Procesos de separación

OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN

Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 1

INTRODUCCIÓN

En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales, de salida o productos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente diferentes, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas " Operaciones Unitarias", siempre y cuando las transformaciones sean a nivel macroscópico. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso.

Un proceso puede ser cualquier conjunto de etapas u operaciones unitarias que apliquen modificaciones de la composición química o ciertos cambios físicos en el material que se va a preparar, aislar, mezclar, procesar, separar o purificar. Ya que cada una de las etapas que constituyen un proceso se encuentra sujeta a variaciones, el encargado del proceso debe especificar también las condiciones exactas bajo las cuales debe llevarse a cabo cada etapa.

Cuando se plantea el problema de separar los componentes que forman una mezcla homogénea se deben de aprovechar las diferencias que existen en las propiedades de los constituyentes que forman la mezcla para efectuar su separación. Se debe analizar las diversas propiedades químicas y físicas de los constituyentes con el objeto de determinar en cuales de esas propiedades se observa una mayor diferencia entre los componentes, ya

que por lo general, cuanto mayor sea la diferencia de alguna propiedad, más fácil y económica será la separación deseada.

Las operaciones unitarias se relacionan con los procesos de separación ya que se basan en las diferencias que existen en las propiedades físicas más que en las químicas. Tales procesos dependen de la diferencia de composición que presentan las fases en equilibrio o bien la diferencia de velocidad de transferencia de masa que tienen los constituyentes de una mezcla.

PROCESOS DE SEPARACIÓN.

El objetivo de los procesos de separación es purificar una solución.

Para hacer esto se debe causar un transporte diferencial de las especies tal que la mezcla pura pueda ser recogida. La mayoría de los procesos de separación involucra transporte diferencial. Por tanto, los procesos de separación se pueden definir como aquellas operaciones que transforman una mezcla de sustancias en dos o más productos que difieren en composición.

¿POR QUÉ SEPARAR?.

Hay muchas razones por las cuales queremos sustancias puras.



• Necesidad de materiales puros para aplicaciones en ingeniería (semiconductores) • Necesidad de materiales puros para su procesamiento • Necesidad de remover toxinas o compuestos inactivos de una solución • Necesidad de muestras ultra-puras como referencias • Necesidad de análisis de componentes de una mezcla (ADN) • Separación de materia prima en sus componentes (petróleo) Basado en las motivaciones se puede dividir las separaciones en tres áreas:

La lista de los diferentes métodos de separación es ilimitada. Por lo tanto se hará énfasis en las principales operaciones de separación industrial que utilizan los Ing. Químicos.

CARACTERISTICA DE LOS PROCESOS DE SEPARACIÓN.

Agente de separación y principio de separación.

La alimentación consiste de una corriente de materia o de varias corrientes. Hay dos productos que difieren en composición; esto es consecuencia de la naturaleza fundamental de una separación (Principio de separación). La separación es causada por la adición de un agente de separación, que toma la forma de otra corriente de materia o energía. Con frecuencia, el agente de separación provoca la formación de una segunda fase de materia. Una separación tiene lugar si la fase generada tiene una composición diferente de la fase inicial (alimentación). Ejemplos:

Factor de separación. Nos indica el grado de separación que podemos obtener en cualquier proceso de separación en particular.

Así, el factor de separación es la razón de las fracciones molares de los dos componentes en el producto 1 dividido por la razón en el producto 2.



Tener en cuenta:

Sistemas V-L:

oji

oii

ij

oj

oi

ij

PPidealesnoocesos

PPidealesocesos

..Pr

Pr

.

Sistemas binarios: ii

iisij yx

xy

1.1.

Sistemas L-L: 21

12

22

11

..

//

ji

ji

ji

jisij xx

xx

Recordar:

El equipo en sí no realiza la separación sino, un agente dentro de él.

El agente de separción puedes er materia o energía, lo cual permite la separación propiamente, de esto depende el tipo de proceso de separación.

Lo mínimo que se obtiene de un proceso de separación son dos (2) productos.

Los productos tienen que tener diferente composición, si tienen la misma composición de separación no es eficiente.

DESCRIPCIÓN BÁSICA DE LAS OPERACIONES

Los procesos de separación involucran diferentes modos de operación: • Lote o Batch: no hay flujos

• Continua: Flujos continuos en la entrada y la salida • Semi-continua: pausa en los flujos Operaciones son clasificadas como operaciones claves o auxiliares • Operación clave: involucra separación o reacción. Ejemplos: destilación, reactor, separacion de fases • Operaciones auxiliares: no hay cambio en la composición química. Ejemplos: bombas, compresores, intercambiadores de calor. Para identificar esas operaciones se cuenta con: Diagrama de flujo de bloques indican: Las operaciones claves por rectángulos y Flujos de un proceso a otro por líneas Diagrama de flujo del proceso indica los procesos por:



Símbolos realísticos de los equipos Incluye las operaciones auxiliares

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede hacerse

principalmente por tres caminos: Modificando su masa o composición

(separación de fases, mezcla,...)

Modificando el nivel o calidad de la

energíaque posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión, ...)

Modificando sus condiciones de

movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección).

Estos tres son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede sufrir. De acuerdo con estas ideas, normalmente se clasifican las operaciones unitarias en función de la propiedad -materia, energía o cantidad de movimiento que se transfiere en la operación o

la que sea más relevante. Debe notarse que en cualquier operación, por lo común se transferirá simultáneamente materia, energía y cantidad de movimiento pues las dos últimas propiedades están asociadas a la materia, por el hecho de existir. No obstante, la operación no vendrá controlada necesariamente por las tres transferencias, sino sólo por una o, a lo sumo, por dos. De acuerdo con el criterio de cuál es la transferencia más relevante, las operaciones unitarias se clasifican en: • Operaciones de transferencia de materia. • Operaciones de transmisión de energía. • Operaciones de transmisión simultánea de materia y energía. • Operaciones de transporte de cantidad de movimiento

Operaciones de transferencia de materia: cuando se ponen en contacto dos fases que no están en equilibrio desde el punto de vista de un determinado componente, éste se transfiere de una fase a otra, tendiendo al equilibrio. Aprovechando esta difusión entre fases se pueden diseñar distintos tipos de aparatos que pongan en íntimo contacto dos fases distintas, con el objetivo general de conseguir la separación de uno de los componentes de una fase, mediante la acción de la otra.



Operaciones de transmisión de energía: Estas operaciones son sólo una parte de aquéllas controladas por la transferencia de energía, ya que un sistema y sus alrededores pueden intercambiar energía en forma de calor o en forma de trabajo. Las operaciones unitarias en las que la velocidad de transmisión de calor desempeña el papel controlante son la evaporación y la condensación. Operaciones de transmisión simultánea de materia y energía: Existen operaciones en las que se da simultáneamente una transferencia de materia y una transmisión de calor, siendo ambos procesos controlantes del proceso de la operación. Hay simultáneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pueden ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos.

Operaciones de transporte de cantidad de movimiento

SELECCIÓN DE PROCESOS DE SEPARACIÓN. Propiedades físicas de los componentes.

Estabilidad térmica: obtener un proceso que

no sea afectado por la temperatura. Formación de espuma: algunas muestras

pueden formar espumas por las propiedades químicas y estas pueden afectar los equipos.

Formación de productos de corrosión: si el

producto es corrosivo daña todo, para ello estan las aleaciones.



Diseño de ingeniería y desarrollo: si la operación es una de las ya establecidas, se puede adquirir el equipo de diseño mecánico estándar. La diferencia de costes entre un separador convencional que utiliza equipo auxiliar normalizado y un separador no convencional que requiere desarrollo y ensayo puede ser excesiva.

Costo fijo y de operación: Los costes fijos comprenden los costes del equipo y su instalación. Los costes del equipo dependen grandemente de la complejidad geométrica, de los materiales de construcción y de las condiciones de operación que ha de soportar. El último factor es favorable para los separadores que operan en condiciones ambientales. Cuando se comparan diversos tipos de separadores es preciso incluir los costes del equipo auxiliar (ejemplo: bombas, compresores, cambiadores de calor, etc.). Generalmente se necesitará un separador adicional y su equipo auxiliar para recuperar un AMS.

Los costes de operación de diferentes tipos de separadores tienen distintos costes de servicios, mano de obra, mantenimiento, depreciación y control de calidad. Si se necesita un AMS, no será posible recuperar el 100% de esta substancia y se generarán costes de reposición. El coste de las materias primas es con frecuencia la principal partida de los gastos de operación, Por tanto, es imperativo que el separador sea capaz de operar de acuerdo con la eficacia del diseño. Operabilidad: Aunque no existen criterios

distintivos para lo que constituye el diseño

de un separador operable o no operable, la experiencia y el criterio de los ingenieros y operadores de planta debe tenerse muy en cuenta.

Seguridad: Cada vez es más frecuente conducir la valoración cuantitativa de los riesgos del proceso mediante las formas y efectos de los fallos, árbol de fallos, u otras alternativas analíticas. Por tanto, la probabilidad de un accidente, con la correspondiente pérdida potencial, es un factor de coste que, aunque probabilístico, deberá de tenerse en cuenta.

Factores ambientales y sociales: La visión de

la ingeniería no debe de contemplar solamente las normas actuales sino que debe de anticiparse al futuro. Hay que recordar que lo más barato no es necesariamente lo mejor a largo plazo.

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