ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION Ing. Andrés Caminos ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III LA INGENIERIA QUIMICA La ingeniería química es una rama de la ingeniería, que se encarga del diseño, mantenimiento, evaluación, optimización, simulación, planificación, construcción y operación de todo tipo de elementos en la industria de procesos, que es aquella relacionada con la producción de compuestos y productos cuya elaboración tiene posteriormente aplicaciones industriales, sociales y otras. La ingeniería química también se enfoca en el diseño de nuevos materiales y tecnologías, y es una forma importante de investigación y de desarrollo. Además es líder en el campo ambiental, ya que contribuye al diseño de procesos ambientalmente amigables y procesos para la descontaminación del ambiente. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III LA INGENIERIA QUIMICA La ingeniería química se fundamenta en las ciencias básicas como matemática (álgebra lineal o superior, cálculo, ecuaciones diferenciales, métodos numéricos, matemática avanzada), las ciencias básicas de la ingeniería química (termodinámica, fenómenos de transporte, cinética química), y disciplinas aplicadas tales como ingeniería de procesos, diseño de reactores, diseño de equipos para procesos de reactores químicos, y procesos de separación. También se van incorporando elementos de ciencias ambientales, biotecnología , ingeniería de alimentos e ingeniería de materiales. Además debe comprender también la valuación de proyectos de inversión, los servicios auxiliares, el control automático y otras yerbas. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION El ingeniero químico encargado del problema de separar los componentes de una solución, generalmente tiene que escoger entre varios métodos posibles. Aun cuando la elección está usualmente limitada por las características físicas peculiares de los materiales con los que va a trabajar, casi siempre existe la necesidad de tomar una decisión acerca de los procesos a definir y usar. Por supuesto, no existen bases para tomar una decisión de este tipo, mientras no se hayan entendido claramente las diversas operaciones; sin embargo, al menos se puede establecer inicialmente la naturaleza de las alternativas. Algunas veces se puede escoger entre utilizar una operación de transferencia de masa del tipo tratado en este curso o un método de separación puramente mecánico. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION Por ejemplo, en la separación de un metal valioso de su mineral, existe la posibilidad de utilizar la operación de transferencia de masa, que se realiza por la lixiviación con un disolvente o por los métodos puramente mecánicos de flotación, en el caso de limpieza de carbón de mina. Los aceites vegetales pueden separarse de las semillas en las cuales se encuentran por extrusión o prensado, o por lixiviación con un disolvente. Un vapor puede eliminarse de una mezcla con un gas incondensable, por la operación mecánica de compresión y condensación o por las operaciones de transferencia de masa de absorción o adsorción de gases. Una mezcla de gases de petróleo puede separarse por turboexpander o procesos de absorción. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION Algunas veces se utilizan tanto las operaciones mecánicas como las de transferencia de masa, especialmente cuando las primeras no son totales, como en el proceso de recuperación de aceites vegetales, en donde a la extrusión sigue la lixiviación o la extracción con solvente. Un ejemplo más común es el exprimido o centrifugado de la ropa húmeda seguido del secado al aire. La característica de los métodos mecánicos es que al final de la operación, la sustancia eliminada está casi pura, mientras que si se elimina por métodos de difusión se encuentra asociada con otra sustancia, que puede necesitar una operación posterior para obtenerla pura. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION Con frecuencia, también se puede escoger entre una operación pura de transferencia de masa y una reacción química, o una combinación de las dos. Por ejemplo, el agua puede eliminarse de una solución etanol-agua, haciéndola reaccionar con cal viva o por métodos especiales de destilación azeotrópica. El sulfuro de hidrógeno contenido en el petróleo, a la salida de pozo, puede separarse de otros gases por absorción en un disolvente líquido sin utilizar una reacción química, o por reacción química con óxido férrico. Los métodos químicos generalmente destruyen la sustancia eliminada, mientras que los métodos de transferencia de masa generalmente permiten recuperarla íntegra sin mucha dificultad. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION Es posible que también se tenga que elegir entre las operaciones de transferencia de masa. Por ejemplo, puede separarse una mezcla gaseosa de oxígeno y nitrógeno mediante adsorción preferencial del oxígeno sobre carbón activado; por absorción con un liquido, por destilación o por efusión gaseosa ( un gas que está bajo presión escapa de un recipiente hacia el exterior por medio de una abertura). Una solución líquida de ácido acético en agua puede separarse por destilación, por extracción líquida con un disolvente adecuado o por absorción con un adsorbente adecuado. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION En cualquier caso, la base principal para la elección es el costo: el método que resulta más barato es el que generalmente se utiliza. Recuerde las tres B (BBB). Sin embargo, en algunas ocasiones existen otros factores que también influyen sobre la decisión. Aun cuando la operación más sencilla no sea la más barata, algunas veces es preferible otra operación más cara para evitar problemas. Otras veces es posible descartar un método debido a que no pueden garantizarse sus resultados: no se sabe lo suficiente acerca de los métodos de diseño o no se tienen los datos para realizarlo. Se deben tener presentes las experiencias previas que hayan sido favorables. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III MÉTODOS DE REALIZACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA Nuestro método para trabajar con estas operaciones depende de ciertas características de las mismas; además, la descripción del método se da en términos que necesitan ser definidos previamente. Podemos distinguir: 1) Recuperación del soluto y separación fraccionada 2) Operaciones en estado no estacionario 3) Operación en estado estacionario 4) Operación por etapas 5) Operaciones en contacto continuo (contacto diferencial) ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA Si los componentes de una solución corresponden a grupos fisicoquímicos distintos, con propiedades termodinámicas muy diferentes, de tal manera que parezca que un grupo de componentes contiene al disolvente y el otro al soluto, entonces la separación de acuerdo con estos dos grupos, por lo general es relativamente sencilla: se reduce a una operación de recuperación del soluto o de eliminación del soluto. Por ejemplo, sea una mezcla gaseosa de metano, pentano y hexano: puede considerarse que en ella el metano es el disolvente y que el soluto está formado por el pentano y el hexano; en este caso, el disolvente y el soluto son lo suficientemente distintos, al menos en una propiedad, su presión de vapor y podrían ser separados por varios métodos. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA Una sencilla operación de absorción de gases, en que la mezcla se lave con un aceite hidrocarbonado no volátil, dará con facilidad una nueva solución de pentano y hexano en el aceite, esencialmente libre de metano; a la inversa, el metano residual se encontrará básicamente libre de pentano y hexano. Por otra parte, no es tan sencillo clasificar y separar una solución formada por pentano y hexano, por la cercanía de sus puntos de ebullición. Aun cuando las propiedades de los componentes son distintas, las diferencias son pequeñas, y para separar los componentes de modo que queden relativamente puros se necesita utilizar una técnica diferente. Este tipo de separaciones se conoce como separación fraccionada y en este caso se puede usar la destilación fraccionada. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA El que se escoja un procedimiento de separación fraccionada o de recuperación del soluto depende de la propiedad que se quiera explotar. Por ejemplo, para separar del agua a una mezcla de propanol y butanol, por medio de un método de contacto gas-líquido -el cual depende de las presiones de vapor-, se necesita realizar una separación fraccionada (destilación fraccionada); debido a que las presiones de vapor de los componentes no son muy diferentes. Sin embargo, se puede llevar a cabo una separación completa de los alcoholes propanol y butanol combinados y del agua, por medio de una extracción líquida de la solución con un hidrocarburo, extracción que se efectuará con los métodos de recuperación del soluto, puesto que son muy diferentes la solubilidad de los alcoholes como grupo y la baja solubilidad del agua en hidrocarburos. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA Una destilación fraccionada es una separación sucesiva de los líquidos de una mezcla aprovechando la diferencia entre sus puntos de ebullición. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 2) OPERACIONES EN ESTADO NO ESTACIONARIO La característica de la operación en estado no estacionario es que las concentraciones en cualquier punto del aparato cambian con el tiempo. Esto puede deberse a cambios en las concentraciones de los materiales alimentados, velocidades de flujo o condiciones de temperatura o presión. En cualquier caso, las operaciones por lotes o batch siempre son del tipo de estado no estacionario. En las operaciones por lotes, todas las fases son estacionarias, si se observan desde el exterior del aparato; esto es, no hay flujo hacia dentro o hacia fuera, aun cuando puede existir un movimiento relativo en la parte interior. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 2) OPERACIONES EN ESTADO NO ESTACIONARIO Un ejemplo de esto es la conocida operación de laboratorio que consiste en agitar una solución con un solvente no miscible. En las operaciones por semi lotes, una fase permanece estacionaria mientras que la otra fluye continuamente en y fuera del aparato. Como ejemplo se puede citar el caso de un secador industrial, en donde cierta cantidad de sólido húmedo se está poniendo continuamente en contacto con el aire que puede circular de manera natural o forzada, el cual acarrea la humedad en forma de vapor hasta que el sólido está seco. El aire es quien se mueve o circula sobre la superficie del sólido. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 2) OPERACIÓN ES ESTADO ESTACIONARIO La característica de la operación en estado estacionario es que las concentraciones en cualquier punto del aparato permanecen constantes con el paso del tiempo. Esto requiere del flujo continuo e invariable de todas las fases hacia y fuera del aparato, una persistencia del régimen de flujo dentro del aparato (laminar o turbulento), concentraciones constantes de las corrientes alimentadoras y las mismas condiciones de temperatura y presión. En la industria de procesos, la gran mayoría de los mismos se consideran con flujos en estado estacionario. Ejemplo una destilería, una refinería, una petroquímica, etc. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 4) OPERACIÓN POR ETAPAS Si inicialmente se permite que dos fases insolubles entren en contacto de tal forma que las diferentes sustancias por difundirse se distribuyan por sí mismas entre las fases y que después se separen las fases mecánicamente, a toda la operación y al equipo requerido para realizarla se les considera como una etapa. Ejemplo de lo anterior es la extracción por lotes en un embudo de separación. La operación puede realizarse en forma continua (estado estacionario) o por lotes (estado no estacionario). Un ejemplo puede ser dejar en contacto y reposo una mezcla de aceite y vinagre y al cabo de un tiempo, se habrán separado en dos fases inmiscibles. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 4) OPERACIÓN POR ETAPAS En separaciones que requieren grandes cambios de concentración, se pueden organizar una serie de etapas de tal forma que las fases fluyan de una a otra etapa; ejemplo: el flujo a contracorriente. Un arreglo de este tipo se conoce como una cascada. Con el fin de establecer un estándar para la medición del funcionamiento, el estado ideal o teórico se define como aquel estado en donde las fases efluentes están en equilibrio, de tal forma que tampoco habrá cambios adicionales en la composición si se permite mayor tiempo de contacto. La aproximación al equilibrio realizada en cada etapa se define como la eficiencia de la etapa. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 5) OPERACIONES EN CONTACTO CONTINUO (CONTACTO DIFERENCIAL) En este caso, las fases fluyen a través del equipo, de principio a fin, en contacto íntimo y continuo y sin separaciones físicas repetidas ni nuevos contactos. La naturaleza del método exige que la operación sea semicontinua o en estado estacionario; el cambio resultante en las composiciones puede ser equivalente al dado por una fracción de una etapa ideal o por varias etapas. El equilibrio entre las dos fases en cualquier posición del equipo, nunca se establece; más aún, si se alcanzase el equilibrio en cualquier parte del sistema, el resultado sería equivalente al efecto que tendría un número infinito de etapas. Ejemplo, la separación en torres rellenas o empacadas, aplicables a absorción, destilación o extracción. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 5) OPERACIONES EN CONTACTO CONTINUO (CONTACTO DIFERENCIAL) Es posible resumir la diferencia principal entre la operación por etapas y la de contacto continuo. En el caso de la operación por etapas se permite que el flujo difusivo de la materia entre las fases reduzca la diferencia de concentración que causa el flujo. Si se le permite continuar el tiempo suficiente, se establece un equilibrio, después del cual no habrá más flujo. Así, la velocidad de difusión y el tiempo determinan la eficiencia de la etapa lograda en cualquier situación particular. Por otra parte, en el caso de la operación de contacto continuo, el alejamiento del equilibrio se mantiene deliberadamente; por ello, el flujo difusivo entre las fases puede continuar sin interrupción. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III 5) OPERACIONES EN CONTACTO CONTINUO (CONTACTO DIFERENCIAL) La elección del método por utilizar depende en cierta medida de la eficiencia de la etapa que puede obtenerse prácticamente. Una eficiencia de etapa elevada representará una planta relativamente barata, cuyo funcionamiento puede predecirse con cierta exactitud y seria conveniente utilizar los procesos de separación por etapas. Una eficiencia de etapa baja, por otra parte, haría preferibles a los métodos de contacto continuo, debido al costo y a la certidumbre. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III FUNDAMENTOS DEL DISEÑO Hay cuatro factores principales que se deben establecer en el diseño de cualquier planta que trabaje con operaciones de difusión: 1) El número de etapas en el equilibrio o su equivalente, 2) El tiempo de contacto requerido entre las fases, 3) La velocidad de flujo permisible y 4) La energía requerida para llevar a cabo la operación. El mas importante de todos es: ¿Cuánto dinero tiene disponible? ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III FUNDAMENTOS DEL DISEÑO 1) NÚMERO DE ETAPAS EN EL EQUILIBRIO Con el fin de determinar el número de etapas en el equilibrio que se requieren en una cascada para obtener el grado deseado de separación, o para determinar la cantidad equivalente en un aparato de contacto continuo, se necesitan las características de equilibrio para el sistema y los cálculos de balance de materia. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III FUNDAMENTOS DEL DISEÑO 2) TIEMPO REQUERIDO PARA LLEVAR A CABO LA OPERACIÓN En las operaciones por etapas, el tiempo de contacto está íntimamente relacionado con la eficiencia de la etapa, mientras que en el equipo para contacto continuo el tiempo determina el volumen o longitud del aparato necesario. Son varios los factores que ayudan a establecer el tiempo. El balance de materia permite calcular las cantidades relativas que se necesitan de las diferentes fases. Las características de equilibrio del sistema establecen las concentraciones posibles y la velocidad de transferencia del material entre las fases depende de la desviación del equilibrio que se mantenga. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III FUNDAMENTOS DEL DISEÑO 3) RAPIDEZ DE FLUJO PERMISIBLE Debe tomarse en cuenta este factor en las operaciones semicontínuas y en estado estacionario, porque permite determinar en ellas el área transversal del equipo (el tiempo de contacto ayuda a determinar la altura del equipo). La consideración de la dinámica del fluido establece la rapidez o velocidad de flujo permisible, y el balance de materia determina la cantidad absoluta requerida de cada uno de los flujos. Entre ambos (velocidad de flujos y tiempo de contacto) se determinan las dimensiones del equipo (área transversal y altura) ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III FUNDAMENTOS DEL DISEÑO 4) ENERGÍA REQUERIDA PARA LLEVAR A CABO LA OPERACIÓN Generalmente se necesita utilizar energía calorífica y mecánica para llevar a cabo las operaciones de difusión. El calor es necesario para producir cualquier cambio de temperatura, para la formación de nuevas fases (como la evaporación de un fluido, en la destilación) y para evitar el efecto del calor de solución (enfriamiento). La energía mecánica se necesita para el transporte de fluidos y sólidos, para dispersar líquidos y gases y para mover ciertas partes de la maquinaria. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III FUNDAMENTOS DEL DISEÑO En consecuencia, en el diseño final se habrán de considerar las características de equilibrio del sistema, balance de materia, velocidad de difusión, dinámica de fluidos y la energía requerida para realizar la operación. A continuación se exponen inicialmente (primera parte) las bases para la velocidad de difusión, que se aplicarán posteriormente a operaciones específicas. A su vez, las operaciones principales se subdividen en tres categorías, según la naturaleza de las fases insolubles en contacto: gas-liquido (primera parte); liquido-liquido (segunda) y sólido-liquido (tercera parte). El equilibrio y la dinámica de los sistemas se estudian más fácilmente agrupados de esta forma. ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES FPS = Foot – Pound - Second ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III ING. ANDRES CAMINOS OPERACIONES UNITARIAS III
