Operaciones Unitarias en Mineria

 

Tema 1 Operaciones Operac iones unitarias. unitarias. Conceptos Conceptos generales generales

Tema 1. Operaciones unitarias.conceptos generales Objetivos

E

l alumno deberá familiarizarse con los principios generales de las operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia y/o por la transmisión de calor.. Asimism calor Asimismo o deberá llegar a conocer los criterios que permiten establecer otras clasificaciones.

1. Introducción Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que se llevan a cabo en la industria diariament diari amente, e, si no hubi hubiera era un punto punto en comú común n a todos ellos. ellos. Afortunada Afort unadamente mente,, esta cone conexión xión exi existe. ste. Cualqu Cualquier ier proce proceso so que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas químicas que, en algun algunos os casos son es específ pecíficas icas del pro pro-ceso ces o consid considera erado, do, pero pero en ot otros ros,, son o oper peraci acione oness com comune uness e ÍNDICE

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iguales para varios procesos. Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto fu concepto fuee intro introduci ducido do en 1915 1915 por el pro profeso fesorr Litt Little, le, del Massachussets Institute of Technology (M.I.T.). La definición dada ento entonces nces,, fue la sigu siguient iente: e: “... ttodo odo pr proces oceso o quí químico mico ccononducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como co mo pul pulve veriz rizaci ación, ón, secad secado, o, crist cristali alizac zación ión,, filt iltra ració ción, n, evapo aporaración,, dest ción destilac ilación, ión, etc. El n númer úmero od dee es estas tas oper operacio aciones nes bási básicas cas no es muy gran grande, de, y genera generalmente lmente ssólo ólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado.” Con esta simplificación se ha reducido la complejidad del estudio estud io de los pr proceso ocesoss indu industria striales, les, pues del cconjunt onjunto o de todos los procesos químicos que pueden imaginarse bastará con estudiar el grupo de las 25 ó 30 operaciones unitarias existentes ten tes.. Un proc proceso eso d dete etermi rminad nado o será, será, por tan tanto, to, la co combi mbinanación de operaciones unitarias. ÍNDICE

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2. 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: • Modif Modificand icando o su masa o composici composición ón (s (separa eparación ción de ffases, ases, mezcla,...) • Modif Modificand icando o el n niv ivel el o calida calidad d de llaa ener energía gía qu quee pose poseee (enfri (en friami amient ento, o, vapo aporiz rizaci ación, ón, aument aumento o de pre presió sión, n, ... ...)) • Modif Modificand icando o sus condicione condicioness de mov movimien imiento to (a (aument umentando ando o disminuyendo su velocidad o su dirección). Estos tres son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede sufrir. sufrir. De acuerdo con estas ide ideas, as, normalmente se clasifican las operaciones unitarias en función de la propiedad materia, mater ia, ener energía gía o canti cantidad dad de mo movimien vimiento to que se tran transfi sfiere ere en la operación o la que sea más relevante. Debe notarse que en cualquier cualquier o operac peración, ión, por lo co común mún se tra transfer nsferirá irá sim simultáultáneamente materia, materia, energía y cantidad de movimiento movimiento pues las dos últimas últimas pr propied opiedades ades están están aso asociada ciadass a la mat materia, eria, por el hecho de existir existir.. No obstante, la operación no vendrá controlada necesari necesariament amentee por las tres tr transfe ansferencia rencias, s, sino sólo po porr ÍNDICE

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una o, o, a lo su sumo, mo, por dos. dos. D Dee acu acuerd erdo o con eell cri criter terio io de ccuál uál es la transferencia m más ás rele relevante, vante, las operac operaciones iones unitarias se clasifican en: • ope operac racion iones es de ttran ransfe sferen rencia cia de de mat materi eriaa • ope operac racion iones es de tra transm nsmisi isión ón de eener nergía gía • opera operacione cioness de ttransm ransmisión isión simul simultánea tánea de ma materia teria y ener energía gía • opera operacione cioness de transp transporte orte de cantida cantidad d de mov movimient imiento o

3. Equilibrio y fuerzas impulsoras Un aspecto común a todas las operaciones unitarias es el concepto de fuerza fuerza imp impulsor ulsora, a, causa causante nte de que una tr transfer ansferencia encia de propiedad se produzca o cese. Cuando la fuerza impulsora es nula, el siste sistema ma se encue encuentra ntra en un estado estado tal que no puede puede experimentar ningún cambio de forma espontánea. Se dice que el sistema está en equilibrio. Las diferencias entre la condición real del sistema y la de equilibrio determinan las fuerzas impulsora impulsorass de los disti distintos ntos fen fenómeno ómenoss de transp transporte, orte, que transcurre trans curren n con v velocid elocidades ades p proporc roporcionale ionaless a las mis mismas, mas, e inversamente proporcionales a las resistencias que opone el sistema. ÍNDICE

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Refiri Ref iriénd éndono onos, s, por ejemp ejemplo, lo, a la transf transfere erenci nciaa de mat materi eria, a, si el sistema siste ma es monofás monofásico, ico, la condición condición de equili equilibrio brio será la uniformidad de concentraciones de todos los componentes; existiendo una fuerza impulsora que propicia la transferencia mientras exista un gradiente de concentración en el seno de la fase (se transferirá materia desde la región donde el componente está en mayor concentración a aquella en que se encuentra en concentración concentración menor). Sin embarg embargo, o, en un sistema bifásico, como por ej ejemplo emplo el in integ tegrado rado por una una soluci solución ón acuos acuosaa de yodo yodo y clo cloroform roformo, o, el yodo yodo se tr transf ansfiere iere d desde esde la capa acuosaa a la clorofó acuos clorofórmica rmica,, no termi terminando nando la tra transfere nsferencia ncia con la uniformización de la concentración de yodo en todo el sistema, sino que pro prosigue sigue has hasta ta alcanz alcanzarse arse un esta estado do de equilibrio en el que la concentración de yodo en el cloroformo es unas 50 veces superior a su concentración en la capa acuosa, a la temperatura temperatura or ordinari dinaria, a, siend siendo o tales conc concentrac entraciones iones uni uni-formess en cad forme cadaa una de la lass fase fases. s. Por ta tanto, nto, en los si sistemas stemas polifásico polif ásicos, s, las cond condicion iciones es de equil equilibrio ibrio no son son inmedi inmediatas, atas, siendo la Termodinámica quien proporciona los medios para ÍNDICE

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establecer estas condiciones así como las ecuaciones para poder predecirlas. En esta asignatura estudiaremos las operaciones unitarias de separación separ ación basa basadas das en la transferencia transferencia de materia, materia, transf transferenerencia de energía y ambas simultáneamente. En primer lugar, se hará una breve introducción de cada una de las operaciones que se van van a estudi estudiar ar,, así como de los equipos más utilizados en industria donde llevan a cabo estas operaciones y de los la parámetros que se se deben tener en cuenta a la hora de diseñarlos. ñarlo s. A conti continuaci nuación, ón, dada la importancia importancia del conocimien conocimiento to del equilibrio en el estudio de las operaciones de transferencia de una propied propiedad, ad, se dedica dedica un tem temaa al estud estudio io de las ccondiondiciones de equilibrio y de las ecuaciones que los predicen. La mayor parte parte del temario temario,, estará estará formado por el estudi estudio o riguroso y sistemático de cada una de las operaciones de separación seleccionadas.

4. Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia Como se ha comentado en el caso del yodo y del cloroformo, cuando se ponen en contacto dos fases que no están en equilibrio desde el punto de vista de un determinado componente, ÍNDICE

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éste se transf transfiere iere de un unaa fase a ot otra, ra, tendie tendiendo ndo al equ equilibri ilibrio. o. Aprovechando Aprov echando esta difusión entre fases se pueden diseñar distintos tipos de aparatos que pongan en íntimo contacto dos fases distintas, distintas, con el o objetiv bjetivo o general de de conseguir la separación de un uno o de llos os co compone mponentes ntes d dee una fase fase,, media mediante nte la acción de la otra.  4.1. Destilación. Rectificación

La es una operación unitaria quelíquida consiste enlaseparar destilación dos o más componentes de una mezcla (en que todos los componentes son más o menos volátiles) aprovechando la diferencia de volatilidades de los componentes que forman la mezcla. Se consigue seleccionando la temperatura y presión presi ón de tal maner manera, a, que la fas fasee líquida y v vapor apor que se for for-man tengan concentraciones relativas diferentes. Cuanto mayor sea la diferencia de volatilidades entre los componentes de la mezcla, mayor será la diferencia entre la composición del líquido líquido y del vapo vaporr que se generan generan.. Así, la mezcla líq líquida uida a su punto de ebullición desprenderá vapores más ricos en componentes volátiles. Los vapores se condensarán aparte constituyendo el destilado. La destilación puede llevarse a cabo de muchos modos distintos. Hay dos tipos tipos básicos de operación operación:: desti destilació lación n sin refluÍNDICE

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 jo o destilación simple y destilación con reflujo o rectificación. La destilación simple es la operación de hervir el líquido de un re recipien cipiente te -la calde calderara- conde condensánd nsándose ose aaparte parte los valores va lores qu quee constit constituirán uirán el des destilad tilado, o, queda quedando ndo en la calde caldera ra el residuo (Figura 1a). Realmente no es una operación de transferen trans ferencia cia de m materi ateria, a, pues el líquid líquido o y el v vapor apor qu quee se genera están en equilibrio. Se describe mejor como operación de transferencia de calor. La destilación con reflujo o rectificación cació n se lle lleva va a ca cabo bo en una co columna, lumna, donde eell vap vapor or que abandona la cabez abandona cabezaa de la columna se cond condensa, ensa, y una fracció fracción n del líquido condensado condensado se de devuelve vuelve a la columna, lo que constituye el reflujo; el resto se retira como producto destilado (Figura 1b). En el interior de la columna se ponen en contacto el vapor ascendente con el líquido descendente. En un nivel dado de la columna estas dos corrientes se ponen en contacto entre sí, por lo que hay una tr transfer ansferencia encia de mate materia: ria: pasan los componentes más volátiles del líquido aall v vapor apor,, y los componentes meno nentes menoss v volátil olátiles es del va vapor por al líqui líquido, do, con lo que el vapor se enriquece en componentes volátiles a medida que asciende por la columna. Los distintos tipos de destilación se suelen llevar a cabo en columnas de destilación. Para asegurar un adecuado contacto entre el vapor y el líquido –esencial en la transferencia de ÍNDICE

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Figura 1. a) Destilación simple; b) Rectificación.

materia– se han diseñado varios dispositivos de laboratorio o industriales, basados principalmente en dos criterios d distintos: istintos: las columnas de contacto continuo entre el vapor y el líquido, o columnas columnas de rellen relleno, o, y las column columnas as de conta contacto cto por etap etapas, as, o columnas de platos o pisos. Las columnas de relleno están llenas de elementos sólidos pequeños, peque ños, inert inertes es a la lass fas fases es cir circulan culantes, tes, distr distribu ibuidos idos aall azar u ordenadamente. La corriente de líquido se dispersa resbalando por su supe superf rficie, icie, ponié poniéndose ndose en en conta contacto cto ín íntimo timo co con n el vapor que circula en sentido contrario. En una sección determinada de la columna el líquido descendente y el vapor ascendente no no estará estarán n en equil equilibrio, ibrio, por lo que se tr transfe ansferirán rirán lo loss ÍNDICE

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componente compo nentess men menos os v volátil olátiles es y más v volátil olátiles, es, en se sentidos ntidos opuestos. Pero como el tiempo de contacto en cada sección de columna es muy muy corto, no se lleg llegaa al equilibri equilibrio o en ningún pun punto. to. La fuerza impulsora actúa a lo largo de toda la columna. Las columnas de platos poseen unas superficies planas (pisos) en el interior que dividen la columna en una serie de etapas. Tienen por objeto retener una cierta cantidad de líquido en su superficie, a través través de la cual se hac hacee burbujear burbujear el vapor que asciende de la ca asciende caldera ldera,, consi consiguién guiéndose dose así u un n bue buen n contac contacto to entre el vapor y el líquido. El líquido de un plato cae al plato siguiente por un rebosadero situado en el extremo del piso. El vapor que llega a un plato por debajo, y el líquido que le llega por encima, encima, no están están en equi equilibrio librio.. En el pla plato to tiene llugar ugar la mezclaa de ambas corrientes, mezcl corrientes, produ produciénd ciéndose ose allí la transf transferenerencia de materia. La fuerza impulsora es la diferencia de composiciones entre las corrientes que llegan al plato y las correspondientes de equilibrio. En los platos de las columnas normalmente no se llega a alcanzar el equilibrio entre el líquido y el vapor que abandonan el plato. Un plato ideal o teórico sería aquél en el que este equilibrio sí se alcanzara. Sobre estos equipos se hablará más ampliamente en el siguiente tema. ÍNDICE

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A nivel industrial la destilación es una operación con innumerables aplica rables aplicacione ciones, s, espec especialmen ialmente te en la sepa separació ración n de component pon entes es d del el p petr etróle óleo, o, rec recupe uperac ración ión de d diso isolv lvent entes, es, fab fabric ricaación ció n de lic licore ores, s, ... .  4.2. Absorción. Desabsorción.

La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que 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, química, seg según ún que el ga gass se disue disuelv lvaa en el líqu líquido ido absorabsorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico. La desabsorción es la operación unitaria contraria a la absorción. En ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte siendo eliminado del líquido. Para la absorció Para absorción, n, pueden pueden utilizarse utilizarse los mismo mismoss tipos de aparatos descri descritos tos en la d destil estilación, ación, pues las fase fasess en cont contacto acto serán también un líquido y un gas. Se usan normalmente columnas de platos –contacto discontinuo o por etapas– o de relleno –contacto continuo–. Ambas utilizan la fuerza gravitatoria para la circulación del líquido. Algunos dispositivos emplean medios mecánicos para facilitar el contacto entre las ÍNDICE

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fases. Las torres de pulverización son columnas vacías en las que el líquido líquido entr entraa a presión po porr un sistem sistemaa de ducha, circulando el gas en sentido contrario. Todos estos equipos propician la puesta en contacto de un gas y un líquido que no están en equilibrio, equilibrio, reali realizándos zándosee una transfer transferencia encia de mate materia ria entre ambos. 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. 0 bien, obs bien, observ ervand ando o el el fe fenóm nómeno eno en la fa fase se llíqu íquida ida,, la fue fuerza rza impulsora es la diferencia entre la concentración del soluto en el líquido y la concentración que estaría en equilibrio con el gas del punto considerado. Como aplicaciones de la absorción pueden citarse la eliminación de gases ácidos (H2S, CO2, SO2) de los gases de chimenea mediante mediante distin distintas tas corri corrientes entes (ag (agua ua a presión presión,, solución solución de NaOH, o solu soluciones ciones de et etanolam anolaminas), inas), la se separac paración ión de hidrocarburos carb uros arom aromático áticoss (bencen (benceno, o, tolueno tolueno y xileno) de los gases de coquería coquería me mediant diantee aceite aceitess minera minerales, les, el secad secado o del clor cloro o mediante la absorción del agua con ácido sufúrico concentrado,, .. do .... . La F Fig igur uraa 2 pr pres esen enta ta un un si siste stema ma ttíp ípic ico o de absorción-des absorc ión-desabsorci absorción: ón: un gas gas con H2S se trata con monoetanolami nol amina na (M. (M.E.A E.A.) .) frí fría, a, con la que que el H2S reacciona dando el ÍNDICE

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bisulfuro de amina (absorción con reacción química). La reacción es revers reversible, ible, por lo que en una columna columna de desabs desabsorción orción anexa, anex a, el v vapor apor de ag agua ua hace qu quee la reacc reacción ión v vaya aya en sen sentido tido cont co ntra rari rio, o, de desa sabs bsor orbi bién éndo dose se el H2S. La monoetanolamina caliente calien te se recirc recircula ula a la colum columna na de absorción, absorción, enfrián enfriándose dose la corriente de amina con la corriente del sulfuro de amina en el intercambiador de calor central.

Figura 2. Sistema de eliminación de H2S de un gas por absorción con reacción química con solución de monoetanolamina (M.E.A.) y posterior desabsorción con vapor.

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 4.3. Extracción

La extracción es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (líquida o que formen parte de un sólido sól ido)) en un di disol solve vente nte ssele electi ctivo vo.. Apr Aprov ovech echa, a, por ttant anto, o, la diferencia de solubilidades de los componentes de la mezcla en el disolvente añadido. Se hace la distinción entre la extracción líquido-líquido y la extracción sólido-líquido (llamada también lixiviación) según que la materia a extraer esté en un líquido o en un sólido respectivame respectivamente. nte. El número mínimo de componentes presentes en la extracción es tres. Un problema importante lo constituye la selección del disolvente extractor. Para realizar una extracción líquido-líquido el disolvente elegido debe ser parcial o totalmente inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto. La extracción líquido-líquido puede presentar ventajas sobre efectuar efect uar una separ separación ación por destilaci destilación: ón: las insta instalacio laciones nes son más sencillas, sencillas, hay la posibilidad posibilidad de separar comp component onentes es sensibles al calor sin necesidad de realizar una destilación a vacío y la selectividad del disolvente para componentes de naturaleza química similar permite separaciones de grupos de componentes imposibles de lograr basándose sólo en el punto de ebullición. ÍNDICE

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Las formas en que se lleva a cabo la extracción líquido-líquido son muy variadas. Normalmente se trabaja en continuo y, como en destil destilación ación y absorc absorción, ión, cabe di distingu stinguir ir dos mo modos dos básicos básic os de contact contacto: o: conta contacto cto conti continuo nuo y contact contacto o por etapas. Cuando el proceso de extracción se reduce a una única etapa, se realizan dos operaciones sucesivas: sucesivas: la mezcla del disolvente con el alimento y la posterior separación por decantación de los dos líquidos inmiscibles. Cuando el proceso de extracción consiste en varias varias etapas, éstas puede realizarse de dos maneras distintas según la forma como el disolvente extractor se mezcle con el alimento: alimento: a) contacto simple si el disolv disolvente ente extr extractor actor se añade a cada etapa mientras que la corriente de alimentación (cada vez más pobre en el componente que es extraído) pasa de etapa a etapa; b) contacto en contracorriente si el disolvente extractor pasa de etapa a etapa en sentido contrario al líquido que se está refinando. El contacto continuo en extracción líquido-líquido es análogo a la operación de absorción, salvo que que ahora son 2 líquidos los fluidos que están en contacto. En la extracción sólido-líquido se acostumbra a trabajar por cargas o en semicontinuo por la dificultad de manipulación del sólido que hay que someter a extracción. Uno de los extractores sólido-líquido más usados a escala de laboratorio ÍNDICE

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es el extractor Soxhlet (Figura 3). El disolvente extractor hierve en la calder calderaa y y,, despué despuéss de conde condensars nsarsee con agua fría, cae sobre el recipiente que contiene el sólido con el soluto a extraer ext raer.. Se realiza la ex extracc tracción ión y y,, a trav través és de un sifón, sale del recipiente el disolvente con el soluto extraído. La mezcla se devuelv de vuelvee a la caldera caldera,, donde se v vaa concentrand concentrando o el soluto a medida que se repite el ciclo. Los aparatos en los que se lleva a cabo la extracción líquido-líquido deberán poner en adecuado contacto las fases inmiscibles. Pueden emplearse ccolumnas olumnas en contracorriente, y mejor si son pulsantes (dotadas de un pulso periódico que produce un movimiento de agitación periódico a lo largo de la columna), pueden ser verticales u horizontales con placas perforadas. forad as. S See emp emplean lean ttambién ambién,, para el con contacto tacto por eetapas tapas,, tanques agitados combinados con decantadores colocados a continuación de los mismos. Los equipos más utilizados para la extracción líquido-líquido serán comentados más ampliamente en el siguiente tema. La extracción líquido-líquido se usa mucho a escala industrial, especialme espec ialmente nte en la iindustr ndustria ia del pe petróle tróleo. o. Así, por eje ejemplo, mplo, la separación de los asfaltos del petróleo se realiza mediante un proceso de extracción con propano a baja temperatura. Como ejemplos de extracción sólido-líquido pueden citarse la ÍNDICE

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extracción de aceites y grasas animales y vegetales mediante disolventes disolven tes id idóneos, óneos, la obt obtenció ención n de so solucio luciones nes de tanino taninoss para curtidos, el aislamiento del nitrato sódico del caliche chileno, etc, ... . La extracción supercrítica es un proceso que ha adquirido gran importancia importancia por sus múltiples múltiples aplic aplicacion aciones, es, como el descafeinado de café (con CO2). Básicamente se trata de una extracción líquido-líquido o sólido-líquido pero realizada con un disolvent disolventee que en con condicion diciones es norma normales les es un gas gas,, por lo que hay que licuarlo, licuarlo, con la compl complejidad ejidad de la inst instalaci alación ón que ello conlleva.  4.4. Adsorción. Desorción

La adsorción consiste en la eliminación de algunos componentes de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. Es un fen fenóm ómen eno o de ssup uper erffic icie ie:: la lass molé molécu cula las, s, át átom omos os o iion ones es adsorbidos están confinados en la superficie de los poros del sólido, sólid o, unido unidoss por fuerzas de Van der W Waals, aals, o por verda verdaderos deros enlaces químicos. En este último caso se habla de quimisorción. Solamente los sólidos que posean una superficie específicaa elev fic elevada ada será serán n adsorb adsorbentes entes de int interés: erés: carbó carbón n acti activo vo,, gel de sílice síl ice,, alú alúmin minaa acti activ vada ada,, zeo zeolit litas, as, etc etc.. Como eejem jemplo plo se p pued uedee ÍNDICE

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indicar que en un solo gramo de ciertos carbones activos se 2

dispone de una superficie de adsorción de más de 2500 m . La operación contraria a la adsorción se llama desorción. Esta operación se realiza comúnmente para la regeneración del lecho sólido satura saturado do de soluto soluto,, y para la rec recupera uperación ción d del el soluto solut o adsorbi adsorbido, do, si éste es económicamen económicamente te rentab rentable. le.

Figura 3. Extractor Soxhlet.

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El sólido adsorbente rellena normalmente el interior de una columna formando un lecho fijo. A medida que se hace circular el gas o el líquido que contiene el soluto a adsorber se va saturando satur ando el sól sólido ido adso adsorbent rbente, e, por lo que al cab cabo o de un tiempo debe ser regenerado. La operación se realiza en forma semicontinua colocando dos lechos adsorbentes en paralelo: en un momento dado uno de ellos está en operación y el otro se está regenerando por la circulación a su través de vapor de agua, aire o un ga gass inerte. inerte. De esta fo forma rma el ga gass a depura depurarr circula en continuo, continuo, mientr mientras as la operac operación ión de cada lec lecho ho es discontinua Un ejemplo peculiar de la operación de adsorción en lecho fijo, fij o, aunque aunque en otro contexto, contexto, es la la cr cromato omatografí grafía. a. E Está stá basada en la distinta adsorción de los componentes de una mezcla sobre un sólido adsorbente o un líquido soportado por un sólido. Los componentes de la mezcla a separar quedarán retenidos con mayor mayor o menor fac facilidad ilidad,, y la adición de un el eluyente uyente permite recuperar por separado los distintos componentes de la mezcla. La adsorción adsorción se aplica indu industria strialmente lmente en much muchos os casos: para secar corrientes de gas por adsorción de su humedad sobre lecho de de gel de sí sílice, lice, para el elimina iminarr olore oloress de una cor corriente riente por adsorción adsorción sobr sobree el carbón acti activo, vo, para dec decolorar olorar lí líquidos quidos ÍNDICE

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recuperar disolventes del aire ambiente evitando la contaminación nació n por v vapore aporess org orgánico ánicos, s, ...  4.5. Intercambio iónico

El intercambio iónico es una operación unitaria que consiste en la sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros que forman inicialmente parte de la estructura de un sólido (resina de intercambio iónico). Los poros de una resina contienen iones positivos y negativos formando una sal. En estado seco los iones mantienen su posición media en la estructura estru ctura,, pero cuand cuando o se sumergen sumergen een n un líqui líquido do po polar lar,, uno o varios iones quedan libres para desplazarse hacia el seno del líquido mientras otros iones de carga equivalente pasan del líquido líqui do al sólido, de modo que la resina resina perman permanece ece eléc eléctrica trica-mente neutra. Cuando la resina contiene iones negativos fijos y sólo puede intercambiar cationes se llama resina catiónica En caso contrario se llama resina aniónica La velocidad a la que se lleva a cabo el intercambio iónico viene controlada por la difusión de los iones. Esta operación se aplica sobre todo en procesos de acondicionamiento de agua a nivel industrial. El ablandamiento de agua es la eliminación de los cationes divalentes Ca2+ y Mg2+ del ÍNDICE

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agua, con lo que dismi disminuye nuye su dureza. dureza. Se realiza realiza el intercamintercambio en una una colum columna na cati catiónica ónica,, donde ssee susti sustituyen tuyen llos os ione ioness + indicados por Na que no forma sales insolu insolubles, bles, y se eevitan vitan así las incrust incrustacione aciones. s. Las resi resinas, nas, con el pas paso o de agua dur dura, a, se agotan agotan y deben reg regenera enerarse rse con la oper operación ación in invers versa, a, esto es, haciendo haciendo circ circular ular a su tra través vés una di disoluc solución ión conc concentra entrada da de NaCl. La desmineralización o desionización del agua es la eliminación (por intercambio) de los cationes y aniones que contenga. Ello se lleva a cabo normalmente con dos columnas consecuti conse cutiva vas, s, una catió catiónica nica y otra anió aniónica. nica. En la primera primera se sustituyen los cationes por H+ y en la segunda los aniones por OH-. El agu aguaa queda queda,, en pri princi ncipio pio,, neu neutra tra des desde de eell p punt unto o d dee vista ácido-b ácido-base. ase. La Lass resina resinass se reg regenera eneran, n, respe respecti ctiva vamente mente con HCl y NaOH.

5. Operaciones unitarias controladas por transmisión de calor Estas operaciones son sólo una parte de aquéllas controladas por la transferen transferencia cia de ener energía, gía, ya que un sist sistema ema y sus alre alre-dedores 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. ÍNDICE

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 5.1. Evaporación. Condensación

La evaporación es una operación unitaria consistente en la separación separ ación de una mezcl mezclaa líqu líquida, ida, gener generando ando a partir de la misma,, por eb misma ebullici ullición, ón, un vapor vapor inte integrado grado por llos os com componen ponen-tes más volátiles de aquélla. Se utiliza para concentrar disoluciones obteniéndose vapor del disolvente. Es una operación muy empleada empleada en di diver versas sas indus industrias trias,, bien sea par paraa apro aprovevechar la disolución concentrada (por ejemplo la concentración de la leche), leche), o para apr aprov ovechar echar el vapor vapor del d disolv isolvente ente (po (porr ejemplo la obtención de agua desalinizada por ebullición del agua del mar y posterior condensación del vapor de agua). Normalmente se disponen varios evaporadores combinados, en los que se emplea el vapor generado en un evaporador como medio de calefacción del siguiente (se denominan evaporadores de múltiple efecto). En la Figura 4 se muestra un esquema del proceso. Conceptualmente Conceptual mente,, la ev evapora aporación ción es análo análoga ga a la destilación destilación simple. simpl e. Se difere diferencian ncian en que en la eeva vaporac poración, ión, el alimen alimento to contiene un soluto cuyo punto de ebullición está muy por encimaa del punto de eb encim ebullic ullición ión del disol disolven vente, te, con lo que los vapores obtenidos en la operación son de disolvente puro. ÍNDICE

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Figura 4. a) Representación esquemática de un evaporador; b) Evaporador de triple efecto en contracorriente.

La condensación es la operación inversa inversa a la ev evaporación, aporación, por la que un vapor pasa a estado líquido al intercambiar calor con un líquido frío. No se puede considerar una operación de separación aunque tiene gran interés en la industria.

6. Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultanea de materia y calor Existen operaciones en las que se da simultáneamente una transferen trans ferencia cia de ma materia teria y u una na tran transmisió smisión n de calo calorr, siendo ambos procesos controlantes del proceso de la operación. Hay simultánea simul táneamente mente dos fu fuerzas erzas impulsor impulsoras as separ separadas, adas, que pueden ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos. ÍNDICE

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6.1. Humidificación. Deshumidificación

Cuando una corriente de aire se pone en contacto con una corriente corri ente de agu agua, a, se transf transfiere iere agu aguaa y energ energía ía calor calorífi ífica ca de una corriente a otra modificándose las condiciones de humedad y temperatura. La humidificación de aire se consigue al poner en contacto el aire no no satu saturado rado co con n agua agua,, a una tem tempera peratura tura ttal al que el ai aire re aumenta su contenido de humedad. El agua se enfría al tener que ceder calor para evaporar la porción de líquido que se incorincorpora al aire como vapor de agua. Este enfriamiento del agua es quizá la faceta industrialmente más importante de esta operación unitaria: unitaria: el agua cali caliente ente proced procedente ente de la refrigeración refrigeración de las unidades de una planta puede enfriarse si se pone en contacto con un gas (preferiblemente más frío) no saturado. El caudal de la corriente de agua se reduce en una cierta cantidad por la evaporación de una parte de la misma. Los dispositivos dispositivos más empleados para el enfriamiento de líquidos y más concretamente de agua son las denominadas torres de enfriamiento. Son columnas de relleno de madera o de material mater ial plás plástico tico por las qu quee ascien asciende de el aire, pro provista vistass en su parte superior de distribuidores de agua. En la Figura 5 se muestra un esquema de una torre de enfriamiento. ÍNDICE

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La deshumidificación del aire se conseguirá siempre que se ponga en en conta contacto cto air airee húmed húmedo o con un lí líquido quido m más ás frío frío,, de modo que la temperatura del gas disminuya por debajo del punto de roc rocío ío y con condense dense agua, dismin disminuyend uyendo o la hu humedad medad absoluta del aire hasta el valor deseado.

6.2. Cristalización

La cristalización es la formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. El proceso de formación de cristales cristales cons consta ta de dos etapas etapas:: la nucleac nucleación ión y el crecimiento.. La nucl miento nucleación eación eess la form formación, ación, a partir de los io iones nes o moléculas molécu las de soluto, de núcleos núcleos cristal cristalinos inos d dee tama tamaño ño su sufificiente para mantenerse sin solubilizarse en la solución. El crecimiento es el proceso de aumento de tamaño de un núcleo cristalino, cristal ino, por adició adición n de nuev nuevos os iones o moléc moléculas. ulas. Las fuerzas fuerzas impulsoras impulsoras een n esta o operac peración, ión, en amba ambass etapa etapass (nucleació (nucl eación n y cr crecimie ecimiento) nto) sson on las misma mismas: s: la sob sobresat resaturauración, es dec decir ir,, la dif diferenc erencia ia entr entree la co concent ncentració ración n de sol soluto uto en la solución y la concentración que tendría la solución saturada en el equilibrio, y la po posible sible diferencia de temperatura entre el cristal cristal y el líquido líquido,, origi originada nada en el cam cambio bio de fase fase.. ÍNDICE

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Los tipos más frecuent frecuentes es de cristal cristalizador izadores es son: crist cristaliza alizadodores de tanque tanque,, en los qu quee la sobr sobresatu esaturació ración n se prod produce uce po porr enfriamien enfri amiento to sin eva evaporaci poración ón aprecia apreciable, ble, (se emplean cuan cuando do la solubilidad varía mucho con la temperatura); cristalizadores-evaporadores, res-ev aporadores, en los que la sobresaturación se produce por evaporación (concentración) sin enfriamiento apreciable (son útiles cuando la solubilidad no varía con la temperatura); cristalizadores de vacío, en donde se combina la evaporación evaporación y el enfriamiento adiabático (se utilizan cuando se quiere operar con rapidez rapidez,, como en lo loss cristali cristalizador zadores-e es-eva vaporad poradores, ores, pero a baja temperatura).

Figura 5. Esquema de una torre de refrigeración.

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6.3. Secado El secado es una operación unitaria mediante la cual se elimina humedad de una sustancia. La fase previa a todo secado es la eliminación mecánica de agua mediante filtros-prensa o centrífugas, reduciéndose después después por vía térmica la humedad que quede. Esta última fase es propiamente la operación de secado. En ella se somete el producto húmedo a la acción de una corriente corriente de aire calien caliente te y seco, ev evaporá aporándose ndose el líqui líquido do con el consiguiente aumento de la humedad del aire. El punto final o límite de la desecación estará en la eliminación del líquido líqui do (norm (normalmen almente te agua) de dell materi material, al, hasta qu quee la humedad de dicho material esté en equilibrio con el aire que le rodea;; es decir rodea decir,, hasta que que la presió presión n de vapo vaporr de la humedad del sólido iguale a la presión parcial de la corriente gaseosa. Al secar un sólido en el seno de una masa de aire tiene lugar simultáneamente transferencia de materia y transmisión de calor.. El agua contenida en el sólido se desplaza hacia la intercalor fase y posteriormente al seno del gas. El gradiente de temperatura entre el aire y el sólido prov provoca oca la transmisión de calor calor.. Los fenómenos que suceden son: ÍNDICE

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1. Transferencia Transferencia de materia a través del sólido. Se produce por capilaridad (altos niveles de humedad) y difusión (bajos niveles de humedad). 2. Transfer ransferencia encia de va vapor por de agua desde la interfase interfase sólido-g sólido-gas as al seno del gas. Se produce por transporte turbulento. 3. Transferencia de calor desde el seno del gas a la interfase. Se produce por conducció conducción, n, convecc convección ión o radiación radiación.. 4. Transferencia de calor desde la interfase al seno del sólido. Sólo puede tener lugar por conducción. Casi todos los aparatos utilizados para llevar a cabo esta operación están basados en poner en contacto el sólido húmedo pulveriza pulv erizado do con una corri corriente ente de aire caliente caliente no satu saturado: rado: se produce simultáneamente la transferencia de calor sensible y de agua debido a las dos fuerzas impulsoras (de calor y materia) que aparecen. Este es el proceso por contacto directo. Existen también aparatos en los que el secado se produce sin contacto de la fuente de calor con el sólido. Este es el proceso por contacto indirecto (análogo a una evaporación). Los secadores comerciales más comunes son: ÍNDICE

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- Secad Secaderos eros de bandej bandejas as en los q que ue el sólido sólido se d deposi eposita ta en capas de poca profundidad y el aire caliente circula por la superficie o a través del sólido. - Secaderos rotati rotativos vos en los que el sólido desciende a lo lar largo go de un cilindro cilindro rrotator otatorio io incl inclinado inado,, secán secándose dose por aacción cción del del aire caliente que circula en contracorriente. - Secad Secaderos eros de eva evaporac poración ión súb súbita ita o atomizado atomizadores. res. En eeste ste tipo de de sec secadero adero la sus suspensi pensión ón de sólido, sólido, en for forma ma de gotas gotas,, se pone en contacto brusco con aire caliente a elevada temperatura, en un dispositi dispositivo vo de ciclón. El agua del sólido se v vaporiaporiza bruscamente obteniéndose un sólido de elevada porosidad. 6.4. Liofilización

La liofilización o criodeshidratación es una peculiar modalidad de secado que consiste en la eliminación del agua de un sólido sólid o por ssublim ublimación ación de la misma, es dec decir ir,, el agu aguaa del ssóliólido previamente congelada se pasa directamente a vapor. Las ventajas que presenta este procedimiento de secado en la industria de la alimenta alimentación, ción, preparación d dee fármacos y medicinas son: ÍNDICE

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– La con congelac gelación ión pr prov ovoca oca la deten detención ción d dee los fenóm fenómenos enos b bioioquímicos. – El v vacío acío o la pre presenci senciaa de iinertes nertes y las b bajas ajas ttemper emperaturas aturas evitan la alteración de las propiedades bioquímicas, fisiológicas o terapéuticas. – Se co conserv nservan an gr gran an cantidad cantidad de aaromas romas y se manti mantiene ene eell volumen inicial del sólido, originando con ello una gran porosidad y fácil solubilidad de los productos finales. Un ejemplo de producto liofilizado muy común es el café soluble. La liofilización se lleva a cabo normalmente a alto vacío y a temperaturas por debajo del punto de fusión del agua. El calor de sublimación es suministrado por conducción o radiación con placas planas calientes situadas entre las bandejas que contienen el material a liofilizar. Esta operación es normalmente discontinua.

7. Resumen En este tema sólo se han tratado las operaciones más comunes de transferen transferencia cia de ma materia teria y eener nergía, gía, aunqu aunquee exi existen sten ot otras ras muchas operaciones de separación. En la Tabla 1 se presenta un resumen de las distintas operaciones de separación así  ÍNDICE

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como los parámetros en los que está basada y el estado físico de los productos que intervienen.

Tabla 1. Resumen de los procesos de separación.

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Tabla 1 (Continuación). Resumen de los procesos de separación

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