INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS DE SEPARACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD 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
OPERACIONES UNITARIAS 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:
EQUILIBRIO Y FUERZAS IMPULSORAS 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.
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
OPERACIONES CON TRANSFERENCIA DE MASA 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). 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.
IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN EN LA INDUSTRIA QUÍMICA Aire Limpio
Separación Impurezas
Materias Primas
Separación
Efluente gaseoso Reacción
Subproductos
Separación Efluente líquido
Separación
Agua limpia
Reciclado de contaminantes
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 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.
CARACTERÍSTICAS PROCESOS DE SEPARACIÓN 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
CLASIFICACIÓN PROCESOS DE SEPARACIÓN MECÁNICAS DIFUSIONALES Centrífuga Ciclón Decantador HETEROGÉNEASS Separador electrostático Separador de No Equilibrio emulsiones Filtración Flotación Membranas No Membranas Magnéticas Ultrafiltración Adsorción cinética Sedimentación Electrodiálisis Pervaporación Ósmosis inversa Permeación de gases Cromatografía Afinidad Capilaridad LLC GSC CGS HPLC
Gas-Sólido Adsorción Sublimación
Líquido-Sólido Adsorción Cristalización Fusión zonal Intercambio iónico Extracción S-L Lixiviacion (Lavado) Secado de sólidos
Equilibrio
Gas-Líquido Absorción/desor ción Destilación Azeotrópica Extractiva Flash Reactiva Vapor Vacío
HOMOGÉNEAS Espectrómetro de masas Difusión gaseosa Difusión térmica Ultracentrifugación Electroforésis
Líquido-Líquido Extracción
Tres Fases
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.
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
