Solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos

Solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos

Universidad Nacional de Colombia

Diseño, análisis y evaluación de prácticas para la estimación de propiedades termodinámicas y de transporte

Grupo 6 – Subgrupo 2  

Lorena Andrea Agudelo Acero, Diego Andrés Guerrero Hernández y Andrés Felipe López Vega

Docente: Gabriel Pérez Schuster

Bogotá 12 de marzo de 2021

Resumen:

La extracción con los fluidos supercríticos aprovecha el comportamiento único que estos poseen con el fin de desarrollar una técnica de separación de sustancias disueltas o solutos en matrices complejas gracias a su poder disolvente y su gran ventaja es la rápida y eficaz extracción. Entre las principales aplicaciones se encuentra la extracción y fraccionamiento de lípidos, la obtención de compuestos minoritarios de alto valor agregado, extracción de antioxidantes naturales y el aprovechamiento de residuos de la refinación.  El conocer la solubilidad de cierto sólido a distintas presiones y temperaturas en un fluido supercrítico específico es fundamental para determinar la viabilidad y mejores condiciones para realizar la extracción.  

Objetivos:

General:

• Determinar la solubilidad de un sólido específico a distintas condiciones de presión y temperatura.

Específicos:

• Aprender a manejar un equipo de extracción con fluidos supercríticos
• Calcular el factor de mejora de solubilidad de un determinado sólido cuando entra en contacto con un fluido supercrítico.
• Analizar el comportamiento de la solubilidad con un cambio en las condiciones del proceso de extracción.

Marco Teórico:

La extracción con fluidos supercríticos aprovecha el comportamiento único que muestra una sustancia a una temperatura y presión ligeramente por encima de su punto crítico.

A una temperatura ligeramente por encima del punto crítico del solvente, las propiedades del fluido varían lentamente desde un comportamiento similar a un líquido a un comportamiento similar a un gas sin el cambio abrupto en las propiedades asociadas con una transición de fase por debajo de la temperatura crítica.

Esta suave variación permite variar la densidad del fluido supercrítico y, por tanto, su capacidad para solutos, cambiando la presión. También se observan efectos deseables en las propiedades de transporte. Las difusividades aumentan en comparación con las difusividades de la fase líquida, mientras que la viscosidad disminuye notablemente en comparación con la fase líquida. Las solubilidades incrementan sustancialmente, haciendo que el fluido supercrítico se comporte de manera similar a un solvente líquido muy potente.

La base para predecir la solubilidad de un soluto en un solvente fluido supercrítico es la equivalencia de fugacidades para el soluto particular en cada fase:

[pic 1]

Si se supone que la volubilidad del fluido supercrítico en la fase sólida es insignificante, entonces la fugacidad del soluto en la fase sólida es igual a la fugacidad del soluto puro. La fugacidad del soluto puro en la fase de soluto se puede evaluar usando el modelo planteado por Modell y Reid en 1983:

[pic 2]

Vs es el volumen molar del sólido puro y este valor normalmente se asume constante. Si se simplifica la expresión remplazando la fugacidad del soluto puro en estado de saturación dividido por la presión del sistema por el coeficiente de fugacidad y se integra la expresión se obtiene:

[pic 3]

Con el propósito de simplificar la expresión y debido a que se trabajará con naftaleno, el cual tiene una presión de vapor casi nula a condiciones estándar, el coeficiente de fugacidad se puede asumir como 1. La fugacidad del soluto en el fluido supercrítico está dada por la expresión:

[pic 4]

Si se remplazan las ecuaciones de las fugacidades para obtener la solubilidad del soluto en el fluido supercrítico, la expresión correspondiente es:

[pic 5]

La solubilidad ideal del soluto, en función de la temperatura y la presión está representada por el primer término entre corchetes en la expresión. Para muchos solutos de interés, la solubilidad ideal será extremadamente baja debido a la baja presión de vapor del soluto y la alta presión requerida para alcanzar el estado supercrítico del solvente. El comportamiento no ideal de la fase de fluido supercrítico está representado por el segundo término de la expresión. El último término es el factor de Poynting el cual representa el efecto de la presión sobre la fase sólida. La combinación de los dos últimos términos se conoce como factor de mejora o “Enhancement”. Este factor representa el aumento de la volubilidad debido al estado supercrítico del solvente.

Muchos autores han demostrado la validez del modelo de Peng-Robinson para determinar el coeficiente de fugacidad del soluto en el fluido supercrítico, entre estos se encuentran McHugh y Paulatis en 1980 y Brennecke en 1989. La expresión es la siguiente:

[pic 6]

En donde A y B están definidos como:

[pic 7]

[pic 8]

Y finalmente Z se determina por la ecuación de Peng-Robinson escrita en términos del factor de compresibilidad.

[pic 9]

Debido a la naturaleza del sistema de ecuaciones este se debe resolver de manera iterativa, se recomienda el uso de una herramienta como Matlab o Excel. Para este laboratorio se hará uso de CO2 supercrítico, debido a que es bastante inofensivo d haber una fuga y naftaleno como soluto.

Procedimiento:

1. Determinar la masa inicial del naftaleno
2. Suministrar el dióxido de carbono desde el cilindro del gas estándar.
3. Tomar la presión después de la bomba.
4. Tomar la temperatura de extracción.
5. Abrir la válvula de expansión después de la extracción.
6. Determinar el caudal para el dióxido de carbono cuando pase a través del cartucho del extractor que contiene naftaleno. (Ver sección montaje experimental)
7. Determinar la masa final del naftaleno después del separador.
8. Hallar el volumen molar del sólido puro
9. Repetir el ensayo 5 veces y anotar los datos obtenidos en la tabla 1.

Planos y montaje experimental:

El sistema experimental está diseñado para soportar con seguridad presiones de hasta 6000 psig y temperaturas de hasta 100 °C.

[pic 10]Figura 1. Montaje experimental

El montaje está conformado por un filtro de línea de alimentación y un enfriador, una bomba dosificadora de líquido, un recipiente de extracción calentado, una válvula de expansión caliente, una cámara de separación y dispositivos de medición del flujo de disolvente.

Las condiciones ambientales y el estado supercrítico para el dióxido de carbono se pueden lograr a presión moderada y temperatura relativamente baja.

...