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OPERACIONES UNITARIAS II. UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN. GENERALIDADES. Los procesos de separación son de gran importancia en la industria química, petroquímica, de refinación, de los alimentos, de los polímeros, de la energía, etc. En ellos se obtienen productos mediante concentración, fraccionamiento y/o purificación a las composiciones requeridas y a precios razonables. Frecuentemente en la industria es necesario separar los componentes de una mezcla en fracciones individuales. Las fracciones pueden diferenciarse entre sí por su estado, por su composición química o por el tamaño de las partículas. Así, un producto bruto puede purificarse por eliminación de las impurezas que lo contaminan, una mezcla de dos o más componentes puede separarse en los componentes puros individuales, la corriente que sale de un proceso puede contener una mezcla del producto y de material no convertido, y es preciso separar y recircular la parte no convertida a la zona de reacción para su conversión a producto; también una sustancia valiosa, tal como un material metálico, disperso en un material inerte, es preciso liberarlo con el fin de proceder a su beneficio y desechar el material inerte. (depa.fquim.unam.mx.pdf). Desde el punto de vista de la Ingeniería Química la materia puede ser sometida a dos tipos de procesos industriales básicos, separación y transformación. Los 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, utilizando un proceso industrial o de laboratorio para obtener productos específicos y de mayor valor agregado. Los procesos de transformación se refieren a aquellos procedimientos y actividades que modifican la materia desde su sustancia, es decir se obtienen nuevas sustancias completamente diferentes de la que la origina. Estas operaciones se realizan a través de las reacciones químicas, el manejo y control de la cinética de la reacción. Los equipos utilizados son los reactores químicos. En los procesos industriales por lo general es necesaria una combinación de los procesos de transformación y los de separación para la obtención de productos deseables, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Arquitectura conceptual de un proceso químico. Fuente: Aguilar R., E., 2007. En la figura 1 se observa, un primer bloque donde se acondiciona la materia prima con la finalidad de hacer más eficiente el proceso de reacción que le sigue. Es decir, limitar

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el contenido de algún componente que pudiera inhibir el comportamiento del catalizador en una reacción o por el contrario, se requiere agregar algún compuesto que promueva o inhiba algunas de las reacciones presentes en el proceso, también en este bloque, las materias primas se llevan a las condiciones termodinámicas (presión, temperatura, fase) que más se ajusten a las necesidades de reacción. El segundo bloque es el proceso de transformación química, conformado generalmente por un reactor químico acondicionado para llevar a cabo la transferencia de masa y energía asociadas, de la manera más eficiente posible. Debido a que ninguna reacción es totalmente selectiva hacia el producto que se desea en el proceso. El efluente del sistema de reacción estará constituido por: a) producto deseado, b) subproductos de la reacción, c) materias primas que no reaccionan, d) componentes inertes a la reacción. Lo anterior hace necesario un tercer bloque donde ocurre la separación de los productos contenidos en el efluente del reactor, obtener la cantidad y calidad de los productos de interés, principalmente el producto principal; algunos subproductos que tienen valor comercial y económico y aquellos subproductos que no tienen valor comercial alguno (productos residuales) que deben ser acondicionados para la preservación del ambiente. Las materias primas y algunos componentes inertes, ya aislados durante la etapa de separación de productos son generalmente reciclados para su reprocesamiento, lo cual da lugar a una cuarta etapa del proceso, conformada por la(s) corriente(s) de recirculación, que dependiendo de su cantidad y composición se integran al proceso en diferentes puntos. En todas las etapas del proceso se tienen presentes intercambios de energía con el exterior, con el fin de incorporar el potencial energético requerido para la preparación de la materias primas, la reacción, la separación de los productos y el reprocesamiento de las corrientes de recirculación se lleven a cabo apropiadamente. Con los procesos de separación se desea obtener cambios en la composición química o bien cambios físicos, en el material que se prepara, se procesa, se separa o se purifica. Para conseguir: 1.

Materiales puros para aplicaciones en Ingeniería (semiconductores)

2.

Materiales puros para su procesamiento

3.

Remover toxinas o compuestos inactivos de una solución

4.

Muestras de alta pureza como referencias

5.

Análisis de componentes de una mezcla (ADN)

6.

La separación de materia prima en sus componentes (petróleo)

Estos procesos se realizan en equipos especializados e interconectados que trabajan como unidades propias y con

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OPERACIONES UNITARIAS II. UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN. una función específica donde se consigue la separación o transformación de materiales utilizando principios científicos y técnicas de cálculos comunes, y es lo que define a las operaciones unitarias. Estas operaciones están fundamentadas en unos principios y leyes complementarias y utilizan unos instrumentos físicos – matemáticos, así como determinadas técnicas de cálculo que se mencionan a continuación: 1. Principios a. Leyes de Conservación o cambios de las propiedades extensivas •

Materia (Ley de Lavoisier)

•

Energía (Primera Ley de la Termodinámica)

•

Cantidad de Movimiento (Ley de Newton)

•

Entropía

b. Leyes de equilibrio de los sistemas físico-químicos (Segunda Ley de la Termodinámica) •

Leyes Cinéticas

•

Leyes económicas

•

Leyes ambientales

•

Leyes de seguridad e higiene, etc.

2. Complementarias a. Leyes estequiométricas b. Ecuaciones de estado P-V-T c. Instrumentos físicos-matemáticos d. Modelos físicos – matemáticos e. Sistemas de magnitudes y unidades f. Análisis dimensional g. Análisis de las variables de diseño en las operaciones, etc. 3. Técnicas de cálculo. a. Presentación de datos experimentales b. Ajuste y correlación de datos experimentales c. Métodos de resolución de ecuaciones y sistemas de ecuaciones d. Operaciones de cálculo tensorial, etc. El propósito de toda operación unitaria es modificar las condiciones de una cantidad de materia, en forma más útil a nuestros fines. Esto se logra: • •

Modificando su masa o su composición (mezcla o separación de fases) Modificando el nivel o la calidad de energía que posee (enfriamiento, vaporización)

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•

Modificando sus condiciones de movimiento (cambios en la dirección, aumento o disminución de la velocidad)

En todas las operaciones unitarias se transfieren simultáneamente: masa, energía y cantidad de movimiento. Sin embargo, estas operaciones no son controladas necesariamente por las tres transferencias, sino por una o a lo sumo dos transferencias, las más relevantes. Esta transferencia de propiedades origina una fuerza impulsora, un gradiente de alguna propiedad, que da cuenta del mecanismo principal de transferencia, como se muestra en la tabla 1. Tabla I.1. Característica de las transferencias Transferencia Materia Calor

Cantidad de Movimiento

Mecanismo

Fuerza Impulsora

Difusión

Gradiente de concentración

Conducción Convección Radiación

Gradiente de Temperatura

Rozamiento

Gradiente de Velocidad

Un caso particular, si el sistema alcanza una condición tal que no puede experimentar ningún cambio en forma espontánea, se dice que la fuerza impulsora es “nula”, es decir el sistema se encuentra en estado de equilibrio. Por lo tanto, es posible establecer ciertas condiciones operativas, bajo las cuales todo sistema se encuentra en estado de equilibrio. Los procesos de separación desarrollados incluyen diferentes operaciones unitarias, entre las que se mencionan: a. Destilación. Que consiste es separar mediante vaporización, una mezcla líquida de sustancias miscibles y volátiles en sus componentes individuales o en algunos casos en cortes o fracciones si están presentes varios componentes, por ejemplo fraccionamiento de crudo b. Absorción de gases. Un vapor soluble contenido en una mezcla con un gas inerte, es absorbido mediante un líquido en el que el soluto gaseoso es más o menos soluble. El soluto se recupera luego mediante destilación y el líquido adsorbente puede reutilizarse o desecharse. c. Extracción líquido líquido. También llamada extracción con solvente, en la que se trata una mezcla líquida con un disolvente que disuelve preferentemente uno o más componentes de la mezcla. La mezcla tratada en esta forma se denomina refinado y la fase rica en disolvente se denomina extracto, El componente que se transmite desde el refinado hacia el extracto es el soluto, y el componente que queda en el refinado es el diluyente. d. Secado. Es una operación de transferencia simultanea de calor y masa de contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia de presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial

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OPERACIONES UNITARIAS II. UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN. del vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa. e. Cristalización. Es una operación unitaria de transferencia simultanea de materia y energía en la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en un fundido). 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 fase. f. Adsorción. Es el proceso por el cual un átomo o una molécula de sustancia se adhiere en la superficie de un sólido o entre la interfase entre dos fluidos. La adsorción es un medio para neutralizar o satisfacer las fuerzas de atracción que existen en una superficie o una interfase, y que se deben a la discontinuidad en la naturaleza de la estructura. En consecuencia la adsorción produce una disminución de la energía libre interfacial (o tensión si se trata de una fase fluido/fluido). (www.firp.ula.ve/AdsorciónMojabilidad.Salager, J.L., 1998)

Las operaciones unitarias pueden ser consideradas de dos tipos: •

Operaciones claves: aquellas donde ocurre la reacción química, la separación de fases y la separación de productos químicos. Por ejemplo: destilación, absorción, extracción líquida, reactor.

•

Operaciones auxiliares: donde se suministra o retira calor, suministra o retira trabajo, se aglomeran los sólidos por reducción de tamaño o se separan los sólidos por tamaño, no hay cambio en la composición química. Por ejemplo: Bombas, intercambiadores de calor, filtros.

En la figura I.1 se muestra una serie de operaciones unitarias acopladas que representan la producción de ETBE, en donde se identifican las operaciones claves y las auxiliares.

g. Evaporación. Es una operación en la que se separa, mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado formando una disolución o suspensión. (http://ocwus.us.es/arquitectura-eingenieria/operacionesbasicas/contenidos1/tema10/pagina_16.htm) h. Filtración. Es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase: componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o gotas de un líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante. i. El uso de cromatografía y métodos de separación analítica, para determinar la composición de mezclas complejas. j. Membranas. Se trata de una operación de separación controlada por la transferencia de materia y cuya fuerza impulsora es un gradiente de presión y concentración, Su objetivo es el paso de un disolvente desde una disolución concentrada a otra más diluida a través de una membrana semipermeable. (www4.ujaen.es/operaciones). k. Bioseparadores. Los procesos de bioseparación involucran la recuperación y purificación de productos provenientes del biorreactor. Comprenden todos los tratamientos que requiere el caldo de cultivo para la obtención del producto en las condiciones de pureza y actividad deseadas. (http://sgpwe.izt.uam.mx)

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Figura I.1. Identificación de las operaciones claves (líneas rojas) y las operaciones auxiliares (líneas azules). La secuencia de operaciones químicas, físicas, biológicas que son necesarias para la transformación y/o separación, el transporte y almacenamiento de materiales o energía pueden ser representadas mediante diagramas de flujos de bloques, diagramas de flujos de procesos y diagramas de tuberías e instrumentación En este trabajo se definen brevemente los diagramas flujos de bloques y los diagramas de flujos de procesos. Diagrama de flujo de bloques: es una representación sencilla de un proceso de producción industrial. Cada bloque representa una operación o una etapa completa del proceso. En el diagrama de bloques cada una de las operaciones unitarias se representa como un bloque, sobre el que se pueden consignar algunas de las características de la operación (pH, temperatura, presión, etc.) e incluso aquella información que se considere relevante (razón másica de las diferentes corrientes, rendimientos, etc.). Los bloques van unidos por flechas que representan flujos de materia, siendo conveniente reflejar al lado de cada flecha los datos conocidos sobre la corriente. En este tipo de diagrama no se incluyen las operaciones auxiliares. Para la elaboración de los diagramas de bloques se utilizan diferentes programas

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OPERACIONES UNITARIAS II. UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN. informáticos, tales como: AutoCAD, Microsoft Visio, Microsoft PowerPoint, etc. En la Figura I.2, se muestra un ejemplo de un diagrama de bloques de un proceso de producción de tenso activos de extremo encapsulado en el que se refleja la información suministrada en la Patente US5847229A1. En ella se observan cuatro operaciones: dos reacciones (1 y 2), una separación de fases (3) y el secado final (4) hasta obtener el producto deseado. Se refleja también otra información aportada por la patente (temperatura, relaciones molares, etc.) no se definen los caudales ni los intercambios de energía; y en Figura I.3 se muestra el diagrama de flujo de bloque del proceso para la producción de benceno. (www. ugr.es/ Maulavirtualpfciq/diagramadebloques.html) En general, en los diagramas de flujo de bloques las operaciones se representan mediante bloques, la mayoría de las líneas se representan con flechas que van en dirección del flujo, la dirección del flujo va de izquierda a derecha mientras sea posible, las corrientes ligeras (gases) van por el tope mientras que las corrientes pesadas (líquidos y sólidos) van por el fondo, se suministra la información crítica del proceso, si las líneas se cruzan la línea horizontal es continua y la vertical se corta y no se representan las operaciones auxiliares.

la Figura I.4 y I.5 se muestra el diagrama de flujo de proceso para la obtención de metanol y la producción e benceno, respectivamente.

Figura I.3. Diagrama de flujo de bloque para la producción de Benceno. Fuente: www.kardauni08.files.wordpress.com

Figura. I.4 Diagrama de flujo de proceso para la obtención de metanol

Figura I.2. Ejemplo de diagrama de bloques de un proceso de producción de tenso activos. Fuente: Patente US5847229A1 Diagrama de flujo del proceso. Es una representación gráfica de un proceso. Cada etapa del proceso es representada por un símbolo diferente que contiene una breve descripción de la etapa del proceso. Los símbolos gráficos del proceso están unidos por flechas que indican la dirección del flujo y se identifican los flujos principales. Este tipo de diagrama aporta mayor información que los diagramas de bloque, incluye los números y nombres de identificación del equipo, las presiones y temperaturas, identificaciones de servicios, y flujo másico/volumétrico de las corrientes seleccionadas y una tabla de balance de materia ligada por medio de una clave de líneas de procesos, se incluyen las operaciones auxiliares. En

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Figura I.5. Diagrama de flujo para la producción de benceno.

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OPERACIONES UNITARIAS II. UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN. Características de las operaciones Unitarias. Cada una de las operaciones unitarias se caracteriza por: • • •

Principio de separación Agente de separación Factor se separación

El principio de separación es el que indica en que se basa la operación unitaria para que ocurra la separación. También se define como la propiedad física o química inherente a los componentes de la mezcla que permite que se efectué la separación. En la tabla I.2 se muestran algunas de las operaciones más comunes indicado su principio de la separación. Tabla I.2. Principio de separación de algunas de las operaciones unitarias más conocidas. (Fuente: Tomado de King. J. 1998) Operación Unitaria

Principio de separación

Destilación

Diferencia de puntos de ebullición

Absorción gaseosa

Solubilidad preferencial

Evaporación

Diferencia de volatilidad

Cristalización

Diferencia de tendencia a cristalizar

Secado de sólidos

Evaporación de agua

Sedimentación

Diferencia de densidad

Lixiviación

Solubilidad preferencial

El agente de separación se encarga de crear o adicionar una segunda fase para promover la separación de los componentes que constituyen la mezcla original. Se conocen dos tipos: 1. Agente de separación de materia.  Puede ser parcialmente miscible con una o más de las especies de la mezcla  Es generalmente el componente de mayor concentración. 2. Agente de separación de energía.  Transferencia de calor y/o trabajo hacia o desde la mezcla objeto de separación.  Se puede generar una segunda fase por reducción de la presión. Agentes de separación más utilizados en las operaciones unitarias: 1. Suministro de calor o enfriamiento.  Evaporación (Calor)  Destilación (Calor)  Destilación molecular (Calor y vacío)

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 Resublimación o condensación al estado sólido (enfriamiento)  Cristalización (Calor)  Secado (Calor) 2. Reducción de la presión, gradiente de presión (gradiente de presión más membrana)  Vaporización instantánea (reducción de presión)  Difusión gaseosa (gradiente de presión más membrana)  Osmosis inversa (gradiente de presión más membrana)  Ultrafiltración (gradiente de presión más membrana) 3. Gas no condensable o gas condensable  Desorción (gas no condensable)  Difusión de barrido (gas condensable) 4. Líquido no volátil o líquido inmiscible o disolvente  Absorción (l...