en movimiento, esta torre tiene dos divisiones. En la unidad derecha se va colocando el sólido a extraer y se lo rocía a contracorriente con el solvente puro a medida que va descendiendo los platos hasta ascender a la parte superior de la unidad izquierda donde se descarga el sólido agotado. Este proceso permite trabajar con muestras desde 2000 a 20000 kg/h. el sólido debe ser desmenuzable. (Percolacion descontinua, Abril 2013) Consideraciones a tener:
Cada cesta tenga sus respectivas perforaciones Cámara ser herméticamente al vapor Velocidad del transportador es de 1 revol/hora Temperatura del solvente Tamaño de la partícula Tipo de solvente.
3.2.2. Extractor de Rotocel Es uno de los equipos de percolación continua y consiste en un tanque grande que posee una perforación en la base inferior, se encuentra dividido en varios compartimientos dentro del cual son alimentados con los sólidos en cierto punto específico que a su vez se las rocían con un solvente altamente puro en cada ciclo. El solvente atraviesa el lecho y se recoge en el fondo, existe una zona de escurrido y finalmente se descargan los sólidos gastados. Consideraciones a tener:
La base inferior debe ser permeable al soluto Cesta debe girar lentamente alrededor del eje vertical Tamaño del solido Temperatura del solvente El solvente perfecto para el proceso
3.2.3. Percolador de banda sin fin Es similar al Rotocel, pero la alimentación, la pulverización de disolvente, el drenaje y los puntos de descarga son lineales en vez de circulares. Algunos ejemplos son el extractor del tipo Smet de banda (sin compartimentos) y el de tipo Lurgi de banda con bastidores (con compartimentos). 3.2.3.1.
Extractor tipo smet
La entrada del material sólido se realiza mediante un bloqueo a presión y el material sólido se coloca en una cinta de tamiz. La altura de la capa sólida está regulada por una pieza deslizante. Después de la zona de caída, el desbordamiento es retirado por un bloqueo. Debido al sistema cerrado, la ventaja del extractor De Smet es que se puede operar a mayor presión y, por lo tanto, a temperaturas más altas.
3.2.3.2.
Extractor Lurgi
Este extractor consiste en una correa de marco que se coloca en la sección superior e inferior del extractor en una banda de tamiz. Los cinturones de tamiz son el fondo de las cámaras de extr acción. La correa de tamiz superior es más corta que la correa de marco, por lo que en esta sección no existe fondo para la cámara de extracción y el material sólido cae en las cámaras siguientes. La parte superior e inferior del extractor están separadas para que la miscela se pueda recoger por separado y transportar al paso anterior, realizando el flujo de contracorriente. (pineda, 2009)
3.2.4. Extractor tipo Kennedy En este equipo, el disolvente fluye por gravedad de cámara a cámara, a contracorriente con el movimiento de los sólidos. Está compuesto por una serie lineal de cámaras horizontales a través de las cuales se desplazan, en sucesión, los sólidos a lixiviar por medio de un impulsor, de velocidad lenta. Existe la posibilidad de efectuar drenajes entre las etapas cuando el impulsor provoca la elevación de los sólidos por encima del nivel de líquido antes de vaciarlos en la siguiente cámara. (Rojas, 2013)
3.2.5. Extractor tipo Bonotto vertical de platos Consiste en una columna dividida en compartimentos cilíndricos mediante la disposición de platos horizontales espaciados a distancias iguales. Cada plato tiene una abertura radial, colocada 180º con respecto a las aberturas de los platos situados inmediatamente por encima y por debajo (de forma alterna). El sólido se alimenta por la parte superior de la columna, siendo la dirección descendente la que siguen las partículas las cuales caen al plato inferior a través de las aberturas arrastrado por un raspador radial giratorio, mientras que el disolvente entra por la parte inferior, saliendo la miscela por la parte superior. El flujo de sólido y líquido es en contracorriente. Los sólidos se retiran por el fondo mediante un tornillo sinfín y un compactador. Estos extractores se utilizan en la extracción de aceite de semillas y frutos secos. Basados en este principio de extracción en columna por inmersión, y con algunas variantes, existen otros extractores que se conocen con distintos nombres: Allis Chalmer. Oliver, etc. (Coulson y Richardson, 2003)
3.2.6. Extractor tipo Hildebrant de inmersión total Es un extractor de inmersión, ya que en todo momento el sólido se encuentra inmerso en el disolvente. En esencia consta de tres elementos montados en forma de U, tal como muestra la figura. El sólido se carga por uno de los brazos verticales y se hace avanzar, mediante un transportador de tornillo sin fin hacia abajo. Una rama horizontal lo transporta hacia el otro brazo vertical, por donde asciende hacia ser descargado por su parte superior. El movimiento del sólido se logra con tornillos sin fin de paletas perforadas Los tornillos sinfín están diseñados para que permitan la compactación de los sólidos. El disolvente se alimenta por el brazo de subida de los sólidos, lográndose con esto que las corrientes líquida y sólida circulen en contracorriente. En el conducto de salida de la disolución extraída, existe un filtro que evita que el sólido salga por esta corriente. Estos extractores se utilizan en la extracción de azúcar de remolacha y aceite de copos de soja, si bien en la actualidad su construcción está muy limitada. (Ibarz, Barbosa y Cánova, 2011)
3.2.7. Extractor Soxhlet En este procedimiento la muestra sólida finamente pulverizada se coloca en un cartucho de material poroso que se sitúa en la cámara del extractor soxhlet. Se calienta el disolvente extractante, situado en el matraz, se condensan sus vapores que caen, gota a gota, sobre el cartucho que contiene la muestra, extrayendo los analitos solubles. Cuando el nivel del disolvente condensado en la cámara alcanza la parte superior del sifón lateral, el disolvente, con los analitos disueltos, asciende por el sifón y retorna al matraz de ebullición. Este proceso se repite hasta que se completa la extracción de los analitos de la muestra y se concentran en el disolvente. La extracción con Soxhlet presenta las siguientes ventajas:
La muestra está en contacto repetidas veces con porciones frescas de disolvente. La extracción se realiza con el disolvente caliente, así se favorece la solubilidad de los analitos. No es necesaria la filtración después de la extracción. La metodología empleada es muy simple. Es un método que no depende de la matriz. Se obtienen excelentes recuperaciones, existiendo gran variedad de métodos oficiales cuya etapa de preparación de muestra se basa en la extracción con Soxhlet.
Desventajas
El tiempo requerido para la extracción normalmente está entre 6-24 horas. La cantidad de disolvente orgánico (50-300 ml) La descomposición térmica de los analitos termolábiles, ya que la temperatura del disolvente orgánico está próxima a su punto de ebullición. No es posible la agitación del sistema, la cual podría acelerar el proceso de extracción. Es necesaria una etapa final de evaporación del disolvente para la concentración de los analitos. Esta técnica no es fácilmente automatizable. (Olavide, 2008)
4. DISC US IÓN Y ANÁ LISIS Posiblemente se puede decir que las industrias metalúrgicas son las que más utilizan esta operación unitaria, pues la lixiviación ayuda a obtener el material valioso de la forma natural en que se encuentran, es decir, mezclas o piedras. Muchos otros materiales son obtenidos por esta técnica, como azúcar, aceites vegetales, esencias, té, café, etc. Las operaciones unitarias de extracción S-L se realizan en estado NO estacionario y en estado estacionario, es decir, mediante sistemas por lotes o semilotes (estado no estacionario) y en sistemas continuos y sin paradas (sistema estacionario). Cada una de estas formas de operación usa equipos industriales en los cuales se realiza esta operación unitaria de estudio. Cuando se desea elegir un equipo para el proceso de lixiviación, se deben considerar algunos aspectos, los cuales se citarán a continuación: -
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La forma física de los sólidos Las partículas sólidas gruesas generalmente se tratan en extractores de percolación por carga. Los sólidos finamente divididos, que puedan mantenerse con facilidad en suspensión, pueden dispersarse en todo el líquido con la ayuda de un agitador, por lo que se usan generalmente un tanque agitado por carga. Las dificultades y costo de manejo del equipo.
5. C ON C LUS IONE S
Se logró identificar los diferentes equipos usados para la extracción S-L a nivel industrial. Se realizó un análisis del funcionamiento de cada uno de los equipos usados para la operación unitaria de lixiviación. Se determinaron aspectos necesarios a considerar para la elección de un equipo de extracción S-L tomando en cuenta su uso en la industria.
6. BIBLIOGRAFIA
D., M. L. (11 de Junio de 2016). 911 Metallurgist . Obtenido de Pachuca Tank: https://www.911metallurgist.com/blog/pachuca-tanks (28 de Octubre de 2009). https://1aaditiqigrupob.wordpress.com/2009/10/28/equipos-de-lixiviacion/ Equipos
de
lixiviación .
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Hazlego, C. (08 de Noviembre de 2010). Chemical and Process Engineering Resources . Obtenido de Basics of Leaching: http://www.cheresources.com/content/articles/separationtechnology/basics-of-leaching
Olavide, U. P. (12 de mayo de 2008). Ciencias ambientales. Obtenido https://www.upo.es/depa/webdex/quimfis/docencia/TAQ/curso0405/TAQP5_0405.pdf
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Percolacion continua. (2011). En A. IBAZ, OPERACIONES UNITARIAS EN LA ING. ALIMENTOS (pág. 804). Madrid - Mexico: Mundi - Prensa. Percolacion descontinua. (Abril 2013). En E. Camacho Muñoz, & M. Gran Rios , INGENIERIA QUIMICA (pág. 123). UNED. Pineda, s. (15 de mayo de 2009). procesos de elaboracion de alimentos y bebidas. QuimiNet.com . QuimiNet. (30 de Enero de 2008). Obtenido https://www.quiminet.com/articulos/el-funcionamiento-del-filtro-prensa-23843.htm
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Rojas, s. (23 de febrero de 2013). Obtenido de https://prezi.com/sl2tl6e2_xtc/untitled-prezi/ Shekhar, R., & Evans, J. (1989). Fluid Flow in Pachuca (Air-Agitated) Tanks: Part I. LaboratoryScale Experimental Measurements. Metallurgical Transactions, 781 - 782. SCRIBD. Villegas. (28 de Septiembre de 2014). Obtenido de https://es.scribd.com/document/241205577/Equipos-Empleados-en-El-Proceso-de-Lixiviacion
