UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS.

ESPE-L

Operaciones unitarias I

Trabajo de investigación escrito e individual relacionado con el estado sólido y las principales operaciones unitarias que se utilizan en el

manejo de los sólidos en la industria química.

Nombre: Jessenia López.

Carrera: Petroquímica.

Fecha: 15 de Junio de 2015.

SÓLIDO. Es un estado de agregación de la materia. Sus partículas solamente pueden moverse vibrando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas. Las partículas en el estado sólido se encuentran de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.

“Los sólidos a bajas temperaturas y a presiones constantes, los cuerpos sólidos forman generalmente estructuras cristalinas”. [1]

Características de los sólidos. Son compactos: Las moléculas de los sólidos se encuentran muy unidas una de las

otras por las fuerzas de cohesión, el espacio es muy reducido entre las moléculas, haciendo que el sólido tenga una estructura molecular compacta.

Cohesión: En los sólidos las fuerzas de cohesión son muy fuertes, cuando estas fuerzas son vencidas, el sólido tiende a romperse.

Incomprensibles: Las moléculas de los sólidos al encontrarse muy unidas, tienen mayor resistencia a ser comprimidos, ya que hay muy poco espacio por llenar y las moléculas no se deslizan una sobre otra.

Forma definida: Sus moléculas se encuentran estrechamente unidas entre sí, por lo cual es espacio entre las moléculas es muy reducido y casi no hay movimiento entre las moléculas, lo que hace que tengan forma definida. Son relativamente rígidos y no fluyen con los gases y los líquidos, excepto a bajas presiones extremas.

Volumen definido: Debido que tiene una forma definida, su volumen es también constante.

Alta densidad: Las moléculas de los sólidos se encuentran muy unidas esto causa densidades relativamente altas.

Flotación: Algunos sólidos cumplen esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.

Orden: Los sólidos pueden presentar diferentes organizaciones cristalinas, a este fenómeno se le llama alotropía.

Dureza: Los sólidos son duros; presenta distintos grados de dureza, la dureza es la oposición que presentan los sólidos al ser rayados o cortados. Un sólido duro no puede ser rayado por un más blando. El diamante es un sólido con dureza elevada. Ejemplo: la oposición de un trozo de madera a ser penetrado cuando se le introduce un clavo.

Ductilidad: Algunos materiales sólidos, principalmente metales, poseen ductilidad que es la propiedad de deformarse bajo la acción de una fuerza sin llegar a romperse.

Maleabilidad: Algunos sólidos pueden deformarse y conserva la forma que se les ha dado, sin romperse.

Elasticidad: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Ejemplo: un resorte.

Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos pedazos por la acción de una fuerza. Los sólidos al ser sometidos a bajas temperaturas, disminuyen su dureza siendo entonces materiales frágiles.

Inercia: Resistencia que presenta los sólidos a modificar su posición en estado de reposo.

Caracterización de las partículas sólidas. Para caracterizar partículas sólidas se debe hacer énfasis en las propiedades a una partícula individual y que estudia el comportamiento de partículas sólidas en la reducción de tamaño. Entre ellas se tienen: densidad y forma de la partícula.

Densidad. Las partículas de sólidos homogéneos tienen la misma densidad que el material de origen, mientras que cuando son sólidos heterogéneos, al romperse, presentan diferentes densidades entre sí y con el sólido de origen.

Forma de las partículas. La forma de las partículas irregulares se define en función de un factor de forma λ, es independiente del tamaño de la partícula. Si se define Dp como el diámetro de la partícula, el factor de forma está relacionado con éste valor.

Tamaño de la partícula. Si las partículas tienen la misma dimensión el tamaño lo específica cualquier lado

de la misma. Si son partículas irregulares, es decir, tengan una dimensión más grande que otra,

su tamaño se determina tomando en cuenta la más grande.

Reducción de tamaño. Reduce el tamaño de un sólido a un tamaño deseado por la aplicación de fuerzas de impacto, compresión, cortado. Esto aplica que la modificación de superficie más la tensión superficial de un área de contacto adecuado.

Importancia de la reducción de tamaño. Se extrae un producto que se encuentra dentro de una estructura sólida, como la

obtención de harina a partir de granos y jarabe a partir de la caña de azúcar. Obtener partículas de tamaño determinado para cierto alimento, como la azúcar,

pastillas, refinado de chocolate. Al disminuir el tamaño de una partícula incrementa su velocidad de calentamiento o de

enfriamiento.

Clasificación de los sólidos.Según su estructura.

Sólidos amorfos: Carecen del orden tridimensional regular de los sólidos cristalinos, como se indica en la figura 1. No poseen un punto de fusión definido. Ejemplo: caucho, vidrio, polímeros.

Figura 1. Estructura interna de un sólido amorfo.

Sólidos cristalinos: Poseen una estructura ordenada de las partículas que los constituyen con una forma externa limitada por superficies planas que son consecuencia del orden interno, como se indica en la figura 2. Poseen un punto de fusión definido. Ejemplo: cloruro de sodio, sulfatos, carbonatos, óxidos, metales.

Figura 2. Estructura interna de un sólido cristalino.

Tipos de sólidos cristalinos. Iónicos: Al estar formados por iones y cationes de distinto tamaño, las fuerzas de

cohesión son debidas son debidas a enlaces iónicos, por lo que la energía de enlace oscila a las 100 KJ/mol. Poseen ciertas propiedades: duros y frágiles, elevado punto de fusión, buenos conductores de calor. Ejemplos: silicatos, sales.

Covalentes: Las fuerzas de cohesión son debidas por los enlaces covalentes, por lo que las uniones presentan energías del orden entre 100 y 1000 KJ/mol. Propiedades: duros e incomprensibles, malos conductores de calor y electricidad. Ejemplos: grafito, diamante, cuarzo.

Moleculares: Constituidas por moléculas, las fuerzas de cohesión son debidas a puentes de hidrogeno y a fuerzas de Van der Waals, que son de intensidad reducida. Por ello su energía de cohesión es del orden 1 KJ/mol. Propiedades: blandos, comprensibles y deformables, bajo punto de fusión, malos conductores de calor y de electricidad. Ejemplos: Hielo, dióxido de azufre.

Metálicos: Cada átomo de masa lo constituye un átomo de metal. Los electrones están deslocalizados, moviéndose por todo el cristal. Propiedades: buena resistencia ante

esfuerzos externos, buenos conductores del calor y la electricidad. Ejemplos: litio, calcio, sodio.

Según su geometría.Poliedros: Son cuerpos geométricos cuyas caras son todas figuras geométricas planas. Entre los más conocidos: pirámide, prisma.Redondos: Son cuerpos redondos son aquellos que tiene, al menos una de sus caras o superficie curva. Entra las conocidas: esferas, cono, cilindro.

Operaciones unitarias de los sólidos.

Operaciones unitarias de separación basadas en el transporte de la cantidad de movimiento.

Sedimentación. Se utiliza para separar partículas sólidas dispersas en un líquido, la diferencia de densidades entre las partículas sólidas y el líquido hace que, las partículas sólidas sedimenten, depositándose en el fondo por la acción de la gravedad, de donde los sólidos son eliminados en forma de lodos, como se indica en la figura 3.

Figura 3. Proceso de sedimentación. [1]

Flotación. Se emplea para separar de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida. La separación se consigue introduciendo finas gotas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto de partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido, como se indica en la figura 4.

Figura 4. Proceso de flotación. [2]

Filtración. Separa mezclas de sustancias compuestas de partículas sólidas y liquidas por medio filtrante poroso que atraviesa la sustancia quedando en la parte superior del medio filtrante el sólido y pasa el líquido, como se indica en la figura 5.

Figura 5. Proceso de filtración. [2]

Centrifugación.Por medio de fuerzas centrifugas separa el líquido de los sólidos.

Mecanismo de separación. Las separaciones mecánicas son aplicables a mezclas heterogéneas y no a disoluciones homogéneas. Las técnicas están basadas en las diferencias físicas entre las partículas, tales como tamaño, forma o densidad. Existen un método: la utilización de un tamiz, tabique o membrana, como una criba o un filtro, que retiene uno de los componentes y deja pasar al otro. Para problemas especiales se utilizan otros métodos que se basan en la diferencia en la humectabilidad o en las propiedades eléctricas o magnéticas de las sustancias. Otros métodos son: trituración y molienda pertenecen el proceso de minería en las canteras para la exportación de minerales, metales, piedras, arenas, etc. Sin embargo, entre ambas todavía existen algunas diferencias detalladas. Por ejemplo, la trituración es para triturar piedras en más pequeño tamaño, generalmente, usa en el primer paso de procesamiento.

Mientras que la molienda es para moler las piedras en un tamaño más pequeño después de la trituración. Es más fino que la trituración.

Tamizado Se utiliza para dos sólidos formados por partículas de tamaño diferente. Consiste en hacer pasar una mezcla de partículas de diferentes tamaños por un tamiz, las partículas de menor tamaño pasan por los poros del tamiz las partículas grandes quedan atrapadas por el mismo. Un ejemplo podría ser: si se saca tierra del suelo y se espolvorea sobre el tamiz, las partículas finas de tierra caerán y las piedras y partículas grandes de tierra quedarán retenidas en el tamiz. De esta manera se puede hacer una clasificación por tamaños de las partículas, como se indica en la figura 6.

Figura 6. Clasificación del tamaño de partículas por varios procesos de tamizado. [4]

“El tamiz consiste de una superficie con perforaciones uniformes por donde pasará parte del material y el resto será retenido por él. Para llevar a cabo el tamizado es requisito que exista vibración para permitir que el material más fino traspase el tamiz”. [5]

Molienda. Reduce el volumen promedio de las partículas de una muestra sólida. Alta eficiencia y bajo consumo de energía, partículas de tamaño uniforme, que puede sustituir a la trituradora.

Equipos de molienda. Molino de bolas. Molinos de impacto. Molinos de tazón. Molinos de fricción.

Trituración. Es la reducción de materiales comprendidos entre un metro o un centímetro. Etapas de la trituración

Trituración primaria: con materiales de un metro a diez centímetro. Trituración secundaria: materiales de tamaño entre diez centímetros a un centímetro.

Ejemplo: algún material extraído de cantera y que se trata en una trituradora, en esa etapa se realizara la trituración primaria. Si de allí el material producido pasa a una segunda trituradora, en esta se efectuara la trituración secundaria.

Equipos de trituración. Trituradores de mandíbula. Trituradores giratorias. Trituradores de cilindro.

Aumento de tamaño. Las partículas de pequeño tamaño adquieren mayor masa o volumen. Existen dos procesos de aumento de tamaño:

Granulación. Compresión.

Importancia del aumento de tamaño en la industria. Mejorar la apariencia del producto. Minimizar la formación de aglomerados. Mejorar las propiedades de flujo. Controlar la solubilidad, dispersión y porosidad. Aumentar la densidad de lecho con fines de almacenamiento. Proteger a las partículas de la humedad.

Granulación. Se utiliza un ligante líquido que se agrega a material particulado para formar enlaces entre partículas o entre las gotas del ligante y los sólidos. Esto ocurre en un ambiente agitado que promueve la dispersión del líquido y el crecimiento del granulado.

Las etapas que ocurren en la granulación son los siguientes:

Distribución del ligante o mojado. Crecimiento y consolidación. Atrición y ruptura.

Las etapas de granulación definen el tamaño y la porosidad de los granulados. Se explica en la figura 7.

Figura 7. Etapas en el proceso de granulación.

Elección del equipo para granular. La selección del equipo tiene que basarse en la calidad del producto deseado, sin embargo existen las siguientes restricciones al elegir el equipo:

El estado del material que se quiere granular. Necesidad de operar con un proceso seco a la sensibilidad del material a la humedad. Capacidad del equipo en manejar tamaños de partículas diferentes. Necesidad que opere en un ambiente cerrado debido que el polvo se puede incorporar

al material.

Equipos para granular. Alto corte continuo: densidad del granulado alta o baja y pueden manejar materiales

muy cohesivos. Alto corte batch: densidad del granulado es alta y pueden manejar materiales muy

cohesivos. Lecho fluidizado: densidad del granulado baja y moderada, muy bueno para procesos

de coating. Disco rotatorio de tambor rotatorio: para granulados muy esféricos, una densidad de

granulado moderada. Encontramos algunas aplicaciones del granulado en la figura 8.

Figura 8. Aplicaciones del proceso de granulación.

Compresión. Se aplica una fuerza externa como la presión sobre una masa de sólidos particulados, en la cual es moldeado a la forma deseada sin necesidad de aglutinantes. La compresión es independiente de la distribución de tamaño de las partículas originales, por esta razón es un método muy versátil para aumentar el tamaño de la partícula. Los métodos de granulación son utilizados en la industria de alimentos para producir cacao en polvo, café instantáneo, leche en polvo, azúcar.

La compresión se lleva a cabo en dos etapas:

Primero etapa se somete a baja presión para que las partículas se acomoden. En esta etapa se disipa energía, por esta razón si se bajara la presión las partículas no volverían al estado inicial.

Segundo etapa es el aumento abrupto de presión donde las partículas frágiles se rompen y las maleables se deforman. En algunas ocasiones que han permanecido en estado elástico pueden causar problemas después de obtener el producto comprimido, ya que al liberar energía almacenada tienden a volver a su estado inicial, este problema suele resolverse aumentando el tiempo en el que se somete el producto a la compresión.

Mezclas de sólidos o de pastas. Para el mesclado de pastas se utiliza los agitadores o paletas que remueven la mezcla contenida en un tanque, mientras para un mesclado de sólidos unos dispositivos mezcladores que agitan el recipiente en conjunto o mecanismo de vaivén en el interior de la masa del sólido

Transporte de los sólidos.Es el traslado de un sólido de un lugar a otro. Para la elección del equipo de transporte correcto debe tomarse en cuanta:

Capacidad del trasportador. Longitud de desplazamiento. Elevación. Requisitos de procesamiento. Costos.

Almacenaje de los sólidos Si el sólido tiene un precio bajo e inalterable a la acción de agentes atmosféricos y se

procesa en grandes cantidades se pueden almacenar en grandes pilas a la intemperie. Sólidos que son alterables a la acción de agentes atmosféricos se almacenan en lugares

cerrados o en silos.

Bibliografía:1. Valenzuela, C. (1994). Quimica general. En C. Valenzuela, "Estado sólido" (págs.

273-276). Madrid, España: Rogar S.A.

2. Casal, J. (1981). Ingenieria Quimica operaciones basicas. En J. Casal, "Sedimantacion" (págs. 8-10). Barcelona, España: Reverte S.A.

3. Lopez, J. C. (2004). Curso de ingenieria quimica. En J. C. Lopez, "Introduccion a los procesos, las operaciones unitarias y a los fenomenos de transporte" (págs. 83-85). Barcelona, España: Reverte S.A.

4. Masaguer, J. (1996). Quimica Inorganica practica avanzada. En J. Masaguer., "Propiedades de los sólidos" (págs. 5-7). Barcelona, España: Reverte S.A.

5. Orozco, M. (1995). Operaciones Unitarias. En M. Orozco, "Procesos de la industria" (págs. 8-10). Barcelona, España: Limusa S.A.

6. Rios, E. G. (1986). Quimica. En E. Gutierrez, "Tamizado" (pág. 8). Barcelona, España: Reverte S.A.