Lixiviación

15 de Diciembre de 2014

Teoría y método de cálculo

William Ricardo Rivas Baltodano UNIVERSISDAD NACIONAL DE INGENERIA

Ingeniería Química

Lixiviación

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Contenido

I. Introducción ............................................................................................................................... 2

II. OBJETIVOS. ......................................................................................................................... 2

III. Fundamento Fisicoquímico .................................................................................................. 3

Lixiviación ........................................................................................................................................ 3

Factores importantes de una lixiviación ......................................................................................... 3

Preparación del sólido ..................................................................................................................... 3

Tamaño de partícula del sólido ....................................................................................................... 4

Temperatura de lixiviación .............................................................................................................. 4

Rapidez de la lixiviación. ................................................................................................................. 5

Lixiviación continúa en contracorriente .......................................................................................... 5

Métodos de Operación. .................................................................................................................. 5

Lixiviación de semillas vegetales ..................................................................................................... 6

IV. Algoritmo de diseño .............................................................................................................. 7

V. Cálculos ...................................................................................................................................... 8

VI. Respuesta .............................................................................................................................. 10

VII. Conclusiones ........................................................................................................................ 12

VIII. Bibliografía ....................................................................................................................... 13

IX. Anexos .................................................................................................................................. 14

Equipos para Lixiviación ................................................................................................................ 14

Ingeniería Química

Lixiviación

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I. Introducción

La lixiviación o extracción sólido- líquido es una operación unitaria empleada para separar uno o

más componentes de una solución sólida, tiene un amplio uso en la industria, donde se emplea

desde la metalurgia hasta en la obtención de aceites vegetales a partir de semillas. Esta operación

puede ser realizada de manera continua o discontinúa. De acuerdo a la forma en que se opere se

emplearán diversos equipos que pueden ser simples tanques o sofisticados equipos de operación

continua.

Existen una serie de factores que modifican su eficiencia, como lo es: el tamaño de la partícula, la

temperatura de proceso, el tipo de disolvente (afinidad, viscosidad, densidad), la velocidad y tipo

de agitación. También se estudiara los distintos tipos de equipo de lixiviación.

En la vida cotidiana utilizamos extracciones sólido-líquido, por ejemplo cuando hacemos un té o café

o preparamos un aceite aromatizado. Extracciones similares se llevan también a cabo en el

laboratorio, aunque son mucho más frecuentes las extracciones líquido-líquido.

Se presenta el algoritmo utilizado para resolver un problema de extracción solido liquido, ya que

de manera general el algoritmo puede cambia dependiendo del equipo, naturaleza y datos,

especificaciones de cada problema.

II. OBJETIVOS.

Desarrollar destreza en el Diseño y cálculos de problemas

Mejorar los conocimientos acerca de los fundamentos teóricos de la lixiviación.

Conocer los parámetros a tomar en cuenta para el diseño de un proceso de lixiviación

Conocer los distintos equipos de lixiviación.

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III. Fundamento Fisicoquímico

Lixiviación

Es la disolución preferente de uno o más componentes de una mezcla sólida por contacto con un

disolvente líquido. Esta operación unitaria, es una de las más antiguas en la industria química, ha

recibido muchos nombres, según la técnica más o menos compleja utilizada para llevarla a cabo. La

colada se refería originalmente a la percolación del líquido a través de un lecho fijo del sólido, pero

en la actualidad se utiliza para describir la operación en forma general, sin importar la forma en que

se rea1ice la Lixiviación se utiliza con menos frecuencia como sinónimo para colada, aunque al

principio se refería específicamente a la colada de álcali a partir de cenizas de madera.

Tal vez las industrias metalúrgicas son las que más utilizan las operaciones de lixiviación. La mayoría

de los minerales útiles se encuentran en forma de mezclas, con grandes proporciones de

componentes indeseables; por eso, la lixiviación del material valioso es un método de separación

que se aplica con frecuencia. Por ejemplo, los minerales de cobre se disuelven preferentemente a

partir de algunos de sus minerales por lixiviación con ácido sulfúrico o soluciones amoniacales, y el

oro se separa de sus minerales con la ayuda de soluciones de cianuro de sodio. En forma similar, la

lixiviación juega un papel importante en el procesamiento metalúrgico de aluminio, cobalto,

manganeso, níquel y zinc. Muchos productos orgánicos naturales se separan de sus estructuras

originales mediante lixiviación. Por ejemplo, el azúcar se separa por lixiviación de la remolacha con

agua caliente; los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas, como las de soya y de algodón

Mediante la lixiviación con disolventes organices; el tanino se disuelve a partir de diferentes cortezas

arbóreas mediante lixiviación con agua; en forma similar, muchos productos farmacéuticos se

recuperan a partir de raíces y hojas de plantas.

Factores importantes de una lixiviación

Poner en contacto el disolvente con el material que se ha de lixiviar, con el propósito de

permitir la disolución del metal.

Separar la solución formada del residuo sólido

Precipitar el metal de la solución.

Preparación del sólido

El éxito de una lixiviación y la técnica que se va a utilizar dependen con mucha frecuencia de

cualquier tratamiento anterior que se le pueda dar al sólido. En algunos casos, las pequeñas

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partículas del material soluble están completamente rodeadas de una matriz de materia insoluble.

Entonces, el disolvente se debe difundir en la masa y la solución resultante se debe difundir hacia el

exterior antes de poder lograr una separación. Esto es lo que sucede con muchos materiales

metalúrgicos. La trituración y molienda de estos sólidos acelerará bastante la acción de lixiviación,

porque las porciones solubles son entonces más accesibles al disolvente. Por otra parte, en el caso

de ciertos minerales de oro, las pequeñas partículas metálicas están revueltas en una matriz de

cuarzo que es tan impenetrable a la acción de lixiviación del disolvente que es básico moler la roca

para que pase por una malla 100 para que ocurra la lixiviación. Cuando la sustancia soluble está

distribuida más o menos uniformemente en todo el sólido o aun en solución del sólido, la acción de

lixiviación puede proporcionar canales para el paso del disolvente fresco y tal vez no sea necesaria

una molienda muy fina.

Tamaño de partícula del sólido

Cualquiera que sea el método de extracción empleado, generalmente la materia prima (sólido) que

contiene al soluto debe acondicionarse (corte, trituración, molienda) para propiciar el contacto con

el solvente facilitar su extracción.

Las partículas pequeñas crean una mayor área interfacial entre el sólido y el líquido y una distancia

más corta para que el soluto se difunda a través de la partícula y alcance la superficie.

Pero si el tamaño de partícula es demasiado pequeño, se forman conglomerados que impiden la

circulación de solvente entre las partículas y dificultan su separación del solvente provocando que

las partículas de sólido puedan ser arrastradas con el solvente.

Selección del solvente a utilizar

El solvente empleado debe solubilizar al soluto

Agua Azúcar

Alcohol Pectina y gomas

Solventes orgánicos Grasas y aceites

El solvente ideal es el agua (bajo costo, no tóxica, no inflamable, no corrosiva), sin embargo no

siempre tiene una capacidad de extracción adecuada. El solvente empleado debe tener el mayor

coeficiente de transferencia de masa posible

Temperatura de lixiviación

Por lo general se desea realizar la lixiviación a temperaturas lo más elevadas posible. Ya que:

Producen la mayor solubilidad del soluto en el disolvente y, en consecuencia,

concentraciones finales mayores en el licor de lixiviación.

La viscosidad del líquido es menor y mayores las difusividades; esto incrementa la rapidez

de lixiviación.

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En el caso de algunos productos naturales, como las remolachas, las temperaturas muy elevadas

pueden producir la lixiviación de cantidades excesivas de solutos indeseables o de deterioro químico

del sólido.

Rapidez de la lixiviación.

Los muchos fenómenos diversos que se encuentran en la práctica de la lixiviación hacen imposible

aplicar una sola teoría para explicar la acción de lixiviación. Se ha mostrado que en la lixiviación

puede intervenir el simple lavado de la superficie de un sólido, o la disolución de un soluto en una

matriz de materia insoluble, ósmosis y posiblemente otros mecanismos, que se conocen muy poco.

Puede preverse que el lavado de una solución de la superficie de partículas sólidas impermeables

sea rápido y que sólo requiera la mezcla de la solución y el disolvente; entonces, es probable que la

eficiencia de las etapas dependa por entero de lo completa que sea la separación mecánica del

líquido y el sólido.

Lixiviación continúa en contracorriente

Las corrientes de entrada fluyen permanentemente al equipo y las corrientes de salida fluyen de la

misma forma; en contracorriente las corrientes se mueven en la misma dirección pero en sentidos

opuestos a través del equipo; el equilibrio puede alcanzarse en cualquiera de los extremos del

equipo, por lo que la operación es equivalente a varias etapas ideales; mayor eficacia.

La operación es continua para que predominen las condiciones de estado estacionario. En El

diagrama de flujo que se muestra, se supone que el sólido B es insoluble y no se pierde en la solución

clara; pero, el procedimiento que se señala a continuación se modifica fácilmente para los casos en

que esto no suceda

Métodos de Operación.

Las operaciones de lixiviación se realizan por lotes o bien por semilotes (estado no estacionario) y

también en condiciones totalmente continuas (estado estacionario) en cada categoría se

encuentran equipos del tipo de etapas y de contacto continuo. Se utilizan dos técnicas principales

de manejo: la aspersión o goteo del líquido sobre el sólido y la completa inmersión del sólido en el

líquido. En cualquier de los casos, la elección del equipo que se va a utilizar depende bastante de la

forma física del sólido y de las dificultades y costo de manejo. En muchos casos, esto ha llevado al

uso de equipos muy especializados en ciertas industrias

Las operaciones en estado no estacionario incluyen aquellas en que los sólidos y los líquidos se

ponen en contacto únicamente en forma de lotes y también aquellas en que un lote del solido se

pone en contacto con una corriente que fluye continuamente del líquido (método por semilotes).

Las partículas sólidas gruesas generalmente se tratan en lechos fijos mediante métodos de

percolación, mientras que los sólidos finalmente divididos, que pueden mantenerse más fácilmente

en suspensión, pueden dispersarse en todo el líquido con la ayuda de algún tipo de agitador.

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Lixiviación de semillas vegetales

Las semillas de algodón, soya, semillas de lino, cacahuates, salvado, ricino y muchos otros

productos similares, con frecuencia sufren la acción de lixiviación, o extracción, con disolventes

organices que separan los aceites vegetales que con- tienen. Las semillas generalmente deben

prepararse en forma especial para obtener la mejor lixiviación; esto puede emitir el descascarar, pre

cocinar, el ajuste del contenido de humedad (agua) y el prensado o formación de hojuelas. Algunas

veces, una parte del aceite se elimina inicialmente en forma mecánica mediante ex- pulsión o

prensado. Generalmente, los disolventes de lixiviación son naftas de petróleo, para muchos aceites

una fracción muy cercana al hexano; los hidrocarburos clorados dejan un residuo demasiado tóxico

para el alimento lixiviado y no puede utilizarse para la alimentación animal. La solución aceite-

disolvente, que por lo general contiene una pequeña cantidad de sólidos suspendidos, finamente

divididos, se conoce como “miscela” y los s6lidos lixiviados como “marca”, En esta industria, los

diferentes aparatos de lixiviación generalmente se conocen como “extractores”.

El Rotocel es básicamente una modificación del sistema de Shanks en donde los tanques de

lixiviación se mueven continuamente, de forma que permiten la introducción y descarga continua

de los sólidos. Un rotor circular que contiene 18 celdas, cada una con un fondo de pantalla para

sostener los sólidos, gira lentamente alrededor de un tanque estacionario con compartimientos. Al

girar el rotor, cada celda pasa a su vez debajo de un aparato especial para alimentar las semillas

preparadas y bajo una serie de aspersores mediante los cuales cada una se empapa con el disolvente

para la lixiviación. Después de casi una vuelta, el contenido lixiviado de cada celda se arroja

automáticamente a uno de los compartimientos inferiores estacionarios, de los cuales se sacan

continuamente. El disolvente de cada aspersión se pre cuela en forma descendente a través del

sólido y de la pantalla de soporte en el compartimiento apropiado del tanque inferior, del cual se

bombea continuamente para la siguiente aspersión. La lixiviación es a contracorriente y la solución

más concentrada se obtiene con las semillas más frescas. Varios aparatos ingeniosos son necesarios

para mantener una operación sencilla; toda la máquina está encerrada en una estructura sellada

para evitar que los vapores del disolvente escapen.

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IV. Algoritmo de diseño

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V. Cálculos

Carnes de semilla de algodones preparados que contienen 35 por ciento de aceite extraíble se

alimentan a un extractor de contracorriente continua del tipo de drenaje intermitente usando

hexano como disolvente. El extractor consta de diez secciones y la sección de e fi ciencia es del 50

por ciento. El arrastre, supone constante, es de 1 kg de solución / kg de sólidos. ¿Cuál será la

concentración de aceite en el cabo de fluir disolvente si el contenido de aceite extraíble en las

carnes se va a reducir en un 0,5 por ciento en masa?

Suposiciones

1. Ya que el problema no nos establece una base de cálculo o flujo másico, asumimos una

base de Cálculo de 100 kg de inerte de semilla de algodón.

2. 10 Secciones con una eficacia del 50% el sistema puede ser considerado como de 5

etapas con una eficiencia del 100% en la cual el equilibrio es igual para cada etapa, por lo

que se trabaja para una etapa.

Flujo Superior alimentación

Fracción de inerte =1-0.35

Fracción de aceite=0.35

Cantidad de aceite 𝑆 =100∗0.35

1−0.35

Cantidad de Inerte = 100 kg

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Flujo superior producto

Fracción de aceite = 0.5%

Fracción de inerte =99.5%

Cantidad de aceite = 𝑆𝑛+1 =100∗0.5

1−0.5

Cantidad de Hexano =100 − 𝑆𝑛+1

Flujo inferior alimentación

Cantidad de hexano = h

Fracción de Hexano = 1

Flujo Inferior Producto

Cantidad de Hexano= ℎ − (100 − 𝑆𝑛+1)

Cantidad de Aceite= 𝑆 − 𝑆𝑛+1

Fracción de aceite =X

Fracción de Hexano = 1-X

No hay Inerte

Calculo de R

En una batería de tanques dispuestos en serie para el lavado a contracorriente, la cantidad de

disolvente se eliminó con el sólido insoluble en el flujo superior es constante, e independiente de

la concentración de la solución en el tanque, entonces la cantidad de disolvente que sale de cada

tanque en el flujo superior será el mismo, y por lo tanto la cantidad de disolvente en el flujo inferior

también será la misma.

𝑅 =𝑆𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑆𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠

𝑅 =ℎ

100

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Balance en los tanques

Sn−1/Sn = Ln −Ln+1 = RSn −Ln+1 = RSn −Ln+1

Aceite

𝑆1 =100 ∗ (1 − (ℎ − 99.497)

ℎ − 46.2

𝑆𝑛+1 = 0.503𝑘𝑔

Solo se alimenta hexano Ln+1 =0

(𝑅 − 1) ∗ 𝑆0 = 𝑅𝑛+1 − 1 ∗ 𝑆𝑛 − (𝑅𝑛 + 1) ∗ 𝐿𝑛+1 Ecuación 10.6

(𝑅 − 1) ∗ 𝑆0 = (𝑅𝑛+1 − 1) ∗ 𝑆𝑛

1 =(53.30 ∗ ℎ − 5330)

((0.01 ∗ ℎ)5 − 1)(0.503 ∗ ℎ − 23.24)

Damos valores a H hasta que se cumpla la igualdad.

Cantidad de hexano =h-99.497

Fracción de Aceite = 𝑦 =100∗53.3

53.3+ℎ

VI. Respuesta

Datos

Base de Calculo 100 kg semillas de algodón inerte

Flujo superior alimentación

Fracción de aceite 35 %

Fracción de Inerte 65 %

Cantidad de aceite 53.84615385 kg

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Flujo superior Productos

Cantidad de inerte 100 kg

Fracción de aceite 0.005 %

Fracción de Inerte 0.995 %

Cantidad de aceite 0.502512563 kg

Cantidad de Hexano 99.49748744 kg

Flujo Inferior alimentación

Cantidad de hexano h 238 kg

Fracción de hexano 1

Flujo inferior Producto

Cantidad de Hexano h-99.4975 138.502513 kg

Cantidad de inerte 0 0

Cantidad de aceite 53.34364128

Fracción de aceite 27.80542649 %

Fracción de hexano 72.19457351 %

En el Flujo Inferior se obtuvo un 27.80% de aceite y 72.194 % hexano libre de

inerte.

En el Flujo interior se ocupó 238 kg de hexano puro a la alimentación.

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VII. Conclusiones

La Lixiviación es un proceso que se puede dar de muchas maneras, esto dependerá de la naturaleza

de os sólidos y de su previa preparación, que va desde el tamaño hasta la porosidad, además de

depender de la temperatura. Esto puede llevar a que una lixiviación una separación sea muy difícil

de lograr a lograrla de manera fácil rápida y minimizando los cosos de operación. Aunque hay

muchos procesos para la separación, la lixiviación se ocupa cuando estos no logran tener una

eficiencia deseada o sea muy difícil y costosa de lograr. Los campos de aplicación son muy variados

desde la minería hasta en los alimentos. Esto ha llevado al desarrollo de muchos equipos que

funcionan para diferentes materiales o muy específicos.

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VIII. Bibliografía

Richardson, C. a. (2002). Chemical Engineering. London: ButterWorth.

Treybal, R. E. (s.f.). Operaciones de Tranferencai de Masa. Mexico: McGraw Hill.

Warren L. McCabe, J. C. (2007). Operaciones Unitarias en INgeneria Quimica. Mexico: Mc Graw

Hill.

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IX. Anexos

Equipos para Lixiviación

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