Download - 1 EXTRACCIÓN LIQUIDA

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03/01/2013

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Las operaciones con transferencia de masa estándirigidas habitualmente a cambios en la composiciónde las soluciones ó mezclas

Suelen basarse en la distribución desigual en elequilibrio, de las sustancias que han de separarseentre dos fases mutuamente inmiscibles.

Denominada también extracción líquido - líquido óextracción por solventes

EXTRACCIÓN EN FASE LÍQUIDA La extracción líquido-líquido es, junto a la

destilación, la operación básica más importante enla separación de mezclas homogéneas líquidas.

La transferencia de materia se consigue medianteel contacto directo entre las dos fases líquidas.Una de las fases es dispersada en la otra paraaumentar la superficie interfacial y aumentar elcaudal de materia transferida.

Consiste en separar una o varias sustanciasdisueltas en un solvente mediante su transferenciaa otro solvente inmiscible, o parcialmenteinmiscible, en el primero.

Solución conteniendocomponente valioso(Alimentación)

Líquido inmiscible(Solvente)

Solvente enriquecido

Solución residual

Agitación

Reposo

La extracción líquida es un método para separarlos componentes de una solución líquida medianteel empleo de otro líquido (solvente), inmiscible conla solución anterior.

Debe entenderse la inmiscibilidad en formarelativa, ya que lo importante es la formación dedos fases líquidas, lo cual es indispensable parapoder aplicar este método de separación.

Operación con transferencia de masa entre dosfases inmiscibles

Esta operación es un método indirecto, puesto quelos componentes de la solución original no sonseparados directamente sino que una sustanciaextraña a la mezcla original, un líquido inmiscible,es introducida para dar lugar a una segunda fase.

Operación con transferencia de masa indirecta

Si los componentes de la solución original sedistribuyen de modo desigual entre las dos faseslíquidas resultantes, entonces se tiene ciertogrado de separación de éstos.

Principio de la extracción

La solución líquida se contacta con otro líquidoinmiscible o cercanamente inmiscible, que presentauna afinidad preferencial ó selectividad hacia uno óvarios componentes de la solución original.

Es un método para separar compuestos basados ensus solubilidades relativas en dos líquidos inmisciblesdiferentes. Esta diferencia entre los líquidos sedebe a su estructura química.

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Se formarán dos fases entre las cuales se hadistribuido el ácido acético, ya que el ácidopasa en una cierta proporción al acetato deetilo.

Solución acuosa de ácido acético(Componente a recuperar: ácido acético)

Solvente: acetato de etilo (inmiscible con la solución acuosa)

Agitación y reposo

Otro ejemplo, sería la separación de ácidoacético y acetona por adición de la solución quelos contiene a una mezcla inmiscible de agua ycloroformo, pues el ácido pasa preferentementeal agua y la acetona pasa con preferencia alcloroformo.

Dada una solución que contenga uno o máscomponentes valiosos en cantidad apreciable, setrata de recuperar estos componentes mediantela adición de un solvente con el cual éstos tienenafinidad y con el cual la solución anterior esinmiscible.

Dos fases resultan de este contacto: una faseque contiene al solvente enriquecido en elcomponente valioso y la otra fase que es lasolución residual a la que se ha extraído elcomponente valioso.

Extracción líquido-líquido En adición a la extracción, un aspectoextremadamente importante es el diseño delsistema para recuperar y reciclar el solvente.

En muchos casos, esta etapa adicional delproceso corresponde a una destilación.

En una operación de extracción líquido-líquido sedenomina alimentación a la solución cuyos componentesse pretende separar, solvente de extracción al líquidoque se va a utilizar para separar el componentedeseado, refinado a la alimentación ya tratada yextracto a la solución con el soluto recuperado.

Extracción líquido líquido

Solvente

Extracto

RefinadoAlimentación

El sistema más simple de extracción en fase líquidacomprende a tres componentes:

Componente B

Solvente extractor del soluto C, inmiscible con lasolución original de A y C.

Componente A

Solvente portador, que es el componente de lasolución original que generalmente se encuentra enmayor proporción

Componente C

Soluto o componente a recuperar de la soluciónoriginal.

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Refinado (R)

Extracto (E)Solvente (S)

MEZCLADOR

DECANTADOR

Alimentación (F)

La extracción se puede llevar a cabo en un equiposencillo, el que consiste en una combinación de untanque de agitación o mezclador y de un decantador.

Es la solución original, que contiene uno o varioscomponentes que se van a recuperar o separarmediante la extracción.

Carga o alimentación ( F )

En el caso más simple, se tiene una solución dedos componentes A y C, donde el componente Ageneralmente es el que se encuentra en mayorproporción.

Líquido inmiscible con la solución original, cuyafinalidad es extraer el componente C de dichasolución, debido a la afinidad del soluto con elsolvente.

Solvente ( S )

Generalmente se carga puro ( S = B ).

Sin embargo, puede suceder que el solventeprovenga de una extracción anterior, es decir queel solvente ya ha sido utilizado y luegorecuperado para una posterior utilización.

Fase resultante de la extracción que correspondeal solvente enriquecido en el componente C.

Fundamentalmente está constituida por loscomponentes B y C.

Extracto ( E )

Sin embargo, es frecuente la situación en que elextracto sea una solución de los componentes A,B y C; en cuyo caso las concentraciones de éstostendrían generalmente la siguiente relación:

B >> C >> A

Fase resultante de la extracción que corresponde ala solución rica en el solvente portador que hacedido el componente C.

Fundamentalmente, está constituida por loscomponentes A y C.

Refinado ( R )

Sin embargo, es frecuente la situación en que elrefinado sea una solución de los componentes A, B yC; en cuyo caso las concentraciones de éstostendrían generalmente la siguiente relación:

A >> C >> B

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APLICACIONES

Generalmente la extracción en fase líquida seemplea en sustitución de métodos directos, cuandoéstos son más costosos.

Separación de líquidos de puntos de ebulliciónpróximos (separación de butadieno y butilenos)

Separación de líquidos de mala volatilidadrelativa (separación de ácido acético y agua).

Por ejemplo en sustitución de la destilación:

También se emplea cuando fallan los métodosdirectos.

Separación de sustancias sensibles al calor(penicilina y la mayoría de antibióticos).

Separación de mezclas que formanazeótropos (separación de metil-etil-cetona yagua).

Separación de compuestos orgánicos de alto punto deebullición de aguas residuales: fenol, anilina ycompuestos aromáticos nitrogenados.

Purificación de materiales sensibles al calor:productos farmacéuticos, sabores y aromas,fragancias

Neutralización/lavado de ácidos ó bases decorrientes orgánicas: acrilatos, compuestosorgánicos nitrogenados, compuestos de cloro-benceno.

Selectividad

Coeficiente de distribución

Solubilidad del solvente

Recuperación de soluto del solvente

Densidad entre las fases líquidas

Tensión interfasial

Reactividad química

Costos

Viscosidad, presión de vapor

Inflamabilidad, toxicidad

Selección del solvente

Factores a considerar:

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(fracción masa C en E)/(fracción masa A en E) =----------------------------------------

(fracción masa C en R)/(fracción masa A en R)

Selectividad

b > 1

Primera propiedad que se estudia para decidir laaplicabilidad de un solvente.

Se define como la capacidad de un solvente paraextraer un componente de una solución conpreferencia a otro.

fracción masa del soluto en el extractoK = y / x = --------------------------------

fracción masa del soluto en el refinado

Coeficiente de distribución: K

Son deseables altos valores de K, dado que serequerirá menor cantidad de solvente para undeterminado grado de extracción.

Es un factor importante que influye en laselectividad.

C

A B

A y B tienen limitada solubilidad

B es muy soluble en A y A es muy soluble en B

Solubilidad del solvente

C

A B

Solvente preferido

En los sistemas del tipo 1, se necesitaun alto grado de mutua insolubilidad delos componentes A y B.

NOMENCLATURA

Referida a las diversas formas de expresarconcentraciones y flujos.

Para la fase refinado

Fracción peso de C, en el refinado: x

Cx = ---------

A + B + C

Fracción peso de C, enbase libre de C, en elrefinado: x’

Cx’ = ------

A + B

Fracción peso de C, enbase libre de B, en elrefinado: X

CX = -----

A + C

C 35x = --------- = ----------- = 0.35

A + B + C 60 + 5 + 35

C 35x’ = ----- = ------- = 0.5385

A + B 60 + 5

C 35X = ----- = ------- = 0.3684

A + C 60 + 35

A = 60 g

Refinado B = 5 g

C = 35 g

Fracción peso de C, enbase libre de C, en elextracto: y’

Cy’ = ------

A + B

Fracción peso de C, enbase libre de B, en elextracto: Y

CY = ------

A + C

Fracción peso de C, en el extracto: y

Cy = ---------

A + B + C

Para la fase extracto

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C 25y = --------- = ------------ = 0.25

A + B + C 10 + 65 + 25

C 25y’ = ----- = -------- = 0.3333

A + B 10 + 65

C 25Y = ----- = ------- = 0.7143

A + C 10 + 25

A = 10 g

Extracto B = 65 g

C = 25 g

Fracción peso de B, enbase libre de B: N

BN = -----

A + C

A = 60 g

Refinado B = 5 g

C = 35 g

A = 10 g

Extracto B = 65 g

C = 25 g

5Nrefinado = ------ = 0.0053

60 + 35

65Nextracto = ------ = 1.8571

10 + 25

Mediante un apóstrofe ( ' ) se indica flujos en base libre de B :

R' flujo de A y C, en el refinado

E' flujo de A y C, en el extracto

A = 60 g

Refinado B = 5 g

C = 35 g

A = 10 g

Extracto B = 65 g

C = 25 g

R = 100g

R’ = 95 g

E = 100g

E’ = 35 g

Para el solvente:

yS fracción peso de C

y’S fracción peso de C, en base libre de C

Ys fracción peso de C, en base libre de B

Mediante subíndices literales se hace referencia a una determinada corriente:

Para la alimentación:

xF fracción peso de C

x’F fracción peso de C, en base libre de C

XF fracción peso de C, en base libre de B

Mediante subíndices numéricos se hace referencia ala etapa de la cual procede una corriente:

R4 Refinado proveniente de la etapa Nº 4

E2 Extracto proveniente de la etapa Nº 2

Mediante subíndices literales y numéricos se hacereferencia a una corriente y a la etapa de la cualprocede :

NR6 Fracción peso de B, en base libre de B, delrefinado proveniente de la etapa Nº 6

NS2 Fracción peso de B, en base libre de B, del solvente que ingresa a la etapa Nº 2

Relaciones de conversión

xx’ = ------

1 - x

y’y = ------

1 + y’

yy’ = ------

1 - y

x’x = ------

1 + x’

Xx = -------

1 + NR

Yy = -------

1 + NE

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F = F’ (1 + NF) S = S’ (1 + NS)

R = R’ (1 + NR) E = E’ (1 + NE)

F = A (1 + x’F) S = B (1 + y’S)

R = A ( 1 + x’ ) E = B ( 1 + y’ )

EQUILIBRIO LÍQUIDO - LÍQUIDO DE SISTEMAS TERNARIOS

Para el estudio del equilibrio líquido - líquido de

sistemas ternarios se requiere aplicar la regla de las

fases:

F = C - P + 2

Para un sistema ternario, el número de componentesserá

C = 3 ( A, B y C )

Como el efecto de la presión sobre los equilibrios enfase líquida es relativamente insignificante, se puedeexcluir la consideración de la fase vapor como noimportante para los presentes fines y considerar quela presión es lo suficientemente alta como paramantener sistema condensado.

Excepto a presiones muy elevadas,la influencia de la presión en elequilibrio líquido-líquido es muypequeña y puede ser ignorada.

Por lo tanto, el número de fases será

P = 2 ( dos fases líquidas ).

Luego, el número de grados de libertad será:

F = 3 - 2 + 2 = 3 grados de libertad.

Si se considera constante la presión, se tendrían dosgrados de libertad, la temperatura y la composición.

El efecto de la temperatura se puede mostrar en undiagrama tridimensional, donde se representa latemperatura en la arista vertical y las composicionesen las aristas de la base de un prisma triangular

El triángulo equilátero tienela propiedad de que si desdeun punto cualquiera dentrodel triángulo se trazanperpendiculares a los lados,la suma de estos segmentoses igual a la altura deltriángulo.

Para representar los datos de equilibrio líquido -líquido de sistemas ternarios a temperaturaconstante se puede hacer uso de un triánguloequilátero.

h

p

h = om + on + op

n

mo

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Basándose en esta característica, se hace que laaltura del triángulo represente la composición del100 % y que la longitud de los segmentosperpendiculares, desde cualquier punto, representelos porcentajes de los tres componentes.

El sistema ternario formado por los componentes A,B y C puede considerarse como compuesto por tressistemas binarios A – B , A – C y B - C .

on

om

op

% A

% B

% C

h

p

n

mo

Así se puede construir un diagrama triangular quecuenta con las siguientes características:

% C

% A

% B

Todo punto que coincidecon uno de los vérticesdel triángulo representa aun componente puro.

BA

C

A 100 % componente A

C 100 % componente C

B 100 % componente B

BA

C

Todo punto en un lado del triángulo representa a unamezcla binaria de los dos componentes que seencuentran en los extremos del lado.

P 50 % A y 50 % C

P

Q 20 % B y 80 % C

R 70 % A y 30 % B

R

Q

BA

C

Todo punto dentro del triángulo representa a una mezcla ternaria

S 50 % de A, 30 % de B y 20 % de C

S

D

E

F

la mezcla resultante tendrá la composición en elpunto F; la cual está ubicada en la línea recta DE,de modo que se cumpla la siguiente relación:

REGLA DE LAS MEZCLAS

Si a D Kg de la mezcla representada en el diagrama por el punto D,

se le agregan E Kg de la mezcla representada en el diagrama por el punto E,

E / D = FD / EF

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La representación de los datos de equilibrio, a unadeterminada temperatura, para un sistema ternarioen un diagrama triángulo equilátero, da comoresultado a una curva conocida como la Curva desolubilidad o de equilibrio que representa asoluciones saturadas, y cuya forma dependerá deltipo de sistema.

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LOS DATOS DE EQUILIBRIO

Sistema: Agua - Clorobenceno - AcetonaT = 25 ºC

Fase acuosa Fase clorobenceno

Agua Acetona Clorobenceno Agua Acetona Clorobenceno

99.89 0.00 0.11 0.18 0.00 99.82

94.82 5.00 0.18 0.32 5.21 94.47

89.79 10.00 0.21 0.49 10.79 88.72

84.78 15.00 0.24 0.68 16.20 83.17

79.69 20.00 0.31 0.79 22.23 76.98

74.58 25.00 0.42 1.17 29.01 69.82

69.42 30.00 0.58 1.72 37.48 60.80

64.22 35.00 0.78 2.33 43.28 54.39

58.64 40.00 1.36 3.05 49.44 47.51

52.76 45.00 2.24 4.28 54.92 40.80

45.28 50.00 3.72 7.24 59.19 33.57

38.69 55.00 6.31 13.83 61.79 24.38

27.41 60.00 12.59 22.85 62.07 15.08

25.66 60.58 13.76 25.66 60.58 13.76

A

C

B

Sistema : Agua - Metil-isobutil-cetona – Acetona(T = 30 ºC)

Agua MIK Acetona

2.33 93.20 4.60

3.86 77.30 18.95

4.66 71.00 24.40

5.53 65.50 28.90

7.82 54.70 37.60

10.70 46.20 43.20

14.80 38.30 47.00

18.80 32.80 48.30

24.10 27.40 48.40

33.50 20.10 46.30

45.00 12.40 42.70

64.30 5.01 30.90

75.80 3.23 20.90

94.20 2.12 3.73

Composiciones de equilibrioque determinan rectas dereparto:

% peso acetona en

Capa de

MIK

Capa de

agua

10.66 5.58

18.00 11.83

25.50 15.35

30.50 20.60

35.30 23.80

Datos para la curva de solubilidad:

A

C

B

A B

C

Toda mezcla representada por puntos en el áreasituada fuera de la curva de equilibrio son solucioneshomogéneas de una sola fase líquida; mientras que lasmezclas representadas en el interior del área limitadapor la curva forman dos capas líquidas insolubles(Región de las dos fases).

Región de una fase

Región de dos fases

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A

C

B

La unión de las composiciones de fases en equilibriomediante una línea recta da lugar a lo que se conocecomo la línea de equilibrio (línea de unión, deinterconexión ó de reparto).

Debe imaginarse el áreade heterogeneidad (regiónde 2 fases) como llena deun número infinito delíneas de equilibrio.

líneas de equilibrio

A

C

B

Curva de refinados

Curva deextractos

Punto de pliegue

En la curva de solubilidad, la zona cercana allado AC del triángulo se conoce como la Región ocurva de refinados y la zona cercana al lado BCse conoce como la Región o curva de extractos,uniéndose en el punto de pliegue.

Punto de pliegue ode equisolubilidad:

Punto crítico dondese forman doscapas líquidas decomposición ydensidad idénticas.

Carecen de importancia para la extracción en faselíquida, los sistemas donde los tres componentes semezclan en todas proporciones con formación desoluciones homogéneas.

SISTEMAS TERNARIOS DE INTERÉS EN LA EXTRACCIÓN

Solo interesan aquellos sistemas en que ocurrainmiscibilidad y que pueden clasificarse en:

Sistemas tipo 2: Formación de dos pares delíquidos parcialmente miscibles

Sistemas tipo 1: Formación de un par de líquidosparcialmente miscibles

Sistemas tipo 3: Formación de tres pares delíquidos parcialmente miscibles

Sistemas del Tipo 1

Combinación más frecuente

En estos sistemas de esta naturaleza, lospares de líquidos A-C y B-C son miscibles entodas las proporciones a la temperatura queprevalece y el par de líquidos A-B esparcialmente miscible.

C

A B

Región de dos fases

Para estos sistemas, las líneas de equilibrio no sonparalelas y de ordinario cambian de pendientelentamente en una dirección al cambiar laconcentración.

C

A B

C

A B

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Sin embargo, son bastantecomunes los casos en que hayuna inversión de la pendientede las líneas de equilibrio.( Sistemas solutrópicos)

C

A B

Ejemplos:agua - tricloroetano - acetonaagua - metil isobutil cetona - acetonaagua - éter isopropílico - ácido acético

En la isoterma mostrada en la figura el áreainterior de la banda representa mezclas queforman dos fases; fuera de ella la mezcla es unasolución homogénea de una sola fase líquida.

C

A B

En este tipo de sistemas no existe punto de pliegue

Curva de refinados

Curva de extractos

Región de dos fases

Región de una fase

Sistemas del Tipo 2

En los sistemas de esta naturaleza, los pares delíquidos A-B y B-C son parcialmente misciblesmientras que el par de líquidos A-C es miscible entodas las proporciones, a la temperatura queprevalece. C

A B

Ejemplos :n-heptano - anilina - metilciclohexano clorobenceno - agua - metiletilcetona aceite de semillas de algodón - propano - ácido oleico

C

BA

En los sistemas de esta naturaleza, los pares delíquidos A-B, A-C y B-C son parcialmente miscibles,

Ejemplo: Etilenglicol - Alcohol laurílico - nitrobenceno

Estos sistemas son relativamenteinusuales y pueden llegar a sersumamente complejos.

Sistemas del Tipo 3

Pero como generalmente se dispone de un solo tamañode este tipo de gráficas y siendo frecuente el uso deescalas diferentes, para estos casos son útiles losdiagramas rectangulares.

COORDENADAS RECTANGULARES PARA EQUILIBRIO LÍQUIDO EN SISTEMAS TERNARIOS

Los datos de equilibrio para sistemas ternariossuelen representarse en coordenadas triangularesequiláteras donde se pueden realizar directamente ycon mucha comodidad muchos cálculos de extracción.

Dentro de este tipo de diagramas tenemos:

Diagrama triángulo rectángulo

Diagrama de Janecke

Diagramas de distribución

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En este tipo de diagrama se representa, tanto parala fase extracto como refinado, la fracción peso de Cen el eje de ordenadas con líneas paralelas al ladoAB; la fracción peso de B en las abscisas con líneasparalelas al lado AC y la fracción peso de A conlíneas paralelas al lado BC.

Diagrama triángulo rectángulo

A B

C

A B

C

B

A

C

B

C

Se puede utilizar un diagrama triángulo rectángulocon escalas iguales (además de rectángulo, eltriángulo es isósceles), las escalas se puedenampliar según sea conveniente y debe hacerse notarque se pueden utilizar escalas diferentes según seanecesario.

Escala recomendada:

Abscisas 2 cm = 0.10

Ordenadas 5 cm = 0.10 Sistema tipo IISistema tipo I

Para construir este diagrama se requieretransformar los datos de equilibrio a fraccionespeso en base libre de B.

Diagrama de Janecke

Se representa la fracción peso de B, en base libre de B, en función de la fracción peso de C, en base libre de B, tanto para la fase extracto como para la fase refinado.

Sistema: Agua (A) - Clorobenceno (B)- Acetona (C)T = 25 ºC

Fase acuosa

Agua Acetona Clorobenceno

99.89 0.00 0.11

94.82 5.00 0.18

89.79 10.00 0.21

84.78 15.00 0.24

79.69 20.00 0.31

74.58 25.00 0.42

69.42 30.00 0.58

64.22 35.00 0.78

58.64 40.00 1.36

52.76 45.00 2.24

45.28 50.00 3.72

38.69 55.00 6.31

27.41 60.00 12.59

25.66 60.58 13.76

BN = -----

A + C

CX = -----

A + C

0.11N = --------

99.89 + 0

0X = ---------

99.89 + 0

0.18N = --------

94.82 + 5

5X = ---------

94.82 + 5

N X

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

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Fase clorobenceno

Agua Acetona Clorobenceno

0.18 0.00 99.82

0.32 5.21 94.47

0.49 10.79 88.72

0.68 16.20 83.17

0.79 22.23 76.98

1.17 29.01 69.82

1.72 37.48 60.80

2.33 43.28 54.39

3.05 49.44 47.51

4.28 54.92 40.80

7.24 59.19 33.57

13.83 61.79 24.38

22.85 62.07 15.08

25.66 60.58 13.76

Sistema: Agua (A) - Clorobenceno (B)- Acetona (C)T = 25 ºC

BN = -----

A + C

CY = -----

A + C

99.82N = --------

0.18 + 0

0Y = --------

0.18 + 0

94.47N = ----------

0.32 + 5.21

5.21Y = -----------

0.32 + 5.21

N Y

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

Sistema tipo I Sistema tipo II

X , Y

N

N vs Y

N vs X

N

N vs Y

N vs X

X , Y

En este tipo de diagramas se representa lacomposición de C en el extracto en función de lacomposición de C en el refinado.

Diagramas de distribución

fracción peso ( x , y )

fracción peso en base libre de C ( x’, y’ )

fracción peso en base libre de B ( X , Y ).

Las composiciones pueden estar expresadas como:

X

Y

x

y

Para la interpolación de datos de equilibrio en losdiagramas triangulares, sea triángulo equilátero otriángulo rectángulo, debe trazarse una línea quecorrelacione las líneas de equilibrio, a la que sedenomina Línea de Conjugadas.

INTERPOLACIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO

En el diagrama triangular

Para trazar la línea de conjugadas se conocenlos métodos de Alders y de Sherwood.

Método de Alders

C

A B

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R

E

C

A B

C

A B

Método de Sherwood

E

R

C

A B

A B

C

A B

C

A B

C

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A B

C

Diagrama de Janecke

N

Y

X

X, Y

E’

R’

Diagrama de Janecke

N

Y

X

X, Y

E’

R’