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TRANSFERENCIA DE MASA TRABAJO COLABORATIVO 2

PRACTICA VIRTUAL PLANT: EXTRACCIÓN LÍQUIDO LÍQUIDO

LADY UNIGARRO ARTEAGA CÓDIGO: 69.055.650

PRESENTADO A: HERNANDO ENRIQUE BOHÓRQUEZ TUTOR

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍAS INGENIERÍA DE ALIMENTOS CEAD PASTO 2013

RESUMEN La práctica consiste en la extracción de ácido acético presente en el vinagre (solución agua - ácido acético), extraída mediante un solvente orgánico, en un sistema de extracción de contacto sencillo. Para lograr separar el ácido acético del vinagre, se analiza la efectividad del Éter isopropílico como solvente para la separación de la mezcla, para diferentes concentraciones de mezcla agua / ácido acético de una carga de alimento.

INTRODUCCIÓN Los futuros ingenieros de alimentos, deben contar con las competencias que les demanda la Industria de hoy día. Ya es muy normal que los grandes complejos industriales controlen todos sus procesos de manufactura desde un centro de operaciones que da cuenta de toda la información que se sucede en cada una de las partes del macro proceso. Mediante el uso apropiado de dicha información, es que el ingeniero puede tomar decisiones rápidas y de manera acertada para realizar los ajustes que se requieran en cada operación y/o proceso con el ánimo de obtener productos de alta calidad. Cada industria adopta el sistema que más se acopla a su organización, algunos con un hardware y software más o menos sofisticado, pero en todos los casos el objetivo principal es poder obtener un control avanzado de los procesos propios de la organización. Es por esto que es preciso que el estudiante del curso de transferencia de masa se familiarice con estas herramientas que de alguna manera, evidenciará en su ejercicio profesional más adelante.

OBJETIVO GENERAL -

Que el estudiante adquiera una comprensión más profunda de los procesos de transferencia de masa a través del uso adecuado del VirtualPlant como herramienta fundamental para potenciar el control y la simulación de los diferentes procesos industriales que allí se evidencian.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Que el estudiante reconozca la influencia del uso de diferentes solventes sobre la efectividad en una extracción líquido-líquido.



Que el estudiante identifique el efecto de la variación alimentación/solvente sobre la eficiencia de la separación.



Que el estudiante conozca el funcionamiento de un extractor líquido-líquido.

en

la

relación

de

MARCO TEORICO La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida. En una operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, solvente de extracción al líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado. En la Figura 1 se muestra un esquema de las corrientes implicadas en la operación.

Figura 1. Esquema Idealizado de una Operación de Extracción Líquido-Líquido En la práctica específica presentada en el Virtual Plant se plantea la extracción de ácido acético presente en el vinagre (solución agua - ácido acético), mediante un solvente orgánico, en un sistema de extracción de contacto sencillo.

COMPETENCIAS Para la presente práctica el estudiante debe estar en capacidad de: -

Determinar la efectividad de una extracción líquido-líquido.

-

Realizar simulaciones que le permitan encontrar las relaciones existentes entre las diferentes variables que intervienen en el proceso.

-

Reconocer la funcionalidad de cada uno de los equipos que intervienen durante el proceso de extracción.

-

Comprender adecuadamente las restricciones a las que esta sujeto el proceso. PROCEDIMIENTO

El estudiante seleccionará el alimento de la mezcla agua - ácido acético (vinagre) y su composición másica. El estudiante una vez realiza las simulaciones correspondientes y obtiene los valores en masa de solvente, extracto y refinado. A continuación se relacionan las variables de entrada y salida a tener en cuenta para la presente práctica. Variables de entrada -

Caudal de alimentación de vinagre (solución ácido acético – agua) Composición másica del alimento.

Variables de salida -

Masa de Extracto. Masa de Refinado. Masa de Solvente.

De igual forma seguidamente se relacionan los equipos que intervienen durante el proceso de obtención de la leche en polvo respectiva.

VARIABLES

Lista de equipos -

Extractor Líquido-Líquido. Balanzas. Bombas de alimentación de solvente y alimento. Bombas de descarga de Extracto y Refinado.

De otro lado se debe tener en cuenta las siguientes restricciones para este proceso de secado: -

La fase acuosa y el solvente orgánico son parcialmente inmiscibles. La columna opera en estado estable y no presenta inundación en los intervalos de operación considerados en esta práctica. Se considera un modelo para soluciones diluidas de agua – ácido acético.

DIAGRAMA DE FLUO

TRANSFERENCIA DE MASA Proceso químico para separar componentes de una mezcla homogénea

Reacción de masa alimento

EXTRACCIÓN LIQUIDOLIQUIDO Proceso que utiliza disolvente

Equilibrio liquidoliquido

Factores de separación

Decantación

Equilibrio entre Fases

DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO ALIMENTACIÓN F COMPOSICIÓN MÁSICA-ALIMENTO

MASA DE REFINADO MASA DEL ÉTER

DISOLVENTE MASA DE VINAGRE - ALIMENTO

SISTEMA DE AGITACIÓN MASA DEL EXTRACTO E1 SIMULACIÓN

Practica: Extracción liquido liquido Usuario: UNIGARRO ARTEAGA LADY JHOJANA Fecha: Viernes 17/Mayo/2013 - 11:25:12

Masa de vinagre alimento (kg)

Entrada Composición másica - alimento (kg)

Salida Masa de extracto (kg)

Masa de refinado (kg)

Masa de solvente Éter isopropílico (kg)

30

100

40,19

43,75

96,44

30

90

49,9

36,03

103,86

30

80

64,58

40,29

104,29

30

70

70,94

31,32

109,62

30

60

79,53

32,76

106,77

27

100

26,17

39,37

86,8

27

90

35,91

32,43

93,48

27

80

50,12

36,26

93,86

27

70

56,85

28,19

98,66

27

60

65,58

29,48

96,1

23,3

100

8,88

33,98

74,9

23,3

90

18,65

27,99

80,67

23,3

80

32,29

31,29

81

23,3

70

39,46

24,33

85,14

23,3

60

48,37

25,44

82,93

20,8

90

6,99

24,98

72,01

20,8

80

20,24

27,94

72,3

20,8

70

27,72

21,72

76

20,8

60

36,74

22,71

74,03

18

80

6,75

24,18

62,57

18

70

14,56

18,79

65,77

18

60

23,72

19,66

64,06

ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. VARIABLES DE ENTRADA PARA 100 Kg Masa de vinagre – alimento: 100 Kg Composición de ácido acético en vinagre: 30%, 27%, 23.3%, 20.8%, 18% VARIABLES DE SALIDA: Masa de extracto Masa de refinado Masa de solvente (éter isopropílico)

Masa de vinagre alimento (kg)

Entrada Composición másica - alimento (kg)

Salida Masa de extracto (kg)

Masa de refinado (kg)

Masa de solvente Éter isopropílico (kg)

23,3

100

8,88

33,98

74,9

27

100

26,17

39,37

86,8

30

100

40,19

43,75

96,44

ANÁLISIS Se puede observar que en la medida que el porcentaje de ácido acético es mayor, cambia directamente los resultados finales, ya que la masa de extracto, del refinado y del solvente (éter isopropílico) aumenta, de tal manera que su rendimiento y su eficiencia en el proceso son altos. Entonces a mayor concentración de ácido acético mayor rendimiento en la obtención del extracto y refinado. Para los porcentajes de ácido acético de 18% y 20.8% no fue posible a causa que la concentración es demasiado baja y se obtendría unos valores de rendimiento y eficiencia muy bajos. 2. VARIABLES DE ENTRADA PARA 90 Kg Masa de vinagre – alimento: 90 Kg Composición de ácido acético en vinagre: 30%, 27%, 23.3%, 20.8% VARIABLES DE SALIDA: Masa de extracto Masa de refinado Masa de solvente (éter isopropílico)

Masa de vinagre alimento (kg)

Entrada Composición másica - alimento (kg)

Salida Masa de extracto (kg)

Masa de refinado (kg)

Masa de solvente Éter isopropílico (kg)

20,8

90

6,99

24,98

72,01

23,3

90

18,65

27,99

80,67

27

90

35,91

32,43

93,48

30

90

49,9

36,03

103,86

ANÁLISIS En la composición másica de alimento con 90Kg se puede concluir que en la medida que el porcentaje de ácido acético es mayor, cambia directamente los resultados finales, ya que la masa de extracto, del refinado y del solvente (éter isopropílico) aumenta, de tal manera que su rendimiento y su eficiencia en el proceso son altos. Entonces a mayor concentración de ácido acético mayor rendimiento en la obtención del extracto y refinado. Para el porcentaje de ácido acético de 18%, no fue posible a causa que la concentración es demasiado baja y se obtendría un rendimiento y eficiencia muy bajos.

3. VARIABLES DE ENTRADA PARA 80 Kg Masa de vinagre – alimento: 80 Kg Composición de ácido acético en vinagre: 30%, 27%, 23.3%, 20.8% y 18%. VARIABLES DE SALIDA: Masa de extracto Masa de refinado Masa de solvente (éter isopropílico)

Masa de vinagre alimento (kg)

Entrada Composición másica - alimento (kg)

Salida Masa de extracto (kg)

Masa de refinado (kg)

Masa de solvente Éter isopropílico (kg)

18

80

6,75

24,18

62,57

20,8

80

20,24

27,94

72,3

23,3

80

32,29

31,29

81

27

80

50,12

36,26

93,86

30

80

64,58

40,29

104,29

ANÁLISIS En la composición másica de alimento con 80Kg se puede concluir que en la medida que el porcentaje de ácido acético es mayor, cambia directamente los resultados finales, porque la masa de extracto, del refinado y del solvente (éter isopropílico) aumenta, de tal manera que su rendimiento y su eficiencia en el proceso son altos. Consecuentemente a mayor concentración de ácido acético mayor rendimiento en la obtención del extracto y refinado. 4. VARIABLES DE ENTRADA PARA 70 Kg Masa de vinagre – alimento: 70 Kg Composición de ácido acético en vinagre: 30%, 27%, 23.3%, 20.8% y 18%. VARIABLES DE SALIDA: Masa de extracto Masa de refinado Masa de solvente (éter isopropílico)

Entrada

Salida

Masa de vinagre alimento (kg)

Composición másica alimento (kg)

Masa de extracto (kg)

Masa de refinado (kg)

Masa de solvente Éter isopropílico (kg)

18

70

14,56

18,79

65,77

20,8

70

27,72

21,72

76

23,3

70

39,46

24,33

85,14

27

70

56,85

28,19

98,66

30

70

70,94

31,32

109,62

ANÁLISIS En la composición másica de alimento con 70Kg se puede determinar que en la medida que el porcentaje de ácido acético es mayor, cambia directamente los resultados finales, porque las masas de extracto, del refinado y del solvente (éter isopropílico) aumentan, de tal manera que su rendimiento y su eficiencia en el proceso son altos. A mayor concentración de ácido acético mayor rendimiento en la obtención del extracto y refinado.

5. VARIABLES DE ENTRADA PARA 60 Kg Masa de vinagre – alimento: 60 Kg Composición de ácido acético en vinagre: 30%, 27%, 23.3%, 20.8% y 18%. VARIABLES DE SALIDA: Masa de extracto Masa de refinado Masa de solvente (éter isopropílico)

Masa de vinagre alimento (kg)

Entrada Composición másica - alimento (kg)

Salida Masa de extracto (kg)

Masa de refinado (kg)

Masa de solvente Éter isopropílico (kg)

18

60

23,72

19,66

64,06

20,8

60

36,74

22,71

74,03

23,3

60

48,37

25,44

82,93

27

60

65,58

29,48

96,1

30

60

79,53

32,76

106,77

ANÁLISIS En la composición másica de alimento con 60Kg se concluye que en la medida que el porcentaje de ácido acético es mayor, cambia directamente los resultados finales, porque la masa de extracto, del refinado y del solvente (éter isopropílico) aumenta, de tal manera que su rendimiento y su eficiencia en el proceso son altos. Por lo tanto a mayor concentración de ácido acético mayor rendimiento en la obtención del extracto y refinado.

CÁLCULOS ALIMENTACIÓN + DISOLVENTE = REFINADO + EXTRACTO 1. MASA DE VINAGRE – ALIMENTO 100 Kg 

30% A.A. EN VINAGRE

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA: ______________Extracto (E) 11.7% A.A. (M) 140.19 Kg ____________________ 21.4 % A.A

MEZCLA ______________Refinado (R) 25.8 % A.A.

M = 140,19 M=E+R Entonces: 

140.19 = E + R (1) E = 140.19 - R BALANCE DE ÁCIDO ACÉTICO: (A.A)M = (A.A)E + (A.A)R 0.214 * 140.19 = 0.117E + 0.258R 30 = 0.117E + 0.258R (2) 30 = 0.117 (140.19-R) + 0.258R 30 = 16.4 - 0.117R + 0.258R 30 - 16.4 = 0.141R 13.6 = 0.141R R = 96.45 E = 140.19 - 96.45 = 43.74 Kg 2. MASA DE VINAGRE – ALIMENTO 90 Kg



27% A.A. EN VINAGRE

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA: ______________Extracto (E) 9.5% A.A. (M) 125.9 Kg ____________________ 19.3 % A.A

MEZCLA ______________Refinado (R) 22,7 % A.A.

M = 125.9 M=E+R Entonces: 125.9 = E + R E = 125.9 - R



BALANCE DE ÁCIDO ACÉTICO: (A.A)M = (A.A)E + (A.A)R 0.193 * 125.9 = 0.095E + 0.227R 24.29 = 0.095E + 0.227R 24.29 = 0.095(125.9 - R) + 0.227R 24.29 = 11,96 – 0.095E + 0,227R 24.29 – 11,96 = 0.132R 12.33 = 0.132R R = 93.40 Kg E = 32.5 Kg 3. MASA DE VINAGRE – ALIMENTO 80 Kg



23.3% A.A. EN VINAGRE

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA: ______________Extracto (E) 7.8% A.A. (M) 112.29 Kg ____________________ 16.6 % A.A

MEZCLA ______________Refinado (R) 20 % A.A.

M = 112.29 M=E+R Entonces: 112.29 = E + R R = 112.29 - E 

BALANCE DE ÁCIDO ACÉTICO: (A.A)M = (A.A)E + (A.A)R 0.166*112.29 = 0.078E + 0.2R 18.64 = 0.078E + 0.2R (2) 18.64 = 0.078E + 0.2 (112.29-E) 18.64 = 0.078E + 22.45 - 0.2E R = 81.06Kg E = 31.23 Kg

4. MASA DE VINAGRE – ALIMENTO 70 Kg 

20.8% A.A. EN VINAGRE

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA: ______________Extracto (E) 5.8% A.A. (M) 97.72 Kg ____________________ 14.9 % A.A

MEZCLA ______________Refinado (R) 17.5 % A.A.

M = 97.72 M=E+R Entonces: 97.72 = E + R R = 97.72 - E



BALANCE DE ÁCIDO ACÉTICO: (A.A)M = (A.A)E + (A.A)R 0.149*97.72 = 0.58E + 0.175R 14.56 = 0.058E + 0.175 (97.72-E) -2.541 = -0.117E R = 76.02 Kg E = 21.7 Kg

5. MASA DE VINAGRE – ALIMENTO 60 Kg 

18% A.A. EN VINAGRE

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA: ______________Extracto (E) 4.1% A.A. (M) 83.72 Kg ____________________ 12.9 % A.A *

MEZCLA ______________Refinado (R) 15.6 % A.A.

* : 60 * 0.18 = (A.A)M 10.8 = (AA)M % (A.A)M = 10.8/83.72*100 = 12.9 A.A. M = 83.72 M=E+R Entonces: 83.72 = E + R R = 83.72 – E 

BALANCE DE ÁCIDO ACÉTICO: (A.A)M = (A.A)E + (A.A)R 83.72*0.129 = 0.041E + 0.156R 10.8 = 0.041E + 0.156R 10.8 = 0.041(83.72 - R) + 0.156R R = 64.08 Kg E = 19.64 Kg

Cuando se disminuye la entrada de la masa del vinagre la salida va a ser menor y cuando la entrada de la masa del vinagre es mayor entonces la salida va a ser mayor.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Si las etapas de la extracción líquido-líquido son de contacto del material por extraer con el disolvente, separación de las fases formadas, recuperación del disolvente. Es notoria la gran importancia que representa el mezclado adecuado del disolvente y de la mezcla por tratar realizada en el extractor, ya que los resultados obtenidos (Kg de masa de extracto y Kg de masa de refinado), han determinado que la viabilidad del proceso es el adecuado. En los sistemas de interés para la extracción líquido-líquido los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formación de dos fases. Además, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida. En la operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, disolvente de extracción al líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado. En poca disminución de la masa de vinagre del alimento, se presenta una gran caída no proporcional en la masa del extracto. Para las concentraciones de 30%, 27%, 23.3%, 20.8% y 18%, a menor composición másica, es mayor el requerimiento de masa de extracto y Éter Isopropílico. Pero para la composición másica en todos los casos de 60 kg, el requerimiento de masa de extracto y Éter Isopropílico disminuye.

CONCLUSIONES La extracción líquido-líquido es una operación unitaria de transferencia de masa en la que una solución líquida (el alimento) se pone en contacto con un líquido inmiscible (Disolvente) que presenta afinidad preferencial hacia uno o varios de los componentes de la alimentación logrando extraerlo de la alimentación. El manejo de virtual plant 2 es de fácil manejo y una buena herramienta para el aprendizaje continuo en los diferentes procesos industriales. La extracción líquido-líquido es un proceso de separación por contacto de soluciones que se usa mucho en la industria. A medida que disminuye la composición másica del alimento, mayor va a ser la masa de extracto y por lo tanto mayor va a ser la eficiencia del proceso de separación de la solución. Se utiliza un compuesto orgánico como el éter isopropílico como el solvente de extracción para realizar el proceso de separación debido a su insolubilidad en el agua y a su solubilidad en ácido acético, que es lo buscado. En la salida de masa del solvente, para la mayor cifra, se observa que es igualmente la mayor obtenida en la masa del extracto.

RECOMENDACIONES PARA MEJORAR EL VIRTUAL PLANT. 

Dar solución y pronta respuesta a las dudas e inconvenientes de los estudiantes en cuanto al ingreso a la Virtual Plant.

BIBLIOGRAFÍA 

Henley, E.J. y Seader, J.D. “Operaciones de separación por etapas de equilibrio en Ingeniería Química”. Reverté, Barcelona. 1988.

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Fonseca, V. J. (2007). Módulo de Transferencia de Masa. Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD. Bogotá, Colombia.

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Serrano, N. A. (2008) Guía de Laboratorio de Transferencia de Masa Virtual Plant. Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD. Bogotá, Colombia.

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Olivares. C. A., y Patoni. H. E. (2007). “Laboratorio Integral III. Manual de Practicas. Ingeniería Química”. Instituto Tecnológico de Toluca. México.

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Vian y Ocón, “Elementos de Ingeniería Química”, Ed. Aguilar 5a Edición, 1979.

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Granger Brown, G., “Operaciones Básicas de la Ingeniería Química”, Ed. Marín S.A.

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Perry, J. H., “Manual de Ingeniería Química”, Tomo I Ed. Mc Graw-Hill 3a Edición

CIBERGRAFÍA    

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