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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL

LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN, REACCIONES Y CONTROL

INFORME DE PLANEACIÓN

EXTRACCIÓN LÍQUIDO - LÍQUIDO PARA LA RECUPERACIÓN DE ACETATO DE ETILO

UTILIZANDO ETANOL COMO SOLVENTE

Andrés Augusto Ovalle Montoya1, Diana Carolina Álvarez Chadid2, Esteban David Cabrera

Jaramillo3, Jesús David Tonguino Carrera4

INTRODUCCIÓN

El etanoato de etilo es también llamado comúnmente acetato de etilo, el cual es un éster de

fórmula CH3COOCH2CH3, es miscible con hidrocarburos, cetonas, alcoholes y éteres y poco

soluble en agua. Se emplea en arte como disolvente universal. Los ésteres son sustancias que

cuentan con una enorme importancia industrial, y es por ello que se sintetizan enormes

cantidades cada año; debido a esta importancia, se han llevado a cabo numerosos y diferentes

procesos para la obtención final de ésteres. La forma quizás más común, es la utilización de

calor para calentar una mezcla de dos sustancias, un alcohol y un ácido, conocida como

esterificación de Fischer- Speier5.

El acetato de etilo es utilizado como solvente; saborizante sintético; fabricación de perfumes y

tinturas; solvente de nitrocelulosa, barnices y lacas; manufactura de piel artificial, películas y

placas fotográficas, seda artificial, perfumes y limpiadores de telas. Teniendo en cuenta la

importancia comercial e industrial de este proceso, deben evaluarse las mejores condiciones de

operación y el efecto de los factores de operación para este proceso con el fin de obtener un

producto final de alta pureza, una operación más económica y un proceso confiable.

1 Universidad Nacional de Colombia, gerente de seguridad

2 Universidad Nacional de Colombia, gerente de comunicación

3 Universidad Nacional de Colombia, gerente general

4 Universidad Nacional de Colombia, gerente logística

5 Tomado de: http://www.quiminet.com/articulos/caracteristicas-del-acetato-de-etilo-2685559.htm

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Uno de los procesos principales para la purificación es mediante la extracción líquido – líquido,

que se utiliza como sustituto de la destilación o evaporación, cuando las sustancias a separar

son químicamente diferentes. Por ejemplo, el ácido acético puede separarse de disoluciones

diluidas en agua a costes relativamente elevados por rectificación, sin embargo se puede

separar con relativa facilidad y menores costes por extracción seguida de rectificación del

extracto. Cuanto más diluida sea la disolución de partida tanto más económica resultará la

separación por extracción (siempre que, como suele ocurrir, el calor latente de vaporización del

disolvente sea menor que el del agua). También puede resultar necesario recurrir a esta

operación cuando la sustancia a separar pueda descomponerse térmicamente y por lo tanto

deba realizarse la destilación a vacío (Marcilla, 1999).

PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

Generalmente, los procesos químicos, principalmente a nivel industrial generan gran cantidad

de residuos, debido a la ineficiencia en algunas de sus etapas, y por ello se obtienen productos

deseados pero también indeseados, para lo cual es estrictamente necesario realizar una

posterior separación, lo que implica un aumento de gastos de separación, disminución de la

calidad en los productos deseados, pérdidas económicas, daños a la salud y al ambiente

ocasionado por el uso de solventes y las vertientes de residuos, entre otros. La reacción de

esterificación no produce grandes cantidades de residuos contaminantes, pero sí produce

productos no deseados, tales como el agua que para fines prácticos de purificación del

producto deseado, acetato de etilo, obliga a incurrir en gastos de separación.

Para este proceso en específico, se hace necesario eliminar el agua, este proceso puede

llevarse a cabo mediante calentamiento. Sin embargo, ahí surge un problema en específico. El

Acetato de Etilo, forma un azeótropo con el agua, que entra en ebullición a 70,4ºC. Para ello,

se hace necesaria la utilización de un nuevo solvente que sea miscible con el acetato de etilo y

separe la mezcla con el agua, permitiendo de esta manera extraer el acetato de etilo y

purificarlo seguidamente mediante otro proceso, bien sea destilación, el cual ya no es nuestro

caso de estudio. Entonces, nuestro problema de ingeniería se basa principalmente, en la

extracción de acetato de etilo para separarlo del agua y ya que gracias a la formación del

azeótropo no es posible por otros medios, agregar un nuevo solvente que nos permite obtener

de una manera eficiente nuestro producto.

OBJETIVO GENERAL

Realizar la extracción líquido – líquido para recuperar el acetato de etilo disuelto en

agua mediante la utilización de un solvente, en este caso etanol.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Obtener la eficiencia de la separación teniendo en cuenta los volúmenes recuperados.

Realizar la extracción en una sola etapa y comparar los resultados obtenidos con una

extracción en varias etapas.

MARCO TEÓRICO

Miscibilidad

No todos los líquidos son completamente miscibles entre sí, entre este extremo y la

inmiscibilidad casi completo se consideran pares de líquidos parcialmente miscibles, es decir,

que no se mezclan en todas las proporciones a todas las temperaturas.

A la temperatura en donde las dos capas resultan de composición idéntica y son en realidad

una sola capa, se conoce como temperatura de disolución crítica o temperatura de disolución.

Por encima de esta temperatura los dos líquidos resultan miscibles en todas proporciones y se

dice que están en equilibrio.

Por tanto la miscibilidad describe la mezcla de dos sustancias líquidas. No hay transformación

física o química entre las sustancias en cuestión, y conservan respectivamente tanto su

composición química como sus propiedades físicas. Aunque no hay ningún cambio, las

sustancias forman una mezcla homogénea, lo que significa que son visualmente indistinguibles

entre sí.

Entre tanto la solubilidad se refiere a la capacidad de una sustancia, llamada soluto, para

disolverse completamente en otra sustancia, referido como un solvente. A diferencia de la

miscibilidad la solubilidad se refiere a un cambio físico conforme las moléculas se disuelven y

separan en la solución. El grado de solubilidad de un soluto se ve afectado por varios factores

como la temperatura, presión y propiedades químicas del disolvente.

Reglas de las fases de Gibbs

La regla de fase de Gibbs define los grados de libertad, está dada por la ecuación X:

Donde F es el número de grados de libertad, C es el número de componentes, P es el número

de fases. El 2 es el número de variables de estado del sistema (presión y temperatura).

El número mínimo de grados de libertad que puede contener un sistema es 0. Así cuando F=0

se dice que existe un sistema invariante, por lo que P representa el número máximo de fases

que pueden coexistir con C componentes químicos. Caso interesante es aquel donde C es igual

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a 1, nótese que de la ecuación X haciendo F=0, se obtiene que P es igual a 3, esto quiere decir

que para una sustancia pura existe un punto donde coexisten las tres fases, o lo que es lo

mismo al punto triple.

Un sistema ternario presentará miscibilidad parcial cuando su energía libre de Gibbs (después

de haber alcanzado un estado para el cual es mínima), tienda al desequilibrio aumentando

gradualmente, en otras palabras, a una Presión y Temperatura fijas, si la tendencia de la energía

libre de Gibbs es a decrecer respecto a la que tendría una solución ideal (energía libre de Gibbs

en exceso), cuando la composición de uno de sus componentes se altera y esta cambie la

tendencia al incremento, el sistema se desestabiliza y esto se refleja en una separación de fases.

A partir de esto debe cumplirse:

Defínase la energía libre de Gibbs en exceso como la diferencia entre la energía libre de Gibbs

del sistema y la que presentaría si sus componentes conformaran una solución ideal. Por

definición, la condición de equilibrio de cada componente en una fase determinada se consigue

cuando la fugacidad específica de éste en la fase es igual en magnitud a la fugacidad específica

del componente las otras fases, es decir:

Supóngase que se obtienen dos fases inmiscibles para las cuales, la fugacidad de un

componente se define en términos de la composición de este en la fase, la fugacidad del

componente en estado líquido (que es donde se presentan las fases) y un factor termodinámico

que mide la no idealidad de la solución conocido como el coeficiente de actividad:

Este coeficiente de actividad γi puede calcularse considerando la definición de la energía libre

de Gibbs en exceso específica del componente en el sistema (gE) y la energía libre de Gibbs en

exceso del sistema (GE):

(

)

Distintos modelos de energía se encuentran para calcular el coeficiente de actividad de la fase

líquida, por ejemplo: Margules, Wilson, Van Laar, NRTL. En la actualidad se han desarrollado

complejos modelos que se ven favorecidos por el uso de computadoras como el UNIQUAC y

UNIFAC, los cuales presentan una componente combinatoria y una residual. Independiente del

modelo, las energías libres de Gibbs en exceso son función de las composiciones del

componente en la mezcla y de la temperatura.

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Por último, al reemplazar la ecuación de fugacidad para el componente i en una fase en la

igualdad de fugacidades se obtiene

Donde K se conoce como el coeficiente de distribución del componente i en el sistema.

Regla de la palanca: cuando los líquidos inmiscibles se mezclan, se obtiene un rango de

composiciones en el equilibrio, en las dos fases que depende de la proporción en que se

mezclan los líquidos y de la temperatura. Si se hace una mezcla con composición M, ésta se

separa en dos fases R y N, siendo así se tiene:

Figura No 1. Distribución de las fases para un sistema ternario.

Donde,

M= masa de la mezcla

N= masa de la fase rica en el componente orgánico

R= Masa rica en la fase acuosa

CM= fracción masa orgánica en la fase M

CN= fracción masa orgánica en la fase N

CR= fracción masa orgánica en la fase R

Del balance de masa, se tiene:

Siendo así, el balance para la fase orgánica se expresa como:

Al desarrollar la expresión se obtiene:

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Dichas líneas están indicadas en la siguiente figura:

Figura No 2. Organización de composiciones en un diagrama ternario.

Para un diagrama ternario, se puede calcular las relaciones de las masas con relación de las

líneas MN y RM.

Extracción liquido – líquido

La extracción líquida, llamada algunas veces extracción con disolventes, es la separación de los

componentes de una solución líquida por contacto con otro líquido insoluble. Si las sustancias

que componen la solución original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases líquidas,

se puede lograr cierto grado de separación. En todas las operaciones de este tipo, la solución

que se va a extraer se llama alimentación y disolvente el líquido con el cual se pone en contacto

la alimentación. El producto de la operación rico en disolvente se llama extracto; el líquido

residual de donde se separó el soluto es el refinado.

En los procesos industriales se opta por la extracción líquido – líquido cuando:

Proporcione un proceso total menos costoso

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Separación de líquidos con puntos de ebullición próximos, volatilidades relativas

cercanas a la unidad.

Separación de mezclas que forman azeótropos.

Separación de sustancias sensibles al calor.

En sustitución de destilaciones en alto vacío, evaporaciones, cristalizaciones costosas

Los disolventes orgánicos utilizados en extracción deben tener baja solubilidad en agua, alta

capacidad de solvatación hacia la sustancia que se va a extraer y bajo punto de ebullición para

facilitar su eliminación posterior.

El sistema Agua (H2O), Etanol(C2H5OH) y Acetato de Etilo(C2H3OOC2H5)

Con ayuda del software Aspen Properties® se presenta un diagrama ternario para el sistema a

trabajar empleando el modelo de energía libre UNIF-LL. Las mezclas inmiscibles se ubican en

proximidades a la línea de mezclas binarias entre el agua y el acetato de etilo ya que son estos

componentes los que al mezclarse producen una solución poco ideal al considerar las

propiedades fisicoquímicas de estos compuestos. Principalmente sus divergencias se dan por la

polaridad del agua y su facilidad de hacer puentes de Hidrógeno, además de lo pesada que

puede ser la molécula de acetato de etilo a los otros componentes.

Diagrama No 1. Diagrama Ternario para el sistema Acetato de Etilo-Etanol-Agua.

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La curva de color azul se denomina curva binodal y relaciona los puntos límite entre los cuales

puede hallarse una mezcla que presentará inmiscibilidad y las líneas rectas al interior de la curva

binodal son los balances respectivos conocidos como líneas de reparto.

METODOLOGÍA PROPUESTA

El procedimiento consiste en tratar la mezcla de compuestos con un disolvente de tal forma

que uno de los componentes se disuelva en dicho disolvente y el resto de las sustancias no lo

haga. Los compuestos orgánicos en disoluciones acuosas se extraen generalmente agitando

vigorosamente dicha solución con un disolvente orgánico no miscible. El proceso se realiza en

un embudo de decantación6. La planta piloto de Ingeniería Química al no contar con un equipo

para extracción liquido – liquido el procedimiento experimental se trabajara en escala

laboratorio para separar el acetato de metilo al interactuar con etanol. Se van a realizar dos

procedimientos. El primero de ellos es la extracción líquido-líquido en una etapa, y el segundo

la extracción líquido-líquido en tres etapas, esto con el objetivo de hacer una comparación bajo

las mismas condiciones de solvente.

Para el primer procedimiento se va a utilizar 100,24 ml de mezcla problema que va a estar

contenida en un vaso de precipitados y al cual se le va a agregar un volumen de 69,99 ml de

etanol medidos con la pipeta graduada (cálculos de cantidad de solvente se presentan más

adelante); sometiéndolo a agitación durante 15 minutos. Después de este tiempo se espera la

aparición de 2 fases: una orgánica, extracto (rica en acetato de etilo) y una acuosa, refinado

(pobre en acetato de etilo), las cuales se separan utilizando un embudo de decantación. Luego

de ello, se miden los volúmenes de cada una de las fases obtenidas.

Para el segundo procedimiento, se va a realizar la separación en tres etapas. A 100,24 ml de

mezcla problema contenido en un vaso de precipitados se agrega la tercera parte del volumen

de solvente utilizado en el procedimiento anterior pero para cada etapa, es decir 23,33 ml;

sometiendo la solución resultante a agitación durante 15 minutos. Después de este tiempo, se

espera nuevamente la aparición de 2 fases: una orgánica (extracto) y una acuosa (refinado). Y

se realiza el mismo procedimiento que en el anterior, pero ahora se toma como alimentación

para la segunda etapa, el volumen obtenido del refinado anterior y se le agregan 23,33 ml de

etanol; nuevamente se somete la solución resultante a agitación durante 15 minutos y se

evidencia una nueva formación de fases las cuales se separan haciendo uso de un embudo de

decantación. El mismo procedimiento se realiza para la tercera y última etapa, utilizando como

alimentación para ésta el volumen obtenido en la etapa dos.

6 Tomado de: http://acceda.ulpgc.es/bitstream/10553/436/1/494.pdf

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DESCRIPCIÓN Y DIAGRAMA DE EQUIPO

Se debe utilizar el embudo de separación para hacer las extracciones, sujetándolo a un soporte,

por medio de las pinzas de tres dedos para luego colocar el tapón al embudo y agitar

moderadamente como se muestra en la figura No 1.

Figura No 3. Montaje del proceso de extracción líquido – líquido.

Figura No 4. Procedimiento para la extracción líquida – líquido de Acetato de etilo en una

etapa.

Obtener la muestra problema.

Registrar el volumen de la muestra problema.

Agregar la cantidad de etanol determinada.

Agitar la mezcla durante 15 minutos.

Dejar reposando la mezcla bifasica.

Separar la cantidad de extracto y refinado.

Reportar los volumenes obtenidos.

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Figura No 5. Procedimiento para la extracción líquida – líquido de Acetato de etilo en tres

etapas.

CÁLCULOS

Nuestro alimento tiene composición igual a 60% agua y 40% acetato de etilo y observando en

el diagrama No 1 se tiene un Xm=0,25. Teniendo en cuenta la composición del alimento se

calcula los volúmenes a adicionar,

Obtener la muestra problema.

Registrar el volumen de la

muestra problema.

Agregar la cantidad de etanol

determinada.

Agitar la mezcla durante 15

minutos.

Dejar reposando la mezcla bifasica.

Separar el extracto y refinado.

Utilizar el volumen de refinado

anterior.

Agregar nuevamente la

cantidad de etanol determinada.

Agitar durante 15 minutos

Dejar reposando la mezcla bifasica.

Separar el extracto y refinado.

Realizar el procedimiento anterior para el nuevo refinado.

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1. Cantidad de solvente en una sola etapa para la extracción de acetato de etilo

Donde,

S es la cantidad de solvente

F es la cantidad de mezcla problema

Xf es la composición en % p/p de la mezcla problema

Xm es la composición de la mezcla.

La cantidad de solvente que se va a agregar para la separación deseada en una etapa es de

69,99 mL de etanol.

2. Cantidad de solvente en tres etapas para la extracción de acetato de etilo

Dado que uno de los objetivos consiste en comparar la extracción líquido-líquido realizado en

una etapa frente a una hecha a través de 3 etapas con una misma cantidad de solvente, para

cada etapa se añadió la tercera parte del volumen de etanol agregado en el procedimiento de

una etapa, es decir 23,33 ml cada vez.

Para ubicar la mezcla resultante en la primera etapa se determina XM1 a través del siguiente

cálculo:

Para la segunda etapa se debe hallar XM2, R1 y XR1:

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- R1 se determina con el volumen medido de refinado de la primera etapa y su densidad

(con el objetivo de calcular la masa). Como aún no se tiene el dato del refinado

obtenido experimentalmente, se debe planteado el procedimiento de cálculos.

[ ] *

+

- XR1 se lee del diagrama No 1 considerando ahora, los nuevos valores.

- Entonces para XM2 se tiene,

Para la tercera etapa el cálculo es similar al de la segunda; los valores calculados y leídos son:

y teniendo en cuenta estos valores se calcula el cual se ubica el dato en el

diagrama No 1.

RESULTADOS/PRODUCTOS ESPERADOS

Es importante mencionar la solubilidad parcial que existe entre el acetato de etilo y el agua, por

lo cual en la gráfica que se obtendrá al final se espera evidenciar esto. Por otro lado, el etanol

resulta ser miscible en agua en todas las proporciones, lo cual es de esperarse debido a la alta

polaridad de dichos compuestos y su afinidad molecular. Y se debe notar al momento de

realizar las mezclas de distinta composición.

Los componentes de la mezcla se distribuirán según su coeficiente de reparto, que está

directamente relacionado con la solubilidad de cada compuesto. Si algún componente de la

mezcla es muy soluble en uno de los disolventes y muy poco en el otro quedará prácticamente

todo en el que es soluble, mientras que los otros componentes de la mezcla quedarán en el

otro disolvente. La separación de los dos disolventes y su evaporación suministrará residuos

enriquecidos en los componentes más solubles.

Los resultados obtenidos son comparados para determinar la eficiencia de la separación en una

sola etapa a una en varias etapas.

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PRESENTACIÓN DEL GRUPO DE TRABAJO Y DISTRIBUCIÓN DE RESPONSABILIDADES

GRUPO A FUNCIÓN A CARGO

Andrés Augusto Ovalle Montoya Gerente de seguridad

Jesús David Tonguino Carrera Gerente de logística

Esteban David Cabrera Jaramillo Gerente general

Diana Carolina Alvarez Chadid Gerente de comunicación

BIBLIOGRAFÍA

López M., T. J. (2005). Métodos físicos de separación y purificación de sustancias orgánicas.

Universidad de las Palmas Gran Canaria.

Marcilla, G. (1999). Introducción a las operaciones de separación. Murcia: Universidad de

Alicante.

McCabe, W. e. (1991). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. España: McGraw-

Hill/Interamericana.

Treybal, R. (1990). Operaciones de transferencia de masa. Madrid, España: McGraw-Hill.

Valer, F. (2009). Columna de extracción líquido líquido . Escuela profesional de Ingeniería

Química .

Wankat, F. L. (1990). Ingeniería de procesos de separación. México: 2da edición.

Página web:

http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/yoanacastillo/materias/ope_3/extraccionliq.pdf