Operaciones unitarias mixtas de Química

OPERACIONES BÁSICAS MIXTAS: acondicionamientos de gases, cristalización, secado y
liofilización.
Las operaciones unitarias mixtas son aquellas en las que se da simultáneamente una transferencia de calor y
materia por contacto directo entre fases. Hay simultáneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pueden
ir en el mismo sentido o incluso en sentidos opuestos. Son operaciones generalmente de separación en las que
hay siempre dos fases en íntimo contacto, y a través de la interfase separadora se producen los fenómenos de
transporte mencionados.
Acondicionamiento de gases
• Fases presentes: liquido − gas
• Definición: Operación unitaria para modificar las condiciones de humedad y temperatura de una
corriente de aire por interacción con una corriente de agua.
• Tipos:
♦
Humidificación del aire: se consigue al poner en contacto el aire no saturado (es decir, aquel
gas en el que la presión parcial del vapor de liquido no es igual a la presión de vapor de dicho
liquido a la temperatura del gas) con agua, a unas temperaturas tales que el aire aumenta su
contenido de humedad. Por lo tanto vemos como hay transferencia de materia y transmisión
de calor, ya que introdujimos liquido caliente y gas seco, y hemos obtenido líquido frío y gas
humedo.
• Deshumidificación: se pone en contacto aire húmedo con un líquido más frío, de modo que la
temperatura del gas disminuye por debajo de su punto de rocío y condensa agua. El proceso es igual
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que el de la humidificación pero a la inversa.
• Enfriamiento: agua caliente se pone en contacto con un gas más frío no saturado. El caudal de la
corriente de agua se reduce aproximadamente en un 10 % por la evaporación del agua. Su objetivo es
enfriar el agua y no aumentar el contenido de vapor de agua en el aire como ocurre en la
humidificación.
•
DISPOSITIVOS: Torres de enfriamiento: Equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes
porque, son el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento
como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared.
En el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de
contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.
cristalización
• FASES PRESENTES: sólido − líquido.
• DEFINICIÓN: formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una base homogénea.
• ETAPAS:
• Nucleación: formación, a partir de los iones o las moléculas de soluto, de núcleos cristalinos de
tamaño suficiente para mantenerse en la solución sin solubilizarse.
♦ Crecimiento: aumento de tamaño de los núcleos cristalinos por adición de nuevos iones o
moléculas.
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La fuerza impulsora en ambas etapas es la sobresaturación y la posible diferencia de temperatura entre el
cristal y el líquido originada por el cambio de fases.
• ZONAS QUE SE PUEDEN OBSERVAR:
♦ Región no saturada: concentraciones bajas.
♦ Región metaestable: tras pasar la curva de la solubilidad al aumentar la concentración. Los
cristales formados crecen pero no se crean. Se debe trabajar en esta zona.
♦ Región labil: tras pasar la curva de la sobresaturación.
• DISPOSITIVOS:
• Cristalizadores de tanque: en los que la cristalización se produce por enfriamiento sin evaporación
apreciable. Se emplean cuando la solubilidad varía mucho con la temperatura.
• Cristalizadores−evaporadores: la sobresaturación se consigue por evaporación (concentración) sin que
se modifique la temperatura, es decir evaporación pero sin enfriamiento apreciable.
• Cristalizadores de vacío: se combina la evaporación con el enfriamiento adiabático Se utilizan cuando
se quiere operar con rapidez, como en los anteriores, pero a baja temperatura.
SECADO
• DEFINICIÓN: Disminución del agua libre o humedad libre del sólido (diferencia entre el contenido
total de agua del sólido y el contenido de agua de agua en equilibrio, dadas una temperatura y
humedad relativa ambiental).
• Agua ligada: cantidad de agua inferior al valor de equilibrio a una humedad relativa del aire del 100%
• Agua no ligada: cantidad de agua superior al valor de equilibrio citado.
• REPRESENTACIÓN GRÁFICA: velocidad de secado de un sólido en condiciones constantes (de
temperatura, humedad ambiental y velocidad del aire) en función de la humedad libre del sólido, se
observa dos períodos:
♦ Período constante: el agua del sólido forma una película continua sobre la superficie del
sólido, de tal forma que es como si el sólido no existiera (análogo a la humidificación).
♦ Período decreciente: el agua contenida por el sólido no es capaz de formar esta película
(punto crítico); a partir de este momento la velocidad de secado es función de la humedad
libre.
• DISPOSITIVOS: Secaderos:
• Contacto directo: pone en contacto el sólido húmedo pulverulento con una corriente de aire caliente
no saturado.
• Contacto indirecto: el secado se produce sin contacto de la fuente de calor con el sólido
Los secaderos comerciales más comunes son:
• Secaderos de bandeja: el sólido se deposita en capas de poca profundidad, y el aire caliente circula por
la superficie o a través del sólido.
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• Secaderos rotativos: el sólido desciende a lo largo de un cilindro rotatorio inclinado hacia la salida,
secándose por acción del aire caliente que circula en contracorriente.
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•
Secaderos de evaporación súbita o atomizadores: el sólido húmedo se encuentra en suspensión en una
corriente gaseosa caliente, en un dispositivo tipo ciclón. El agua del sólido se vaporiza bruscamente,
obteniéndose un sólido muy poroso.
• Secaderos de cinta transportadora perforada: el material a secar se transporta lentamente sobre una
tela metálica a través de un largo túnel o cámara de secado. Dicha cámara está formada por distintas
secciones, cada una de ellas con su propio ventilador y calentador de aire. En el extremo de entrada
del sólido el flujo de aire es de abajo hacia arriba, mientras que en la salida es de arriba hacia abajo,
para que no se formen polvos.
LIOFILIZACIÓN
• DEFINICIÓN: eliminación del agua de un sólido por sublimación de la misma. Debe trabajarse, por
tanto, por debajo del punto triple del agua (273,16 K y 6,105 kPa).
• FUNCIONAMIENTO: el calor de sublimación es suministrado por conducción o radiación con placas
planas calientes situadas entre las bandejas que contienen el material a liofilizar. El vapor de agua se
hace condensar gracias a un refrigerante.
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•
USOS: conservación de plasma sanguíneo y productos alimenticios: detiene el crecimiento de
microorganismos (hongos, moho, etc.), inhibe el deterioro por reacción química (cambio de color y
sabor, ranciedad, pérdida de propiedades fisiológicas, etc.), y facilita la distribución y el
almacenamiento. Para el caso de los alimentos, la liofilización tiene otras dos virtudes: el producto
tratado no cambia de forma y es fácilmente re−hidratable.
OPERACIONES BÁSICAS MIXTAS
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