LIXIVIACIÓN LÍQUIDO - SÓLIDO

(1)

LIXIVIACIÓN LÍQUIDO - SÓLIDO

1. Procesos de lixiviación

1.1. Introducción

Separación de uno o más compuestos presentes en un

sólido poniéndolos en contacto con una fase líquida.



Mezclas de sustancias biológicas, compuestos

orgánicos y/o orgánicos en sólidos



Parta extraer o purificar



Lavado con agua



Diversas denominaciones:

Extracción, lixiviación, infusión, etc.

1.2. Lixiviación de sustancias biológicas



Procesos biológicos:

extracción de taninos



Industrias alimenticias:

azúcar de remolacha (agua

caliente); aceites vegetales (hexano, acetona, éter); café

instantáneo (15 a 30%; 60%; partículas de 300 μm y 0.2

kg/m

3

); té instantáneo (de 5 a 20%; 40%)



Industria farmacéutica :

extractos vegetales de raíces,

hojas y tallos

(2)

1.3. Preparación de los sólidos parea la lixiviación

1.3.1. Lixiviación de materiales inorgánicos y

orgánicos



Soluto

rodeado

por

matriz

insoluble:

hidrometalurgia

Se tritura el material para aumentar la

velocidad de lixiviado



Soluto distribuido en la matriz insoluble:

La disolución del soluto va aumentando las

canalizaciones. No es necesario una

molienda a tamaños muy pequeños



Soluto en la superficie del sólido:

Lavado del sólido

(3)

1.3.2. Lixiviación de materiales vegetales y

animales



Estructura celular:

usualmente el soluto es intracelular



Paredes celulares:

resistencia adicional a la difusión



Para decidir moler se evalúa si los otros componentes

intracelulares es conveniente extraerlos (solución de

compromiso)



Secado previo:

extracción de tallos y hojas; semillas de

soja

(4)

2. Velocidad de lixiviación

2.1. Descripción general

Difusión del solvente desde el seno de

la solución a la superficie del sólido

Difusión del solvente a través de la

matriz

Disolución (o reacción) del soluto en

(con) el solvente

Difusión del soluto disuelto a través de

la matriz

Transferencia del soluto desde la

superficie del sólido al seno de la

solución

No existe una teoría completamente definida para la

lixiviación

Si el sólido es poroso:

la difusión del soluto puede

describirse con una difusividad efectiva, teniendo en cuenta la

fracción de espacio vacío y la tortuosidad de los poros

En sustancias biológicas

: las paredes celulares introducen

complejidad adicional en el sistema. Caso de remolacha

azucarera (20% de células rotas: lavado; 80% células enteras:

difusión a través de la pared celular)

(5)

2.2. Velocidad controlada por disolución

Cuando el sólido

puro

se disuelve en el solvente,

el mecanismo controlante es la velocidad de

disolución:

La velocidad de transferencia de masa (

N

A

)de un

soluto

A

, desde una partícula de sólido puro de

superficie

S

, que se está disolviendo en un

volumen de solución

V

es:

A

S

A

L

A

c

k

S

N

dt

dc

V

.

_,

N

A

: kg-mol/s ;

V

: m

3 ;

S

: m

2 ;

k

L

: m/s;

c

A

: kg-mol/m3

2.3. Velocidad controlada por difusión en el sólido

Se puede utilizar una D

efectiva

(Ley de Fick)

(6)

3. Equipos para la lixiviación

3.1. Lechos fijos

Azúcar:

se extrae el 95% del azúcar

(con agua caliente, sale solución 12% en peso)

Taninos de cortezas

3.2. Lechos móviles

Aceites vegetales:

Soja, girasol

(7)

(8)

1.1. Tanques en serie

Lixiviación con agitación del sólido para tenerlo en suspensión.

Se emplean lentos raspadores giratorios.

(9)

2. Lixiviación en una etapa

2.1. Relaciones de equilibrio

SUPOSICIONES:

La matriz sólida es completamente insoluble

La concentración del soluto en el seno de la

solución es igual a la concentración del soluto en la

solución retenida en el sólido

Existe suficiente solvente para que todo el soluto

se disuelva

(10)

2.2. Diagramas de equilibrio

Definiciones:

Concentración del sólido insoluble (B)

solución

kg

sólido

kg

kgC

kgA

kgB

N

Concentraciones del soluto a extraer

kgsolución

kgsoluto

kgC

kgA

x

_A

_{(líquido de derrame)}

kgsolución

kgsoluto

kgC

kgA

y

_A

(líquido de suspensión)

L: corriente líquida de solución de suspensión (kg/h)

V: corriente líquida de derrame (kg/h)

Corriente de derrame

(V

2

, x

2

)

Corriente de suspensión

(Lo , No , yo)

Derrame

Flujo inferior o

suspensión

(11)

Diagrama de equilibrio sólido – líquido

(Tomado de Geankoplis)

(12)

2.3. Lixiviación en una etapa

Balance global de soluciones líquidas:

L

o

+ V

2

= L

1

+ V

1

= M

Balance de soluto (A) :

L

o

. y

A,o

+ V

2

. x

A,2

= L

1

.y

A,1

+ V

1

. x

A,1

= M. x

A,M

Balance de sólido insoluble (B):

(13)

4.5 Lixiviación en multiples etapas

Balance Global entre la etapa 1 y n, de un sistema de N etapas:

n

o

n

L

V

L

V

₁

₍₁₎

Balance de componente A entre la etapa 1 y n, de un sistema de

N etapas:

n

o

n

x

L

y

V

x

L

y

V

₁

.

₁

.

₁

.

₁

.

₍₂₎

Despejando x

n+1: o n o o n n o n

L

V

L

x

L

x

V

y

L

V

x

1 1 1 1 1

.

1

1 (3)

(14)

CASO A: L

n

variable

Balance Global

para todo

el sistema de N etapas:

M

L

V

L

V

_N

₁

_o

₁

_N

₍₄₎

Balance global del componente A

para todo

el sistema de N

etapas:

M

A

N

o

N

x

L

y

V

x

L

y

M

x

V

₁

.

₁

.

₁

.

₁

.

_,

₍₅₎

Balance de sólido insoluble B (kg/h):

M

N

o

L

N

L

M

N

B

.

₍₆₎

Donde x

A,M

y N

M

son la abscisa y ordenada del punto M . Al igual que se demostró en

extracción líquido líquido, los puntos L

o

, V

N+1

y M pertenecen a la misma recta, y por

otra parte L

N

, V

1

y M pertenecen a otra recta. Normalmente se conocen los puntos L

o

(y

A,o

, N

o

) y V

N+1

(x

A,N+1

, N

N+1

)., por lo tanto con la ec. (5) y (6) se calculan las

coordenadas del punto M. A su vez también se conoce o se desea que la corriente del

sólido al abandonar la etapa N, alcance una concentración final del componente A igual

a y

A,N

, que estará en la línea de equilibrio del “flujo inferior” y puede ubicarse en el

diagrama de equilibrio, definiendo el punto L

N

. Con la recta que pasa por L

N

y M,

(15)

En forma análoga al tratamiento desarrollado en extracción líquido-líquido

en multi – etapas:



Balance globan en la etapa 1 y en la etapa n:

1

2 L

V

L

V

_o

₍₇₎

n

L

V

L

V

₁

₍₈₎

Reordenando:

2

1

1 L

V

L

_o

₍₉₎

te

cons

V

L

V

L

V

L

_o

₁

_n

₁

_N

₁

tan

₍₁₀₎

(16)

1

1 ,

1

1 ,

,

.

N

A

N

A

N

o

A

o

A

o

A

V

L

x

V

y

L

V

L

x

V

y

L

x

(11)

Haciendo un balance de sólido insoluble B:

1

1 .

V

L

B

V

L

N

L

N

o

(12)

Se demuestra que los puntos L

n-1

, V

n

y pertenecen a la misma recta para

(17)

Por lo tanto: conocidos el diagrama de equilibrio del sistema, así como L

o

,

y

o

, N

o,

V

N+1

y una conc. de salida deseada y

N

:

1)

Calcular el punto M (x

A,M

, N

M

) con ec. (4), (5) y (6)

2)

Con la recta que pasa por M y el punto L

N

(que se encuentra en la

curva de equilibrio de la corriente inferior para x

A,N

), queda definido

el punto V

1

(x

A,1

, N

1

)

3)

Calcular el punto

x

A,

, con ec. (10), (11) y (12)

4)

Partiendo del punto Lo con la recta que pasa por

definimos el

punto V

1

. Con la línea de unión de equilibrio definimos el punto L

1

,

y nuevamente unimos con el punto

para definir el nuevo punto

V

2

, y así sucesivamente.