INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS DE SEPARACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA...
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INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS DE SEPARACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
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INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS DE SEPARACIÓN EN
INGENIERÍA QUÍMICA
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICAUNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
OPERACIONES UNITARIAS
Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto fue introducido en
1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology (M.I.T.):
“... todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie
ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado,
cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc. El número de estas operaciones
básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en
un proceso determinado.”
Con esta simplificación se ha reducido la complejidad del estudio de los procesos
industriales, pues del conjunto de todos los procesos químicos que pueden imaginarse
bastará con estudiar el grupo de las 25 ó 30 operaciones unitarias existentes. Un proceso
determinado será, por tanto, la combinación de operaciones unitarias.
De acuerdo con el criterio de cuál es la transferencia más
relevante, las operaciones unitarias se clasifican en:
• operaciones de transferencia de materia
• operaciones de transmisión de energía
• operaciones de transmisión simultánea de materia y
energía
• operaciones de transporte de cantidad de movimiento
En cada proceso / operación unitaria se cambian las condiciones de una
determinada cantidad de materia de una o más de las siguientes formas:
Modificando su masa o composición: transferencia de masa
Modificando el nivel o calidad de la energía que posee: transferencia de calor
Modificando sus condiciones de movimiento: transferencia de cantidad de
movimiento
Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un gradiente en alguna
propiedad, que da cuenta del mecanismo principal de transferencia:
OPERACIONES UNITARIAS
Un aspecto común a todas las operaciones unitarias es el concepto de fuerza
impulsora, causante de que una transferencia de propiedad se produzca o cese.
Cuando la fuerza impulsora es nula, el sistema se encuentra en un estado tal que no
puede experimentar ningún cambio de forma espontánea. Se dice que el sistema está
en equilibrio. Las diferencias entre la condición real del sistema y la de equilibrio
determinan las fuerzas impulsoras de los distintos fenómenos de transporte, que
transcurren con velocidades proporcionales a las mismas, e inversamente
proporcionales a las resistencias que opone el sistema.
EQUILIBRIO Y FUERZAS
IMPULSORAS
OPERACIONES UNITARIAS
CONTROLADAS POR LA
TRANSFERENCIA DE MASA
OPERACIONES UNITARIAS
CONTROLADAS POR LA
TRANSFERENCIA DE CALOR
OPERACIONES UNITARIAS
CONTROLADAS POR
TRANSPORTE DE CANTIDAD DE
MOVIMIENTO
OPERACIONES FÍSICAS
COMPLEMENTARIAS
Las operaciones con transferencia de masa (procesos de separación) se refieren a
todas aquellas actividades que buscan separar y clasificar las diferentes sustancias
que constituyen un flujo de alimentación o materia prima, utilizado en un proceso
industrial o de laboratorio, para obtener productos distintivos. Estos procesos se
realizan en equipos integrados que trabajan como unidades propias.
Las operaciones unitarias relacionadas con los procesos de separación se basan en el
principio de diferencias de concentraciones y la propiedad de las sustancias conocida
como difusividad molecular (tendencia a difundirse en un medio).
OPERACIONES CON TRANSFERENCIA DE MASA
Los procesos de separación se basan en la transferencia de materia entre fases
debido a que implican la creación, mediante la adición de calor, como ocurre en
destilación o de un agente material, como en absorción o extracción, de una
segunda fase, y la subsiguiente separación selectiva de componentes químicos de la
mezcla monofásica original por transferencia hacia la nueva fase creada.
Reciclado de contaminantesMaterias
Primas
Efluente líquido
SeparaciónSeparación Reacción
SubproductosEfluente
gaseoso
Impurezas
Separación
Separación
Aire Limpio
Agua limpia
IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN
EN LA INDUSTRIA QUÍMICA
La separación de mezclas en componentes esencialmente puros es de capital
importancia en la fabricación de productos químicos. La mayor parte del equipo de una
planta química típica tiene como fin la purificación de materias primas, productos
intermedios y productos finales, mediante las operaciones de transferencia de materia
en múltiple fase
IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN
EN LA INDUSTRIA QUÍMICA
Tales operaciones se utilizan no sólo para separar mezclas de alimentación en sus
componentes sino también, cuando se usan en conjunción con reactores químicos,
para purificar la alimentación del reactor, para recuperar reactantes que salen del
reactor para su recirculación, para recuperar subproductos, así como recuperar y
purificar productos con el fin de que cumplan ciertas especificaciones.
Objetivo: Concentrar/Purificar/Fraccionar
Fases presentes: Homogéneas/Heterogéneas
Agente de separación: Material/Energético/Barrera
Modo de operación: Continuo/Semicontinuo/Batch
Contacto entre fases: Contracorriente/Paralelo/Flujo cruzado
Etapas discretas/Contacto continuo
Control: Equilibrio/Cinético
CARACTERÍSTICAS PROCESOS DE
SEPARACIÓN
Gas-Líquido
Absorción/desor
ción
Destilación
Azeotrópica
Extractiva
Flash
Reactiva
Vapor
Vacío
MECÁNICAS
Centrífuga
Ciclón
Decantador
Separador electrostático
Separador de
emulsiones
Filtración
Flotación
Magnéticas
Sedimentación
DIFUSIONALES
HETEROGÉNEASS HOMOGÉNEAS
Espectrómetro de masas
Difusión gaseosa
Difusión térmica
Ultracentrifugación
Electroforésis
No Equilibrio Equilibrio
Membranas
Ultrafiltración
Electrodiálisis
Pervaporación
Ósmosis inversa
Permeación de gases
No Membranas
Adsorción cinética
Cromatografía
Afinidad
Capilaridad
LLC
GSC
CGS
HPLC
Líquido-Sólido
Adsorción
Cristalización
Fusión zonal
Intercambio iónico
Extracción S-L
Lixiviacion (Lavado)
Secado de sólidos
Líquido-Líquido
ExtracciónTres
Fases
Gas-Sólido
Adsorción
Sublimación
CLASIFICACIÓN PROCESOS DE SEPARACIÓN
Por su importancia desde el punto de vista de la Industria Química, el
orden sería el siguiente:
Destilación.
Absorción.
Extracción.
Lixiviación.
Adsorción.
Operaciones de interacción aire-agua.
Secado.
Cristalización.
Evaporación.
PROCESOS DE SEPARACIÓN
Cuando la mezcla a separar comprende especies que difieren ampliamente en su
tendencia a vaporizar y condensar, las operaciones de vaporización de flash o de
condensación parcial, pueden resultar adecuadas para alcanzar la separación
deseada. En la primera de estas operaciones la alimentación líquida se vaporiza
parcialmente por reducción de la presión (p. e., con una válvula), mientras que en
la segunda la alimentación de vapor se condensa parcialmente retirando calor. En
ambas operaciones, después de producirse la distribución de las especies a causa de
la transferencia de materia de interfase, la fase de vapor se enriquece con respecto
a las especies que son más volátiles, mientras que la fase líquida se enriquece en
las especies menos volátiles. Después de este contacto simple, las dos fases, que
tienen diferente densidad, se separan generalmente por gravedad.
Método industrial de separación más utilizado. La destilación consta de múltiples
contactos entre las fases de líquido y vapor. Cada contacto consiste en la mezcla de
dos fases para producir la distribución de las especies, seguida de la separación de
las fases. Los contactos se realizan frecuentemente sobre platos horizontales
(generalmente llamados etapas) dispuestos en una columna vertical. A medida que
el vapor avanza hacia la cabeza de la columna se enriquece progresivamente en las
especies más volátiles. La alimentación de la columna de destilación entra en un
plato intermedio entre el plato superior y el plato inferior; la parte de la columna
situada por encima de la alimentación es la sección de enriquecimiento y la
situada por debajo es la sección de agotamiento.
Cuanto mayor sea la diferencia de
volatilidades entre los
componentes de la mezcla, mayor
será la diferencia entre la
composición del líquido y del
vapor que se generan. Así, la
mezcla líquida a su punto de
ebullición desprenderá vapores
más ricos en componentes
volátiles. Los vapores se
condensarán aparte constituyendo
el destilado.
La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste
en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados
componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser
física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o
reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.
La desabsorción (stripping) es la operación unitaria contraria a la absorción. En
ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte siendo
eliminado del líquido.
Para la absorción, pueden utilizarse los mismos tipos de aparatos descritos en
la destilación, pues las fases en contacto serán también un líquido y un gas. Se
usan normalmente columnas de platos –contacto discontinuo o por etapas– o
de relleno –contacto continuo–. Ambas utilizan la fuerza gravitatoria para la
circulación del líquido.
La fuerza impulsora actuante es la diferencia entre la presión parcial en el gas
del componente que se transfiere y la presión parcial que tendría el
componente en un gas que estuviera en equilibrio con el líquido del punto
considerado. 0 bien, observando el fenómeno en la fase líquida, la fuerza
impulsora es la diferencia entre la concentración del soluto en el líquido y la
concentración que estaría en equilibrio con el gas del punto considerado.
Como aplicaciones de la absorción pueden citarse la eliminación de gases
ácidos (H2S, CO2, SO2) de los gases de chimenea mediante distintas corrientes
(agua a presión, solución de NaOH, o soluciones de etanolaminas), la
separación de hidrocarburos aromáticos (benceno, tolueno y xileno) de los
gases de coquería mediante aceites minerales.
H2S puro
Sistema de eliminación de H2S de un gas por absorción con
reacción química con solución de monoetanolamina (M.E.A.) y posterior
desabsorción con vapor.
La extracción es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la
disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (líquida o que
formen parte de un sólido) en un disolvente selectivo. Aprovecha, por tanto, la
diferencia de solubilidades de los componentes de la mezcla en el disolvente
añadido. Se hace la distinción entre la extracción líquido-líquido y la extracción
sólido-líquido (llamada también lixiviación) según que la materia a extraer esté
en un líquido o en un sólido respectivamente.
Un problema importante lo constituye la selección del disolvente extractor. Para
realizar una extracción líquido-líquido el disolvente elegido debe ser parcial o
totalmente inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto.
La extracción líquido-líquido puede presentar ventajas sobre efectuar una
separación por destilación: las instalaciones son más sencillas, hay la
posibilidad de separar componentes sensibles al calor sin necesidad de realizar
una destilación a vacío y la selectividad del disolvente para componentes de
naturaleza química similar permite separaciones de grupos de componentes
imposibles de lograr basándose sólo en el punto de ebullición.
En la extracción sólido-líquido se acostumbra a trabajar por cargas o en semicontinuo por
la dificultad de manipulación del sólido que hay que someter a extracción. Uno de los
extractores sólido-líquido más usados a escala de laboratorio es el extractor Soxhlet . El
disolvente extractor hierve en la caldera y, después de condensarse con agua fría, cae
sobre el recipiente que contiene el sólido con el soluto a extraer. Se realiza la extracción
y, a través de un sifón, sale del recipiente el disolvente con el soluto extraído. La mezcla
se devuelve a la caldera, donde se va concentrando el soluto a medida que se repite el
ciclo.
Adsorción: esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de una
mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie de un
sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la absorción
donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido aquí los
componentes se incorporan solamente a la superficie de la fase receptora.
La adsorción consiste en la eliminación de algunos componentes de una fase fluida
mediante un sólido que lo retiene. Es un fenómeno de superficie: las moléculas,
átomos o iones adsorbidos están confinados en la superficie de los poros del sólido,
unidos por fuerzas de Van der Waals, o por verdaderos enlaces químicos. En este
último caso se habla de quimisorción. Solamente los sólidos que posean una
superficie específica elevada serán adsorbentes de interés: carbón activo, gel de
sílice, alúmina activada, zeolitas, etc.
La adsorción se aplica industrialmente en muchos casos: para secar corrientes de
gas por adsorción de su humedad sobre lecho de gel de sílice, para eliminar olores
de una corriente por adsorción sobre el carbón activo, para decolorar líquidos
recuperar disolventes del aire ambiente evitando la contaminación por vapores
orgánicos.
Intercambio iónico: Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del líquido al
sólido son especies iónicas en la fase líquida.
Cristalización: aquí se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a
una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la temperatura y/o en
la concentración.
Secado: en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por
vaporización.
Evaporación: Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por
ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta
concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación es
que sólo hay un componente volátil.
La condensación es la operación inversa a la evaporación, por la que un vapor
pasa a estado líquido al intercambiar calor con un líquido frío. No se puede
considerar una operación de separación aunque tiene gran interés en la
industria
