Capitulo 1 CORREGIDO

Introducción a la Transferencia de Masa

Capitulo Uno

1. Introducción a las Operaciones de Separación

1.1. ¿Porque estudiar Transferencia de Masa?

En las industrias de procesos químicos y/o bioquímicos, los costos de

capital más importantes se generan en el desarrollo, diseño, construcción,

operación y mantenimiento de las operaciones de separación, por

consiguiente, el estudio de las operaciones de separación con transferencia

de masa resulta de gran importancia, ya que estas operaciones son las más

numerosas y el conocimiento de las diferentes variables que afectan su

comportamiento tienen gran influencia en la naturaleza y operación del

equipo más costoso en estas industrias. He aquí que el ingeniero químico

enfrenta el reto de desarrollar, diseñar y llevar a cabo el montaje más

económico del proceso, así como la selección, diseño y especificación del

equipo más apropiado utilizado en el mismo. En esta actividad, el ingeniero

químico no sólo tiene que elegir las materias primas adecuadas, las

unidades de transformación indicadas y sus tamaños óptimos, sino también

especificar las condiciones de operación apropiadas para hacer operar las

plantas con eficacia, seguridad y economía, teniendo en cuenta que sus

productos han de cumplir las condiciones exigidas por los consumidores.

1.2. Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios

1

Aire

H2O caliente

Agua fría


La gran variedad y complejidad de los procesos que abarca la industria

moderna de procesos químicos y bioquímicos se pueden descomponer o

dividir en un conjunto coordinado de operaciones básicas o

transformaciones unitarias que le son comunes, y cuyo funcionamiento está

sustentado en principios y leyes básicas que son independientes de la

naturaleza química de los materiales en proceso. Estas transformaciones

unitarias pueden distinguirse para su comprensión, análisis, descripción

cualitativa y tratamiento matemático, por la función específica que

desempeñan y los fenómenos que gobiernan su comportamiento. Esta serie

de “acciones” u operaciones básicas especializadas de la materia se les

denomina hoy operaciones unitarias y procesos unitarios.

Las operaciones unitarias son las unidades de transformación básicas donde

la materia sufre cambios de naturaleza física. Ellas comprenden cada uno de

los procesos físicos donde la materia experimenta cambios en la posición,

contenido energético, estado de agregación, presión, temperatura, forma,

tamaño o apariencia, etc. Su objetivo es producir modificaciones físicas de la

materia en proceso sin alterar su naturaleza química. Entre esta

operaciones se tienen el intercambio de calor, la mezcla, la filtración, el

transporte de fluidos, el secado, la evaporación, la humidificación y la

destilación, entre otras (Figura 1.1).

Figura 1.1. Torre de enfriamiento de agua.

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Los procesos unitarios son aquellas transformaciones en los procesos

industriales donde la materia sufre cambios de naturaleza química. Ellos

comprenden cada una de las transformaciones donde la materia

experimenta reacciones químicas para generar nuevas sustancias o eliminar

sustancias existentes. En estas transformaciones también se generan

cambios de naturaleza física, ya que la variación en la naturaleza química

genera cambios en propiedades físicas, pero la función esencial de ellas es

la mutación química de las sustancias en proceso. Los aspectos

estrictamente químicos de los procesos conforman un campo especializado

de la ingeniería química denominado ingeniería de las reacciones químicas,

el cual no será objeto de estudio en este texto. La combustión, la oxidación,

la esterificación, la fermentación, la hidrólisis y el cracking catalítico, entre

otros, son ejemplos de procesos unitarios (Figura 1.2).

Reactor

Figura 2. Producción de Ácido nítrico, representación de un Proceso Unitario.

Antes de continuar con la distinción y descripción de las operaciones

unitarias de separación con transferencia de masa conviene primero que

aclaremos el concepto de fase, término que será usado continuamente en los

párrafos siguientes de este capítulo.

1.3. ¿Que es una fase?

3


La materia microscópicamente está organizada en una gran variedad de

agregados de sustancias denominados fases, que exhiben propiedades y

comportamiento igualmente diversos. Esas unidades materiales o regiones

que conforman los sistemas materiales tienen características o propiedades

singulares que las hace identificables y discriminables de otras porciones o

agregados de materia que la acompañan. Estas regiones de materia están

constituidas por las mismas sustancias o componentes en todos sus puntos

que no pueden separarse mediante procedimientos o métodos que usen

fuerzas que actúan macroscópicamente. Ellas son físicamente distinguibles

y separables de otras porciones de materia.

Si una fase se subdivide mecánicamente en porciones más pequeñas, esta

división no produce nuevas fases (Figura 1.3) ; por ejemplo, consideremos

un bloque de hielo que se reduce a hielo raspado por una operación

mecánica, éste continúa formado por una sola fase. En contraste con lo

anterior, una mezcla heterogénea que consta de más de una fase,

generalmente puede subdividirse en diferentes fases ya que ellas se

distinguen entre si porque están separadas por límites definidos; un ejemplo

bien claro es un vaso con agua líquida y cubos de hielo, en este caso

coexisten dos fases, una líquida y otra sólida.

4

Mezcla Heterogénea Mezcla

Heterogénea

Frontera


Figura 1.3. Unidad de masa donde se diferencia fase Homogénea y Heterogénea.

1.3.2. Regla de las fases

En algunas operaciones de separación con transferencia de masa, los datos

de equilibrio entre fases son indispensables para el cálculo y diseño de los

equipos. El número de variables independientes que debe fijarse de manera

arbitraria para establecer el estado intensivo de cualquier sistema, esto es,

el número de grados de libertad del sistema está dado por la célebre regla

de las fases de J. Willard Gibbs, quien la dedujo en 1877 a partir de

consideraciones puramente teóricas. El estado de un fluido puro

homogéneo, por ejemplo, queda determinado una vez que se dan valores

definidos a dos propiedades termodinámicas intensivas: por ejemplo la

temperatura, la presión o la concentración. A continuación se presenta esta

regla en la forma que se aplica a los sistemas donde no hay reacciones

químicas.

El estado intensivo de un sistema material en el equilibrio queda establecido

cuando se fijan la temperatura, la presión y las composiciones de todas sus

fases. Por tanto, éstas son las variables de la regla de las fases, pero no

todas ellas son independientes. La regla de las fases proporciona el número

de variables de este conjunto que deben especificarse de manera arbitraria

para fijar el valor del resto de las variables.

Las variables en la regla de las fases son propiedades intensivas,

propiedades que son independientes de la extensión del sistema y de las

fases individuales. Por tanto, la regla de las fases proporciona la misma

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información para un sistema grande que para uno pequeño, así como para

cantidades relativas distintas entre las fases presentes. Por otra parte, las

únicas composiciones que son variables de la regla de las fases son las de

cada fase. Las composiciones globales o totales no son variables de la regla

de las fases cuando existe más de una fase.

El número mínimo de grados de libertad para cualquier sistema es cero.

Cuando , el sistema es invariante, y la ecuación (1.1) se convierte

. Este valor de es el número máximo de fases que pueden

coexistir en el equilibrio para un sistema que contiene N especies químicas.

Cuando , este número es 3, algo característico de un punto triple. Por

ejemplo, el punto triple del agua, donde existen líquido, vapor y hielo juntos

en equilibrio, se presenta a 0.01 ºC y 0.0061 bar. Cualquier cambio en estas

condiciones hará que al menos una de las fases desaparezca.

1.4. Operaciones de Separación

La mayoría de los equipos que conforman una industria de procesos

químicos y/o bioquímicos tienen el propósito de separar fases o

componentes de ciertas fases, para eliminar sustancias indeseables o

contaminantes que contienen las materias primas, recuperar y purificar

productos intermedios y productos finales, o para recuperar sustancias que

pueden ser recirculadas en el proceso.

La separación en un proceso tiene la función de fraccionar o dividir las fases

constituyentes o las sustancias que conforman una mezcla, en otras fases o

en sus elementos constituyentes por medio de equipos organizados

secuencialmente. Cuando hablamos de secuencia nos estamos refiriendo a

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que puede ser necesaria la combinación de una o más de una unidad de

separación, de la misma naturaleza o de naturaleza variada, para lograr el

objetivo de separación.

Las operaciones de separación se basan en diferencias de propiedades

físicas de las fases o diferencias en algunas propiedades fisicoquímicas de

las especies químicas. El tipo de operación seleccionada y utilizada depende

de las diferencias en propiedades que establecen la factibilidad técnica de la

operación, pero también de la inversión necesaria, los costos de operación,

operabilidad, seguridad y conocimiento tecnológico de la ella. Para su

estudio estas operaciones pueden clasificarse en dos grandes categorías:

operaciones de separación fisicomecánicas y operaciones de separación con

transferencia de masa. Su diferencia radica en el tipo de fuerza y propiedad

que explotan y la clase de separación que producen.

1.5. Operaciones de Separación Fisicomecánicas

Las operaciones fisicomecánicas son operaciones que separan fases de

mezclas heterogéneas sin producir cambios en la composición de las fases

presentes, mediante la acción de una fuerza física de naturaleza mecánica,

eléctrica o electromagnética a la que se somete la mezcla original. La

separación se produce por que las fases poseen propiedades físicas

diferentes y responden de manera diferente frente a la acción de estas

fuerzas. Son ejemplos de estas operaciones la selección, tamizado,

clasificación, sedimentación, centrifugación, precipitación electrostática,

separación magnética, expresión y decantación, entre otras.

1.6. Operaciones de Separación con Transferencia de Masa

Las operaciones de separación con transferencia de masa son operaciones

en las que las que se produce o modifica la concentración de la mezcla

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original o separa una especie química o grupo de componentes, mediante la

transferencia de compuestos químicos entre fases, por la acción de fuerzas

intermoleculares o por la acción selectiva de una fuerza externa sobre las

especies químicas. Estas operaciones de separación con transferencia de

masa se clasifican en interfaciales e intrafaciales.

1.6.1. Operaciones de Separación Interfaciales

Estas operaciones de separación conocidas como operaciones por contacto

directo generalmente se presentan en mezclas conformadas por una sola

fase (Sólida, líquida o gaseosa) que requieren la presencia de otra fase para

la separación o transporte de las especies deseadas. En este tipo de

operaciones se transfieren compuestos entre la fase original de la mezcla a

separar y otra fase inmiscible que se pone en contacto directo con la

primera. Esta segunda fase es creada a partir de la mezcla original,

mediante la adición o sustracción de energía en forma de calor o de trabajo

mecánico (Compresión/Descompresión), o por adición de una segunda fase

inmiscible y preformada. En el primer caso se dice que la operación usa un

agente separador energético (ASE) y en el segundo, que la operación usa un

agente separador másico (ASM) tal como un disolvente o un absorbente.

Hay operaciones que combinan los dos tipos de agente separador, entre

ellas podemos mencionar la destilación extractiva; en este caso en particular

el agente separador másico es miscible con la fase original, tal como se verá

más adelante.

Las operaciones interfaciales requieren una fuerza impulsora para que sean

posibles; esta fuerza impulsora es la diferencia de potencial químico de los

compuestos en las fases que se ponen en contacto. Por ejemplo, si las fases

inmiscibles y se ponen en contacto directo, la fuerza impulsora para la

transferencia de masa del compuesto i será , donde es el potencial

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químico del compuesto i. Cuando la diferencia de potencial químico de todos

los compuestos en las fases es cero (equilibrio químico), y la temperatura y

presión de las fases son uniformes (equilibrio térmico y mecánico), entonces

decimos que el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico, y bajo

estas condiciones no hay transferencia de masa entre las fases.

En estas operaciones de separación, se consigue aumentar la velocidad de

transferencia de masa al mezclar íntimamente las dos fases en contacto, lo

cual implica que se alcance más rápidamente el máximo grado de

distribución. Luego de un suficiente contacto entre las fases, la operación de

separación se completa por gravedad y/o mediante una técnica mecánica

para separar las dos fases.

A continuación serán descritas de manera sintética las operaciones de

separación por transferencia de masa interfacial más comunes en la

industria química:

1.6.1.1. Vaporización de Flash ó evaporación instantánea.

En esta operación la mezcla a separar comprende especies químicas que

difieren ampliamente en su tendencia a vaporizar. Es una operación de

destilación en una sola etapa en donde se evapora parcialmente por adición

de calor o reducción de la presión con una válvula una mezcla líquida, se

permite que el vapor alcance el equilibrio con el líquido residual, y se

separan y eliminan del aparato las fases vapor y líquido resultantes. Esta

Fase Inicial (Alimentación): Líquido.

Fase Generada: Vapor.

Agente(s) de Separación: Reducción de presión o

suministro de calor (ASE).

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operación de separación puede llevarse a cabo por lotes o en forma continua

y en él se produce un vapor más rico en el componente más volátil. Por

ejemplo, en la producción de vinil acetato a partir de etileno, oxigeno y

ácido acético, el etileno efluente del reactor y otro más volátiles se separan

de compuestos más pesados, efluentes del reactor como el vinil acetato,

etilén glicol, agua y acetaldehído, reduciendo la presión desde 10 a 3

atmósferas.

1.6.1.2. Condensación Parcial.

En este proceso el de vapor se condensa parcialmente retirando calor, se

permite que el líquido condensado alcance el equilibrio con el vapor

residual, y se separan y eliminan del aparato las fases vapor y líquido

resultantes. Como en la destilación flash, en la condensación flash el

objetivo también es separar compuestos muy volátiles de otros menos

volátiles, su diferencia básicamente radica en el estado de agregación de la

fase alimento a la operación. Por ejemplo, en la producción de etanol vía

petroquímica mediante la hidratación de etileno, el etileno que no reacciona

se recupera condensando parcialmente el efluente del reactor catalítico de

lecho fijo.

En las operaciones anteriores, la mezcla comprende especies que difieren

ampliamente en su tendencia a vaporizar y condensar, es decir presentan

unas diferencias de volatilidad relativamente altas, después de producirse la

distribución de las especies a causa de la transferencia de masa entre las

Fase Inicial (Alimentación): Vapor.

Fase Generada: Líquido.

Agente(s) de Separación: Adición de calor (ASE).

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fases, 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.

La expresión que permite evaluar la volatilidad relativa emplea las

fracciones molares de los componentes que se desean separar en cada

una de las fases y está dada por:

k i = yi/xi, razón o coeficiente de equilibrio para la especie i

k j = yj/xj, razón o coeficiente de equilibrio para la especie j

La relación anterior también se conoce como selectividad relativa. Si una

de las fases presentes es gaseosa, recibe el nombre de volatilidad relativa

y su representación se da a través de las fracciones molares para

la fase gaseosa y para la fase líquida. se conocen como la razón

de equilibrio entre las fases consideradas. Se comprende que cuanto más se

aleje de la unidad el valor de la selectividad relativa más fácil resultará la

separación de los componentes i, j.

1.6.1.3. Destilación Simple o Fraccionada.

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Es el método industrial de separación más utilizado y usualmente el más

económico. Se emplea cuando la volatilidad relativa de las especies a

separar en las fases líquido y vapor es mayor que 1.5, pero mucho menor

que el que se requiere en la vaporización flash o la condensación parcial.

La destilación fraccionada puede llevarse a cabo en equipos de contacto por

etapas, las torres de platos, o en equipos de contacto continuo, las torres

empacadas. En las torres de platos la separación se produce por 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 mecánica 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. Igualmente en las torres empacadas la separación se produce por

el contacto entre las fases líquido y vapor, pero este contacto es continúo en

zonas empacadas con dispositivos o empaques que ofrecen grandes áreas y

espacios vacíos para el contacto y flujo de las fases.

La alimentación a la columna de destilación entra en un punto intermedio

entre el tope y el fondo de la columna. La parte de la columna situada por

Fase Inicial (Alimentación): Vapor y/o líquido.

Fase Generada: Vapor y líquido


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encima de la alimentación es denominada la sección de enriquecimiento y

la situada por debajo la sección de agotamiento. El vapor en la torre fluye

hacia arriba mientras que el líquido lo hace hacia abajo. Generalmente el

vapor procedente de la parte superior de la columna se condensa para

generar el líquido de contacto llamado reflujo. Análogamente, el líquido

procedente del fondo de la columna pasa a un ebullidor para generar el

vapor de contacto llamado vaporización. Son muchas las aplicaciones

industriales de esta operación, pero como ejemplos podemos mencionar la

obtención de alcohol etílico de alta pureza mediante destilación ordinaria

del licor producido por fermentación de la melaza de caña de azúcar, o la

recuperación y purificación del metanol producido a partir del gas de

síntesis (una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono e

hidrógeno)

Algunas razones para escoger la destilación fraccionada como

operación de separación:

1. En la destilación fraccionada no son empleadas otras sustancias

ajenas al alimento, es decir no se requiere de ASM.

2. El diseño del equipo está bien desarrollado y es relativamente barato.

3. Algunas veces se puede predecir el comportamiento a lo largo de la

torre plato a plato sin necesidad de planta piloto (Equilibrio líquido-

vapor).

4. Solamente se manejan fluidos, el alimento puede ingresar a la torre en

diferentes estados de agregación.

5. Se puede alcanzar el grado de separación deseado (Se puede emplear

más etapas).

6. En general es deseable que la mezcla a separar no presente

azeótropo.

1.6.1.4. Destilación Extractiva.

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Cuando las diferencias de volatilidades de las especies a separar son tan

pequeñas que requerirían un número muy elevado de platos en una

operación de destilación fraccionada por etapas, o una altura de

empaquetadura muy grande en las torres empacadas, puede recurrirse a la

destilación extractiva. En este caso se utiliza un ASM para aumentar las

diferencias de volatilidad entre las especies seleccionadas de la

alimentación y, en consecuencia, reducir a un valor razonable el tamaño de

la columna necesaria. Generalmente el ASM es menos volátil que cualquiera

de las especies contenidas en la mezcla de alimentación y se introduce cerca

de la parte superior de la columna. También se utiliza reflujo en el plato

superior con el fin de minimizar el contenido de ASM en el producto de

cabeza.

La sustancia que se agrega debe ser seleccionada con mucho cuidado

porque se debe retirar y en algunos casos puede modificar las sustancias a

destilar. La mejor forma y la mas recomendada desde el punto de vista

económico es que se debe usar un agente de separación másico pesado que

se deba alimentar por encima y su cantidad debe ser mucho mas pequeña

que la alimentación, el solvente no es vaporizado y consecuentemente las



Agente(s) de Separación: Disolvente líquido (ASM)

y Adición de calor (ASE).

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cargas de calor son pequeñas; en general se desea emplear un solvente más

selectivo para hacer mas fácil el proceso de separación, pero un hecho de la

naturaleza es que a mayor selectividad se acompaña una baja solubilidad. El

tolueno, por ejemplo, puede separarse de compuestos no aromáticos de

volatilidades cercanas mediante destilación extractiva usando fenol, o el

benceno recuperarse de mezclas con otros aromáticos utilizando el sulfolano

como agente separador.

1.6.1.5. Absorción con ebullición

Se utiliza cuando no se puede conseguir fácilmente la condensación del

vapor que sale de la cabeza de la columna de destilación, en este caso se

puede introducir en la parte superior de la torre, en lugar del reflujo (se

retira esta zona), un ASM líquido llamado absorbente, que solubilice

preferencialmente los componentes que se desean recuperar en la fase

líquida. Este absorbente se elige La operación que resulta se llama

absorción con ebullición (o absorción fraccionada). Este proceso es común

en destilaciones en las cuales hay hidrocarburos muy livianos en presencia



Agente(s) de Separación: Absorbente (ASM) y

Adición de calor (ASE).

15


de y . La remoción de etano y compuestos más ligeros, por ejemplo, se

remueven del producto de una unidad de cracking catalítico mediante esta

operación.

1.6.1.6. Absorción

Se emplea si la alimentación es vapor y no se necesita en la absorción con

ebullición la sección de agotamiento de la columna para alcanzar la

separación deseada. También se usa cuando en la destilación ordinaria es

difícil condensar el vapor y difícil rehervir los fondos, ya que los productos

son sensibles a la temperatura y no es bueno calentarlos por mucho tiempo.

Este procedimiento puede no requerir un ASE y con frecuencia se realiza a

temperatura ambiente y presión elevada. Los constituyentes del vapor de

alimentación se disuelven en el absorbente en proporciones variables

dependiendo de sus solubilidades. Con frecuencia también se produce la

vaporización de una pequeña fracción de absorbente. El ASM más usado en

la industria es el agua. Por ejemplo, en el proceso de producción de

formaldehído a partir de alcohol metílico, el formaldehído residual es

recuperado mediante absorción con agua, de los gases producto de la

condensación parcial del efluente del reactor. También el acetaldehído y el

formaldehído, formados en la oxidación directa del n-butano, se recuperan

de los gases producto del reactor mediante absorción con agua y solución

diluída de formaldehído, respectivamente.


Fase Generada: Líquido

Agente(s) de Separación: Absorbente líquido

(ASM).

16


1.6.1.7. Desorción o Stripping

La operación contraria a la absorción es la desorción o stripping. En este

caso se separa una mezcla líquida, generalmente a temperatura elevada y

presión ambiente, poniendo en contacto la alimentación líquida con un ASM

llamado vapor de stripping. El ASM elimina la necesidad de vaporizar el

líquido en el fondo de la columna, lo cual es importante cuando el líquido no

es térmicamente estable.

En general, en una planta química, la absorción va acompañada por la

desorción o stripping. Los AMS más usado en la industria son el vapor de

agua y el aire. En la producción de acetona mediante oxidación directa de

propileno, por ejemplo, la acetona y el propionaldehído generados son

recuperados del producto del reactor mediante una desorción con vapor de

agua.

1.6.1.8. Stripping con reflujo (destilación con vapor de agua)

Se emplea cuando

en una desorción

se necesita

mejorar la

separación mas

allá de la que produciría en una simple desorción, con el fin de alcanzar la



Agente(s) de Separación: Vapor de Stripping

(ASM).


Fase Generada: Vapor y líquido.

Agente(s) de Separación: Vapor de stripping (ASM)

y Adición de calor (ASE).

17


separación deseada, o cuando en una unidad de destilación ordinaria el

producto de cola es prácticamente agua pura y no se justifica el ebullidor

para generar vapor de agua. En este caso el ASM debe ser un compuesto

condensable a las condiciones de operación de la unidad de separación. La

destilación al vacío del petróleo usando vapor de agua como agente

separador y la recuperación de metanol de mezclas acuosas son ejemplos de

este tipo de separación.

1.6.1.9. Stripper con Ebullición

Cuando el producto de cola en la desorción es térmicamente estable, este

puede someterse a ebullición sin utilizar un ASM, y en este caso la columna

recibe el nombre de stripper con ebullición. En la industria de refinación del

petróleo se usa esta operación para separar compuestos muy livianos de

naftas generadas en la destilación primaria.

1.6.1.10. Destilación Azeotrópica.

La destilación

azeotrópica se da

en aquellos casos

en los que la

separación





Fase Generada: Vapor y líquido, el AMS va por el

fondo

Agente(s) de Separación: Líquido arrastrador

(AMS) y adición de calor (ASE)

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requerida no puede realizarse o es muy difícil por destilación ordinaria,

debido a la formación de mezclas azeotrópicas con temperatura de

ebullición mínima o por volatilidades relativas muy bajas entre los

componentes que se desean separar. En estos casos se adiciona un

componente llamado “arrastrador” para formar un azeótropo, de bajo punto

de ebullición con el componente de baja volatilidad, que pueda separarse

fácilmente del otro componente. Como ejemplos de este tipo de separación

se tiene la separación del ácido acético de soluciones acuosas, usando

acetato de butilo que es muy poco soluble en agua y en consecuencia forma

un heteroazeotropo con ella. También el tolueno puede separarse de

mezclas de aromáticos similares usando la destilación azeotrópica.

1.6.1.11. Extracción líquido-líquido con uno o dos Disolventes

En esta operación de separación, muy explotada por la industria de

alimentos, se emplea un disolvente cuando definitivamente no se puede



Agente(s) de Separación: Uno o dos líquidos

disolventes (ASM).

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generar vapor de la mezcla por que es muy pesada o porque requiere

condiciones extremas, o cuando hay una diferencia de solubilidad muy

marcada de los componentes en un solvente que puede explotarse para

lograr la separación. El ASM debe ser inmiscible con la mezcla inicial. En la

separación con dos disolventes se generan 3 fases y tiene como objetivo una

separación con mayor selectividad. Esta operación normalmente es

combinada con la destilación ordinaria para recuperar el solvente extractor.

En ella se usan también las torres de platos y las torres empacadas, como

las que se utilizan en destilación y absorción, pero además cascadas de

tanques extractores y sedimentadores, y tecnologías patentadas como los

extractores Scheibel.

Son muchas las aplicaciones industriales de esta operación de separación,

especialmente para separar mezclas de isómeros, es el caso de los ácidos o-

nitrobenzoico y p-nitrobenzoico. Estos compuestos pueden separarse de sus

mezclas usando agua y cloroformo como solventes; el cloroformo disuelve

preferencialmente al isómero para y el agua al isómero orto. También se

usa la extracción líquido-líquido para recuperar mezclas de aromáticos

obtenidas en la reforma catalítica; por ejemplo, en el proceso Udex

desarrollado por UOP/Dow Chemical se usa como solvente extractor el

dietilen glicol.

1.6.1.12. Secado.

En general la

eliminación de

pequeñas cantidades de líquido, normalmente agua, de sólidos, líquidos y

Fase Inicial (Alimentación): Líquido y sólido.


Agente(s) de Separación: Gas (ASM) y/o adición de

calor (ASE)

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gases se ha denominado “secado”; en este texto reservaremos este nombre

a la eliminación de pequeñas cantidades de líquido mediante su

vaporización por contacto con un gas inerte no condensable, generalmente

aire.

Puesto que hay muchos productos químicos que se procesan en húmedo y se

venden secos, una de las etapas frecuentes en sus procesos de fabricación

es la operación de secado. Aunque el único requerimiento básico del secado

es que la presión de vapor del líquido a evaporar sea mayor que su presión

parcial en la corriente gaseosa, el diseño y operación de secadores es un

problema complejo de transmisión de calor, flujo de fluidos y transferencia

de masa. Son muchos los procesos industriales que utilizan esta operación

para acondicionar el producto a la calidad y formulación comercial. En la

producción de la mayoría de plásticos y fibras como el polietileno, el

polivinil cloruro (PVC) y el polietilen tereftalato (PET) está presente; pero

también en la producción de muchos químicos que son sólidos a

temperatura ambiental, es el caso de la producción de ácido tereftálico por

oxidación de p-xileno.

Los equipos en esta operación son muy disímiles a los usados en las

operaciones anteriormente descritas, aunque igualmente operan en

contacto por etapas o en contacto continuo. Las tecnologías de estos

equipos son muy variadas, entre ellas pueden mencionarse los secadores de

túnel, tipo turbo, rotatorios, por aspersión y de lecho fluidizado, entre otros.

1.6.1.13. Evaporación.



Agente(s) de Separación: Transmisión de calor (ASE).

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Se define generalmente como la transferencia del vapor de un líquido hacia

un gas debido a la vaporización originada por adición de calor. Básicamente

se usa para separar grandes cantidades de líquidos de sólidos en solución o

concentrar dichas soluciones. La principal aplicación de la evaporación es la

concentración de soluciones de sólidos no volátiles como soluciones salinas

o los jugos en la producción de azúcar a partir de la caña de azúcar.

También está presente en la eliminación de agua en el proceso de oxidación

con aire del etileno para producir los etilenglicoles, y en la producción de

úrea a partir amoníaco y dióxido de carbono.

La vaporización también se genera en otras operaciones de separación que

toman nombres específicos como el secado, la humidificación, el

acondicionamiento de aire y el enfriamiento de agua, pero en ellas el vapor

no se genera por ebullición de una solución como se da en la evaporación.

Los equipos también son muy variados en tecnología y diferentes a los

descritos en las operaciones anteriores. Generalmente están conformados

por un recipiente que contiene la solución y un dispositivo o elemento

mediante el cual se transfiere calor a la solución, que pueden ser chaquetas

de calentamiento, haz de tubos sumergido o intercambiadores de calor

externos de tubos y camisa.

1.6.1.14. Cristalización.

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Es una operación básica que se utiliza en muchas plantas de fabricación de

productos químicos orgánicos y en casi todas las de productos inorgánicos.

Puesto que la cristalización es esencialmente una etapa de purificación, las

condiciones en el cristalizador deben de ser tales que las impurezas

permanezcan en solución, mientras que el producto deseado cristalice. Hay

una gran parte de arte en el ajuste de la temperatura y el grado de agitación

en un cristalizador con el fin de conseguir la pureza, el tamaño y la forma

de partícula adecuados.

En esencia la cristalización consiste en la separación de un sólido de

soluciones. Para efectuar la cristalización de un sólido hay que partir de una

solución sobresaturada. Existen varias formas de sobresaturar una solución,

una de ellas es a través del enfriamiento de la solución, otra consiste en

eliminar parte del disolvente (Por ejemplo: por evaporación) a fin de

aumentar la concentración del soluto, otra forma consiste en añadir un

tercer componente que tenga una mayor solubilidad que el componente que

se desea cristalizar.

La rapidez del enfriamiento definirá el tamaño de los cristales resultantes.

Un enfriamiento rápido producirá cristales pequeños, mientras que un

enfriamiento lento producirá cristales grandes. Para acelerar la

cristalización es común hacer una “siembra” raspando las paredes del

recipiente. La cristalización puede ser usada para separar compuestos

químicamente similares de baja volatilidad relativa, por ejemplo los


Fase Generada: Sólido y Vapor.


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http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#cristal


isómeros del xileno, o sustancias sólidas que posean una diferencia

significativa en sus puntos de fusión.

Los cristalizadores son muy diversos y su tecnología tiene todavía mucho de

conocimiento empírico. Estos equipos varían desde simples tanque con

agitación y medio de enfriamiento, hasta diseños especializados en

tecnologías patentadas como los cristalizadores Swenson-Walker o los

cristalizadores Kryistal.

1.6.1.15. Sublimación y Desublimación.

La sublimación es la transferencia de una sustancia desde un sólido al

estado gaseoso sin la formación de una fase líquida intermedia,

generalmente operando con un vacío relativamente elevado. Las principales

aplicaciones residen en la separación de un componente volátil a partir de

otro esencialmente no volátil; por ejemplo en la separación del azufre de sus

impurezas, en la purificación de ácido benzoico en el proceso de oxidación

del tolueno con aire, y en el secado de alimentos por liofilización. El proceso

inverso se conoce como desublimación, el cual también se realiza, por

ejemplo, en la recuperación del anhídrido ftálico en el proceso de oxidación

de o-xileno. La aplicación más frecuente de la sublimación en la vida diaria

es el uso de la nieve carbónica como refrigerante para la conservación de

helados, vegetales y otros productos perecederos. Contrariamente a lo que


Fase Generada: Sólido.

Agente(s) de Separación: Transmisión de calor

(ASE).

24


ocurre con el hielo, el gas sublimado no humedece ni deteriora los

materiales congelados.

1.6.1.16. Extracción Sólido-Líquido (Lixiviación).

Es ampliamente utilizada en las industrias de alimentos, metalurgia y

productos naturales. La lixiviación indica el proceso en el cual se realiza la

difusión del soluto desde el interior de un sólido hacia el líquido que lo

rodea; básicamente consiste en sacar algunos sustancias sólidas o líquidas

que se encuentran en mezclas sólidas, mediante la adición de un líquido

donde sean solubles los compuestos que se de sean separar. La forma más

eficaz de conseguirlo consiste en reducir el sólido al menor tamaño posible.

Son muchas las aplicaciones industriales de esta operación, entre las que

pueden mencionarse la extracción de aceites comestibles vegetales usando

n-hexano, la extracción de azúcar de la remolacha con agua caliente, y la

producción de café soluble.

Para aplicaciones a gran escala, especialmente en las industrias

metalúrgicas, se utilizan grandes tanques abiertos con operación en

contracorriente. La principal diferencia entre los sistemas sólido-líquido y

líquido-líquido reside en la dificultad de transportar el sólido, o la

suspensión de sólidos, de una etapa a otra. Por esta razón, con frecuencia el

sólido se deja en el mismo tanque y solamente se transporta el líquido de un

tanque a otro. En las industrias farmacéuticas, de alimentos y de productos

Fase Inicial (Alimentación): Sólido.


Agente(s) de Separación: Disolvente líquido (ASM)

25


naturales, el transporte del sólido en contracorriente se realiza

generalmente por medio de complicados dispositivos mecánicos.

Así como en la cristalización, en esta operación los equipos son muy

diversos y su tecnología tiene todavía mucho de conocimiento empírico.

Ellos varían desde simples tanques agitados combinados con filtros, hasta

diseños especializados en tecnologías patentadas como los tanques Pachuca,

el extractor de Kennedy o el extractor Bollman.

1.6.1.16. Adsorción.

Las operaciones de adsorción explotan la adsortividad relativa, similar a la

volatilidad relativa en la destilación y a la selectividad en la extracción

líquido-líquido; propiedad especial que tienen ciertos sólidos para hacer que

sustancias específicas de gases y soluciones líquidas se concentren en sus

superficies. En esta operación la mezcla a separar se pone en contacto con

un sólido insoluble que adhiere las sustancias por acción de fuerzas

intermoleculares o de unión química entre el material sólido y las sustancias

a adsorber.

En el campo de las separaciones gaseosas, la adsorción se utiliza para

deshumidificar aire y otros gases, para eliminar olores e impurezas

desagradables de gases industriales como dióxido de carbono, para

recuperar vapores valiosos de disolvente a partir de mezclas diluidas con

aire y otros gases y para fraccionar mezclas de gases de hidrocarburos que

Fase Inicial (Alimentación): Vapor o líquido.

Fase Generada: Sólido.

Agente(s) de Separación: Adsorbente sólido (ASM)

26


contienen sustancias como metano, etileno, etano, propileno y propano. Las

separaciones típicas de líquidos incluyen la eliminación de humedad disuelta

en gasolina, decoloración de productos de petróleo y soluciones acuosas de

azúcar, eliminación de sabor y olor desagradables del agua y el

fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos aromáticos y parafínicos.

Los materiales adsorbentes más comunes son las arcillas, la sílice, el carbón

activado y una amplia gama de tamices moleculares. Por ejemplo, los

tamices moleculares se usan en la recuperación p-xileno de una corriente de

hidrocarburos C8 por adsorción en un lecho fijo, o en la deshidratación de

soluciones acuosas de alcohol etílico.

1.6.2. Operaciones Intrafaciales

En estas operaciones de separación la transferencia de masa se da entre

fases miscibles mediante el uso de agentes separadores energéticos o

másicos, usando barreras (membranas) o campos que causan que los

compuestos se difundan a velocidades diferentes. La gran ventaja de estas

operaciones es el ahorro de energía y/o materiales que si son necesarias en

las operaciones interfaciales. La tabla siguiente resume las principales

características de las operaciones intrafaciales más conocidas:

Operación Básica

Estado de la fase Método de separación

Agente de separación

Difusión por presión

Gas Gradiente de presión inducido

por fuerza centrífuga

Fuerza centrífuga

Difusión gaseosa Gas Flujo forzado a través de

barreras porosas

Barrera porosa

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Ósmosis inversa Líquido Gradiente de presión para

vencer la presión osmótica

Membrana

Permeación Gas o líquido Flujo forzado a través de una

membrana semipermeable

Membrana

Diálisis Líquido Diferencia de velocidad de

difusión a través de una

membrana

Membrana

Fraccionamiento de espuma

Líquido Concentración selectiva de

especies en la interfase.

Interfase de espuma

Separaciones cromatográficas

Gas o líquido Concentración selectiva en y sobre sólidos

Sólidos

Zona de fusión Sólido Zona líquida que se desplaza a

través de lingote metálico

Gradiente de temperatura

Difusión térmica Gas o líquido Gradiente de concentración inducido por temperatura

Gradiente de temperatura

Electrólisis Líquido Campo eléctrico y membranas

Campo eléctrico y membranas

Electrodiálisis Líquido Campo eléctrico y membranas

cargadas

Membrana y campo eléctrico

28


1.7. Selección de un proceso de separación

En general, no existe una única ruta para la selección de un proceso de

separación, el resultado final de un proceso seleccionado obedece a criterios

económicos los cuáles están sujetos a restricciones intangibles tales como

estrategias de mercado, confiabilidad y riesgos de innovación. Dentro de las

restricciones intangibles se pueden presentar dos casos:

1. El producto es de alto valor unitario con una expectativa de vida corta. En

este caso el procedimiento de escogencia de la operación de separación es

el primer método próspero, predomina la delantera en el mercado.

2. El producto presenta alto volumen químico y muchos productores con

alta competitividad en el mercado. En este caso hay tiempo y restricciones

monetarias para el desarrollo de equipos y del proceso. Se busca la

optimización de las etapas de separación.

El grado de acercamiento al esquema de separación óptimo para cualquiera

de los anteriores dependerá del tiempo y del dinero disponible para el

desarrollo y análisis, así como de la habilidad del Ingeniero de diseño de

procesos.

1.7.1 Etapas generales en la selección de un proceso de separación

A continuación se enumeran las etapas usuales en un proceso de selección:

a) Definición del problema: establecer la pureza del producto (definido por

el comprador) y las especificaciones de separación (definido por el

diseñador).

29


b) Seleccionar los métodos de separación que son factibles técnicamente:

determinar cuáles métodos son capaces de lograr la separación deseada.

Tener en cuenta que para que dos compuesto se puedan separar debe haber

una diferencia en alguna propiedad de ellos, “el objeto del diseño de un

proceso de separación es explotar diferencias en propiedades en la forma

más económica para lograr la separación”. Algunas de las propiedades que

se pueden explotar son;

Propiedades de equilibrio

Volatilidad.

Solubilidad.

Distribución entre fases líquidas

inmiscibles.

Punto de fusión.

Equilibrio de reacción química.

Carga eléctrica (punto isoeléctrico).

Sorción superficial.

Propiedades de velocidad

Difusividad.

Movilidad iónica.

Tamaño molecular

Forma o configuración molecular

c) Determinar la escala de operación: este es a menudo el factor económico

determinante en la selección de una alternativa de separación. La escala de

operación hace que se descarten o favorezcan algunos de los métodos

seleccionados en la etapa anterior, “cualquier proceso de separación debe

ser compatible con la escala de operación de la planta comercial”.

30


d) Determinar la confiabilidad del diseño: es el factor más importante entre

todos los factores que afectan la selección del proceso de separación. La

planta construida debe trabajar adecuadamente para producir un producto

aceptable que se pueda vender y genere ganancias. Destilación es hasta el

momento el método con el diseño más confiable.

e) Determinar la necesidad de planta piloto: una planta piloto es necesaria

para aquellos métodos cuyo diseño no es muy confiable o para probar la

operación integrada de todas las unidades.

f) Determinar el número de etapas requeridas: el número de etapas afecta

enormemente los costos. En la mayoría de los casos un proceso de una sola

unidad de separación es más económico que uno de varias.

g) Determinar el capital y los costos de inversión relacionados: se deben

estimar los costos de inversión (capital) para los métodos de separación

seleccionados y compararlos con los gastos que cada uno generaría. Algunas

reglas empíricas para estimar los costos de inversión y los gastos son:

, válida para plantas grandes y para procesos de

una sola unidad.

Gastos por depreciación y mantenimiento = 20-25% de la inversión

h) Determinar los requerimientos energéticos y operacionales: los

requerimientos energéticos y operacionales afectan la inversión inicial

(hornos, intercambiadores, bombas) y los gastos de mantenimiento

(combustible, electricidad, insumos químicos). Para calcularlos es necesario

conocer en detalle los principios fisicoquímicos que rigen el proceso y

conocer la forma como las diferentes unidades del proceso se interconectan.

31


1.7.2. Método sugerido para la selección del proceso: Método del

caso base

Una vez se tiene la lista de los procesos de separación seleccionados con los

criterios anteriores, se toma el que se considera más económico y viable

como el caso base. Luego el diseñador determina los costos de capital y de

operación del caso base, los cuales se comparan con los del segundo

proceso de la lista que se considera más económico y viable. De esta forma

se eliminan procesos hasta obtener el óptimo. Cuando las diferencias en

costo de dos procesos son muy pequeñas, se deben seleccionar los dos

procesos para un análisis más riguroso.

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