Procesos de separación Físico-Mecánicos

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS ACADEMIA DE OPERACIONES UNITARIAS PROCESOS DE SEPARACIÓN POR MEMBRANA Y LOS QUE INVOLUCRAN UNA FASE SÓLIDA

INVESTIGACIÓN DOCUMENTAL

PROCESOS DE SEPARACIÓN QUE INVOLUCRAN UNA FASE SÓLIDA

ALUMNO: GONZÁLEZ ZAMARRIPA JUAN DANIEL GRUPO: 3IM90 BOLETA: 2012320332

CLASIFICACIÓN Y PRINCIPIO DE PROCESOS DE SEPARACIÓN QUE INVOLUCRAN UNA FASE SÓLIDA. Este grupo de operaciones para la separación de los componentes de mezclas, que se basan en la transferencia de material desde una fase homogénea a otra, utilizan diferencias de presión de vapor o de solubilidad. La fuerza impulsora de la transferencia es una diferencia o gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia o un gradiente de temperatura, constituye la fuerza impulsora de la transferencia de calor. Clasificación. Contacto directo de dos fases inmiscibles.- Los componentes están distribuidos en forma distinta entre las fases, los tres estados de agregación de la materia- gas, líquido y sólido- remiten seis posibilidades de contacto interfacial. Fases separadas por una membrana.- Las membranas funcionan de dos modos diferentes, según la separación que se vaya a realizar, sirven para prevenir que se entremezclen dos fases miscibles, el movimiento de las sustancias a través de las membranas es por difusión. Permiten una separación de componentes porque no todos los componentes pueden pasarlas. Contacto directo de fases miscibles.- Debido a la dificultad de mantener los gradientes de concentración sin mezclar el fluido, generalmente este tipo de operaciones no son prácticas desde el punto de vista industrial. Uso de los fenómenos interfaciales.- Esta clasificación no es exhaustiva, peor engloba las principales operaciones de transferencia de masa. Por ejemplo la espumación: Algunas sustancias al disolverse en un líquido producen una solución de baja tensión superficial (en contacto con un gas), se concentran en la interface del líquido al ponerse en solución. Se puede concentrar el soluto formando una espuma con una interface grande. Operaciones directas e indirectas.- Las operaciones que dependen en particular del contacto entre dos fases inmiscibles pueden sub clasificarse en dos tipos: 1. Las directas producen las dos fases a partir de una solución con una única fase, los productos se obtienen directamente, libres de sustancias adicionadas. 2. Las indirectas tienen como desventaja la adición de sustancias extrañas. La sustancia eliminada se obtiene como una solución, que en este caso debe separarse de nuevo para obtener la sustancia pura o para la reutilización de la sustancia adicionada.

Clasificación de las operaciones. Recuperación del soluto y separación fraccionada. Si los componentes de una solución corresponden a grupos distintos con propiedades muy diferentes, de tal manera que parezca que un grupo de componentes contiene al disolvente y el otro al soluto, entonces la separación de acuerdo con estos dos grupos, por lo general es relativamente sencilla: se reduce a una operación de recuperación del soluto o de eliminación del soluto.

Operación es estado estacionario. La característica de la operación en estado estacionario es que las concentraciones en cualquier punto del aparato permanecen constantes con el paso del tiempo. Esto requiere del flujo continuo e invariable de todas las fases en y fuera del aparato, una persistencia del régimen de flujo dentro del aparato, concentraciones constantes de las corrientes alimentadoras y las mismas condiciones de temperatura y presión.

Operaciones en estado no estacionario. La característica de la operación en estado no estacionario es que las concentraciones en cualquier punto del aparato cambian con el tiempo. Esto puede deberse a cambios e n las concentraciones de los materiales alimentados, velocidades de flujo o condiciones de temperatura o presión.

Operación por etapas. Si inicialmente se permite que dos fases insolubles entren en contacto de tal forma que las diferentes sustancias por difundirse se distribuyan por sí mismas entre las fases y que después se separen las fases mecánicamente, a toda la operación y al equipo requerido para realizarla se les considera como una etapa.

Operaciones en contacto continuo (contacto diferencial). En este caso, las fases fluyen a través del equipo, de principio a fin, en contacto íntimo y continuo y sin separaciones físicas repetidas ni nuevos contactos. La naturaleza del método exige que la operación sea semi continua o en estado estacionario; el cambio resultante en las composiciones puede ser equivalente al dado por una fracción de una etapa ideal o por varias etapas. El equilibrio entre las dos fases en cualquier posición del equipo, nunca se establece; más aún, si se alcanzase el equilibrio en cualquier parte del sistema, el resultado sería equivalente al efecto que tendría un número infinito de etapas.

Principios De acuerdo a como los componentes son retenidos por el sorbente. De fase inversa. (Fase de líquido polar, fase de solido modificado no polar) Interacciones Hidrofóbicas: 

Interacciones no polar- no polar.



Fuerzas de Van Der Waals o fuerzas de dispersión.

Fase normal (Fase de líquido no polar, fase de solido modificado polar). 

Interacción polar-polar.



Puentes de hidrogeno.



Interacciones pi-pi.



Interacciones dipolo-dipolo.



Interacciones dipolo-dipolo inducido.

Intercambio iónico. Atracción electrostática o grupo cargas sobre compuesto hacia un grupo cargado sobre la superficie del sorbente.

Adsorción. (Interacciones de compuestos con materiales no modificados). Interacciones hidrofóbicas e hidrofilias podrían aplicar dependiendo de cuál fase solida sea usada. Tipo de interacción Adsorción

Base para la separación Equilibrio Razón Tamizado molecular

Intercambio iónico (electrostático)

Equilibrio

Intercambio de ligando

Equilibrio

Solubilidad Ninguno (puramente estérico)

Equilibrio División del equilibrio en los poros.

Ejemplos Numerosos procesos de purificación y recuperación por gases y líquidos. Aplicación de bases de carbón activado. Desecación usando silica gel, alúmina y zeolitas. Oxigeno de aire por PSA usando LiX y zeolitas 5A. Nitrógeno de aire por PSA usando tamiz molecular de carbón. Nitrógeno y metano usando titanosilicao ETS-4. Separación sobre n- e iso-parafinas usando zeolitas 5A. Separación de xilenos usando zeolitas. Deionización. Ablandamiento de agua. Separación de tierras raras. Recuperación y separación de fármacos (por ejemplo: amino ácidos, proteínas) Separación cromatografía de mezclas glucosa-fructosa con resinas forma CaRemoción de metales pesados con resinas quelantes. Cromatografía de afinidad. Cromatografía por partición. Exclusión de tamaño o cromatografía por permeación de gel.

Extracción de sólidos o lixiviación El material soluble contenido en una mezcla con un sólido inerte se diluye en un disolvente líquido. El material disuelto o soluto se puede recuperar posteriormente por evaporación o cristalización. La Lixiviación es un proceso físico de transferencia de materia que ocurre cuando un “solvente líquido” atraviesa un “sólido” produciendo la elusión de algún “componente soluble” (soluto) en dicho sólido. Este grupo de operaciones para la separación de los componentes de mezclas, que se basan en la transferencia de material desde una fase homogénea a otra, utilizan diferencias de presión, de vapor o

de solubilidad. La fuerza impulsora de la transferencia es una diferencia o gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia o un gradiente de temperatura, constituye la fuerza impulsora de la transferencia de calor. Esta operación reviste características muy peculiares. Para que exista un buen contacto entre las dos fases, es necesario que el sólido sea muy permeable, o bien, que esté tan finamente dividido, que el área de contacto sea bastante alta. Por eso es muy importante la preparación del sólido que va a ser lixiviado. Lo más conveniente es buscar la reducción del tamaño de las partículas del sólido mediante cortado, triturado, molienda u otro método cuya escogencia dependerá de cada caso o circunstancia particular. En la industria la lixiviación la encontramos en muchos procesos. Algunos ejemplos son: la extracción de azúcar de remolacha con agua, la extracción de aceites vegetales de semillas de algodón, ajonjolí, soya, maní y lino mediante el uso de solventes orgánicos derivados del petróleo, la preparación industrial del café, té y la extracción de algunos jugos. Debido a la variedad de circunstancias que se presentan en los distintos casos de lixiviación, así también los equipos que se utilizan en estas operaciones tienen los más diversos diseños.

Cristalización Es el proceso mediante el cual se obtienen solidos cristalinos a partir de sus mezclas. Un sólido cristalino posee en su estructura interna un ordenamiento regular de sus partículas (átomos, iones o moléculas) formando figuras geométricas regulares. Mediante la formación de cristales se separa un soluto de una solución líquida dejando generalmente las impurezas en la masa fundida o en las aguas madres. Este método se utiliza para obtener cristales de alta pureza formados por partículas de tamaño uniforme y aspecto atractivo. En el laboratorio se obtienen por dos caminos: 1. Cristalización por vía húmeda: Podemos seguir dos procedimientos: I. Se prepara una solución saturada de cierto sólido que se desea cristalizar, por ejemplo la sal común (NaCl), y se deja reposar en recipientes cilíndricos de vidrio, anchos y bajos llamados cristalizadores. El disolvente, el agua por ejemplo se evapora y el sólido disuelto cristaliza poco a poco. Esta operación se puede agilizar agregando un sólido inerte insoluble (soporte) o bien introduciendo en el cristalizador una pequeña cantidad del sólido que se desea cristalizar (germen) II. Se prepara una solución saturada en disolvente caliente, luego de dejar enfriar se obtiene una solución sobresaturada y pronto aparecen los cristales. Este fenómeno ocurre debido a que la solubilidad del sólido a menos temperatura es menor; entonces el exceso que no puede disolverse en el disolvente frio se precipita en forma de solido cristalino. El líquido en el cual se han formado los cristales se conoce como aguas madres. 2. Cristalización por vía seca: Se puede seguir también mediante dos procedimientos I. Se funde (se pasa al estado líquido) el sólido a alta temperatura. Luego se enfría y al solidificarse se forman los cristales, así por ejemplo se obtiene el azufre cristalizado. II. Ciertos sólidos que fácilmente se subliman (paso de sólido a gas), como gas o vapor se pone en contacto con una superficie fría, y sobre esta se forman los cristales. Así se cristaliza el Iodo y el ácido benzoico (C7H6O2).

Métodos de separación mecánicos La separación mecánica se puede aplicar a mezclas heterogéneas. Las técnicas se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad. Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. Existen procesos especiales donde se utilizan otros métodos que no se estudiarán aquí. Estos métodos especiales se basan en las diferencias entre la facilidad de mojado o en las propiedades eléctricas, o magnéticas de las sustancias. a) Tamizado El tamizado es un método de separación de partículas que se basa solamente en la diferencia de tamaño . En el tamizado industrial se vierten los sólidos sobre una superficie perforada o tamiz, que deja pasar las partículas pequeñas, o “ finos “, y retiene las de tamaños superiores, o “rechazos “. Un tamiz puede efectuar solamente una separación en dos fracciones. Estas fracciones se llaman fracciones de tamaño no especificado, porque aunque se conoce el límite superior o inferior del tamaño de las partículas que contiene, se desconoce su tamaño real. b) Filtración La filtración es la separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasándolo a través de un medio filtrante, sobre el que se depositan los sólidos. La filtración industrial va desde el simple colado hasta separaciones más complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser gruesas o finas, rígidas o flexibles, redondas o alargadas, separadas o agregados. La suspensión de alimentación puede llevar una fracción elevada o muy baja 40-5% en volumen de sólidos. c) Procesos de sedimentación por gravedad Separación se sólidos contenidos en gases y líquidos. Por ejemplo, las partículas de polvo pueden retirarse de los gases por una gran variedad de métodos. Para partículas sólidas gruesas, mayores de unas 325 micras, es útil una cámara de sedimentación por gravedad. El aparato es una gran caja, donde en uno de sus extremos entra aire cargado de polvo y por el otro sale el aire clarificado. En ausencia de corrientes de aire, las partículas sedimentan en el fondo por gravedad. Si el aire permanece en la cámara durante un período de tiempo suficiente, las partículas alcanzan el fondo de la cámara, de donde se pueden retirar posteriormente.