Operaciones de separación
Las operaciones de separación más importantes de la industria química son las siguientes:
COLUMNA DE DESTILACIÓN
ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
INTERCAMBIO IÓNICO
SEPARACIÓN POR MEMBRANA
ÓSMOSIS INVERSA
CENTRIFUGACIÓN
SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA
COLUMNA DE DESTILACIÓN
Principios de operación
Este es uno de los tipos de dispositivos de transferencia de materia más utilizados en la industria, consistente en el acoplamiento de unidades o etapas sucesivas. Una unidad o etapa recibe dos corrientes, una fase V y una fase L, procedentes de dos etapas adyacentes, se ponen en contacto y se descargan las fases L y V, respectivamente, hacia las mismas unidades adyacentes. Para que exista transferencia de materia es preciso que las corrientes que entran en cada etapa no estén en equilibrio, ya que es la separación de las condiciones de equilibrio lo que proporciona el gradiente para la transferencia. Las corrientes que salen no están generalmente en equilibrio, pero sí mucho más próximas al mismo de lo que lo estaban las corrientes de entrada. La proximidad al equilibrio depende de la eficacia de la mezcla y de la transferencia de materia entre fases. Para simplificar el diseño se supone que las corrientes que salen de las etapas están en equilibrio, concepto de etapa ideal, y con posterioridad se aplica un factor de corrección o eficacia para tener en cuenta esta separación del equilibrio.
Descripción de la instalación
Se alimenta a la columna cerca de su parte central con un determinado flujo y una concentración definida. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos por encima de éste, constituyen la sección de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo el plato de alimentación, constituyen la sección de agotamiento. La alimentación desciende por la sección de agotamiento hasta el fondo de la columna, donde se mantiene un nivel de líquido definido. El líquido fluye por gravedad hasta el calderín, que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna, comenzando así el ascenso por la columna de dicho vapor. Del calderín se extrae el producto de cola. Los vapores que llegan a la parte superior de la columna se condensan totalmente en un condensador. Parte de este condensado se devuelve al plato superior de la torre y parte se extrae como producto. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. El líquido que desciende es el que iteraciona con el vapor ascendente. Si no se forman azeótropos, los productos de cabeza y cola pueden obtenerse con una pureza elevada si hay suficientes platos y utilizando un reflujo adecuado.
Ventajas y aplicaciones
La variedad de las columnas de rectificación y sus aplicaciones es enorme. Las mayores unidades se encuentran generalmente en la industria del petróleo, pero también existen columnas grandes y plantas de destilación muy complicadas en el fraccionamiento de disolventes, en la separación del aire líquido y en los procesos químicos en general.
Diagrama de flujo
Esquema de una destilación típica con un equipo de “flash” previo. Columna de destilación
ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO
Principios de operación
La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia 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. En una sección cualquiera de la columna están en contacto un gas y un líquido que no están en equilibrio, por lo que se produce una transferencia de materia. 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
Descripción de la instalación
Un aparato frecuentemente utilizado en absorción de gases es la torre de relleno. El dispositivo consiste en una torre equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre, el cual puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. La entrada de líquido se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas que contiene el soluto asciende a través de los hendiduras del relleno en contracorriente con el flujo de líquidos, y así el líquido se enriquece de soluto a medida que desciende por la torre. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases, y la mayoría de los rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y ligeramente ligeros, tales como la arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicos de pared delgada, de acero o aluminio. Por último cabe mencionar que el diámetro de una torre de absorción depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, sus propiedades, y la relación de una corriente a otra, y que la altura de la torre, y por tanto el volumen del relleno, depende de la magnitud de las variaciones de concentración que se desean y de la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de relleno.
Ventajas y aplicaciones
Uno de los ejemplos típico es la absorción de amoniaco contenido en una mezcla con aire, mediante tratamiento con agua líquida. El soluto se puede recuperar posteriormente del líquido por destilación y el líquido absorbente puede desecharse o bien ser reutilizado. En definitiva, la absorción gas-líquido se utiliza siempre que tengamos una corriente gaseosa, en la cual haya un componente que queramos eliminar, desde los procesos petroquímicos hasta la purificación de un residuo gaseoso.
Diagrama de flujo
Proceso de lavado de un gas. Absorción gas-líquido
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
Principios de operación
Esta técnica se utiliza para separar dos líquidos miscibles utilizando un disolvente que disuelve preferentemente a uno de ellos. En extracción es preciso recuperar el disolvente, generalmente por destilación, para su reutilización y la operación combinada es más compleja y, con frecuencia más costosa que la destilación sola sin extracción. Puesto que la mayor parte de los métodos de extracción continua usan contactos en contracorriente entre dos fases, muchos de los fundamento de la absorción de gases se pueden aplicar a la extracción líquido-líquido, cuestiones como etapas ideales, eficacias, etcétera.
Descripción de la instalación
En extracción, lo mismo que en absorción de gases, es preciso poner en buen contacto dos fases para permitir la transferencia de materia y separar después las fases. Con frecuencia las fases son difíciles de mezclar y todavía más difíciles de separar. El extracto es la capa de disolvente más el soluto extraído y el refinado es la capa de la que se ha separado el soluto: el extracto puede ser más o menos denso que el refinado, de forma que pueda salir por la parte superior del equipo y otras por el fondo. Los equipos de extracción más representativos son columnas de pulverización, torres de relleno y columnas de platos perforados. Uno de los más sencillos es la torre de pulverización, la cual opera en contacto diferencial y no por etapas, teniendo lugar la mezcla y sedimentación de forma simultánea y continua. El líquido menos denso se introduce por el fondo y se distribuye en pequeñas gotas por medio de las boquillas A. Las gotas del líquido ligero ascienden a través de la masa de líquido más pesado que desciende por la torre como una corriente continua. Las gotas se recogen en l a parte superior y forman la corriente del líquido más ligero que sale por la cima de la torre. El líquido más pesado sale por el fondo de la torre. Hay una transferencia continua de materia entre las fases, y la composición de las fases varía a medida que circula por la torre. La velocidad de transferencia es relativamente baja en comparación con absorción o destilación y una columna alta puede ser equivalente a sólo una pocas etapas ideales. Se puede aumentar la transferencia de materia en la torre, llenando la columna con cuerpos de relleno tales como anillos o monturas.
Ventajas y aplicaciones
Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar. Uno de los principales usos son las mezclas con las temperaturas de ebullición próximas, como derivados del petróleo, o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, con frecuencia se separan por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidades. La extracción puede utilizarse para separar más de dos componentes y en algunas aplicaciones se requiere una mezcla de disolventes en vez de un solo disolvente.
Diagrama de flujo
Extracción de ácido acético en disolución acuosa. Extracción líquido-líquido
INTERCAMBIO IÓNICO
Principios de operación
El intercambio iónico se basa en la adsorción, el cual es un proceso de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido adsorbente. Generalmente las pequeñas partículas de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido pasa continuamente a través del lecho hasta que el sólido está prácticamente saturado y no es posible alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar La mayor parte de los adsorbentes son resinas, compuestos orgánicos de gran peso molecular que tiene la propiedad de disponer de un residuo catiónico o aniónico intercambiable, y gracias a su alta porosidad, la adsorción puede tener lugar fundamentalmente en el interior de las partículas, y aumentado así el área de contacto. La separación se produce debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección del lecho favorecerá la separación de los iones y la eficacia dependerá del equilibrio sólido-líquido y de las velocidades de transferencia de materia.
Descripción de la instalación
Un aparato de adsorción está constituido normalmente por un recipiente cilíndrico, cerrado, que en su interior contiene la resina. Debido a los dos tipos de resinas, catiónicas y aniónicas, se acostumbra a colocar adyacentes dos columnas, cada una con un tipo de resina, para así eliminar primero los cationes y con posterioridad los aniones. Las partículas de adsorbente se colocan en un lecho soportado sobre una matiz o placa perforada. La alimentación circula a través del lecho en sentido descendente, y cuando la concentración de soluto en el fluido de salida alcanza un cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido se ha de parar la operación y pasar a regenerar dicho lecho. Para evitar estos inconvenientes, en el trabajo continuo, se colocan dos columnas, y así mientras una trabaja la otra efectúa la operación de regeneración. La regeneración de una resina catiónica se lleva a cabo añadiendo un ácido fuerte, aportar H+, mientras la aniónica se regenera con bases, compuestos que aporten OH-
Ventajas y aplicaciones
Este es un proceso típico para ablandar o desionizar el agua, aunque es recomendable aplicarse después de un tratamiento previo adaptado a cada calidad de agua bruta, y que consista, especialmente, en la eliminación de las materias en suspensión, materias orgánicas, cloro residual, cloraminas, etcétera.
Diagrama de flujo
Esquema de un proceso de desionización de agua. Intercambio iónico
SEPARACIÓN POR MEMBRANA
Principios de operación
En un equipo de este tipo, una membrana de material polimérico separa dos fluidos con concentraciones diferentes de una determinada sustancia. La membrana impide el flujo hidrodinámico entre los dos fluidos. Sin embargo, es permeable con respecto a la sustancia en cuestión, permitiendo su difusión al fluido con una menor concentración y haciendo posible así la extracción de parte de la sustancia no deseada de la corriente que la contenía inicialmente. Las películas poliméricas en general, pueden ser entendidas como un conjunto de regiones cristalinas y amorfas entremezcladas. Las regiones cristalinas presentan estructuras regulares que hacen muy difícil la difusión de cualquier sustancia a través de ellas y que son consideradas impermeables. Son las regiones amorfas las que pueden permitir el paso a determinadas moléculas.
Descripción de la instalación Como ya se ha dicho, las membranas están fabricadas de material polimérico. Sus espesores son del orden de micras y varían según los casos. Existe una amplia variedad de diseños de unidades de separación por membrana. En concreto, para la separación de gases, tres son los modelos más frecuentemente utilizados:
- el modelo "hollow-fiber"
- el modelo "spiral-wound"
- el modelo de plato y carcasa
Ventajas y aplicaciones
El uso de técnicas de separación por membrana de líquidos o gases resulta muy válido para separar mezclas de compuestos con propiedades físicas y químicas similares, mezclas de isómeros y mezclas que contienen sustancias térmicamente inestables. Este tipo de procesos es particularmente útil como técnica de separación cuando otras más convencionales no son económicamente recomendables para obtener unas especificaciones de producto determinadas. También suele emplearse complementando a otras técnicas más clásicas. Por ejemplo, una unidad de separación de membrana puede utilizarse para romper una mezcla azeotrópica antes de que ésta sea alimentada a una columna de destilación.
Diagrama de flujo
Esquema de un proceso en el que se utiliza un equipo de separación por membrana para romper una mezcla azeótrópica de dos componentes (comp1, comp2) antes de someterla a un proceso de destilación. Separación por membrana
ÓSMOSIS INVERSA
Principios de operación
La ósmosis inversa separa un soluto de una disolución forzando al solvente a fluir a través de una membrana mediante la aplicación de una presión superior a la presión osmótica normal. En la ósmosis inversa, las moléculas de soluto son de un tamaño similar al de las moléculas de disolvente. Al contrario que otras operaciones unitarias como la destilación, este proceso permite operar a temperatura ambiente. Además, combina simplicidad técnica con versatilidad.
Descripción de la instalación
Los materiales más frecuentemente utilizados en la fabricación de las membranas son el acetato de celulosa y las poliamidas aromáticas. Cuatro son los modelos más comunes empleados en la separación por ósmosis inversa:
- el modelo "hollow-fiber"
- el modelo "spiral-wound"
- el modelo de plato y carcasa
- el modelo tubular
Ventajas y aplicaciones
A pesar de que la ósmosis inversa se utiliza fundamentalmente en la desalinización de agua, ya sea para consumo humano o para uso industrial, también resulta frecuente su uso en procesos de producción de sustancias inestables térmica o químicamente en los que los métodos tradicionales de separación provocan pérdida de producto o deterioro de su sabor (medicinas, alimentos…). La ósmosis inversa también se emplea para fraccionar mezclas de materiales difíciles de separar por otros medios, como polímeros naturales o sintéticos.
Diagrama de flujo
Esquema de un proceso de desalinización de agua de mar. Ósmosis inversa
CENTRIFUGACIÓN
Principios de operación
El equipo gira alrededor de un eje, generando así una fuerza centrífuga que hace que las partículas de la fase más pesada se dispongan formando una capa lo más alejada posible del eje de rotación, todo lo contrario que ocurre con las partículas de la fase más ligera.
Descripción de la instalación
Podemos hablar de tres tipos fundamentales de separadores centrífugos
- centrifugador "tubular-bolw". Gira a velocidades muy altas, generando fuerzas centrífugas del orden de 13,000 veces la fuerza de la gravedad. Está construido para operar con caudales de entre 200 y 2,000 litros/hora. Al no disponer de un sistema de extracción automático, sólo puede trabajar con concentraciones pequeñas de sólidos.
- centrifugador "disk-bowl". Gira a una velocidad inferior al anterior y genera una fuerza centrífuga 7,000 veces la de la gravedad. Puede manejar caudales de hasta 20,000 litros/hora con cantidades moderadas de sólidos.
- centrifugador "solid-bowl". Su velocidad de giro provoca fuerzas centrífugas de 3,000 veces la de la gravedad. Es capaz de trabajar con corrientes que contienen gran cantidad de sólidos, separando hasta 50 toneladas/hora de esas sustancias.
Ventajas y aplicaciones
Esta clase de separadores están diseñados para operar con corrientes líquido-sólido y líquido-líquido-sólido. Los sistemas gas-sólido se separan por medio de otro tipo bien diferenciado de equipos que son los ciclones.
Diagrama de flujo
Esquema de un proceso de producción de polipropileno en el que se utilizan dos equipos de centrifugación para separar el polvo de polipropileno del disolvente. Centrifugación
SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA
Principios de operación
La separación electrostática es un método de separación basado en la diferente atracción o repulsión de partículas cargadas bajo la influencia de un campo eléctrico. La aplicación de una carga electrostática a las partículas es un paso necesario antes de que su separación pueda tener lugar. Tres son las técnicas más utilizadas para dotar a las partículas de dicha carga:
- electrificación por contacto entre materiales con propiedades muy diferentes.
- inducción conductiva, la cual tiene lugar al poner en contacto una partícula inicialmente no cargada con una superficie que sí que lo está.
- bombardeo de iones de gases atmosféricos. Este es el método más poderoso de electrificación.
Descripción de la instalación
Los separadores electrostáticos pueden dividirse en tres grandes grupos según que sistema de electrificación de partículas se utilice. Dentro de cada uno de estos grupos, existen varias clases. La más extendida industrialmente es la de los "conductive roll separators", que utilizan el bombardeo iónico como técnica de electrificación de las partículas.
Ventajas y aplicaciones
Las aplicaciones de este tipo de separadores son diversas: – separación de minerales en cadenas de purificación de extracciones mineras.
- extracción de partículas no metálicas contenidas en polvos metálicos.
- separación de piedra y arena de verduras y hortalizas en una primera fase de su procesado.
- extracción de partículas en el tratamiento de aguas. Mediante este tipo de equipos, resulta muy difícil separar partículas con un tamaño inferior a 0.074 mm, y prácticamente imposible si su tamaño es inferior a 0.044mm.
La inversión a realizar cuando se quiere adquirir uno de estos equipos es grande, aunque los costes de operación no son demasiado elevados.
Diagrama de flujo
Esquema de un proceso típico de separación de partículas. Separación electrostática
BIBLIOGRAFÍA
Perry R.H., Green D. / "Perry’s Chemical Engineers Handbook" / McGraw-Hill / 1988.
McCabe W.L., Smith J.C. / "Unit Operations of Chemical Engineering" / McGraw-Hill / 1993.
Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R.K. / "Chemical Engineering" / Pergamon Press / Vol. 6 / 1993.
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Comentarios
hola! soy estudiante de ing.quimica, necesito q me ayuden a encontrar el proceso de una torre de absorcion del acido clorhidrico!por favorr.. se les agradece
esta bueno el documento me ayudo mucho para el tema en el cual estoy estudiando, soy estudiando ing quimica. Me quedo una duda, cuando dice:
La regeneración de una resina catiónica se lleva a cabo añadiendo un ácido fuerte, aportar H+, mientras la aniónica se regenera con bases, compuestos que aporten OH-
que tipos de acidos o base que se utilizan comumente para el tratamiento de agua?. Si tienen un foto real de estas columnas podrian facilitarme. estare muy agradecida.Gracias.
Podras encontrar más información sobre el Intercambio Iónico en la siguiente página http://www.monografias.com/trabajos51/intercambio-ionico/intercambio-ionico2.shtml
no me sirvio de nada porque el tema que estoy buscando no lo publicaron y es ” filtracion ” si lo hubieran puesto me hubiera sacado de mucho apuro pero como el hubiera no existe, gracias!!
Este documento me ayudo mucho, gracias.
Espero sigan compartiendo informacion valiosa.