Subido por Xiime Walburg

1.5 - Seleccion de Metodos de Separacion

Anuncio
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE
LOS METODOS DE
SEPARACION
Ing. Andrés Caminos
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
LA INGENIERIA QUIMICA
 La ingeniería química es una rama de la ingeniería, que se encarga del
diseño, mantenimiento, evaluación, optimización, simulación, planificación,
construcción y operación de todo tipo de elementos en la industria de
procesos, que es aquella relacionada con la producción de compuestos y
productos cuya elaboración tiene posteriormente aplicaciones industriales,
sociales y otras.
 La
ingeniería
química
también
se
enfoca
en
el
diseño
de
nuevos materiales y tecnologías, y es una forma importante de investigación y de
desarrollo.
 Además es líder en el campo ambiental, ya que contribuye al diseño de procesos
ambientalmente amigables y procesos para la descontaminación del ambiente.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
LA INGENIERIA QUIMICA
 La ingeniería química se fundamenta en las ciencias básicas como matemática
(álgebra lineal o superior, cálculo, ecuaciones diferenciales, métodos numéricos,
matemática avanzada), las ciencias básicas de la ingeniería química
(termodinámica, fenómenos de transporte, cinética química), y disciplinas
aplicadas tales como ingeniería de procesos, diseño de reactores, diseño de
equipos para procesos de reactores químicos, y procesos de separación.
 También
se
van
incorporando
elementos
de
ciencias
ambientales, biotecnología , ingeniería de alimentos e ingeniería de materiales.
 Además debe comprender también la valuación de proyectos de inversión, los
servicios auxiliares, el control automático y otras yerbas.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION
 El ingeniero químico encargado del problema de separar los componentes de
una solución, generalmente tiene que escoger entre varios métodos posibles.
 Aun cuando la elección está usualmente limitada por las características físicas
peculiares de los materiales con los que va a trabajar, casi siempre existe la
necesidad de tomar una decisión acerca de los procesos a definir y usar.
 Por supuesto, no existen bases para tomar una decisión de este tipo, mientras
no se hayan entendido claramente las diversas operaciones; sin embargo, al
menos se puede establecer inicialmente la naturaleza de las alternativas.
 Algunas veces se puede escoger entre utilizar una operación de transferencia de
masa del tipo tratado en este curso o un método de separación puramente
mecánico.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION
 Por ejemplo, en la separación de un metal valioso de su mineral, existe la
posibilidad de utilizar la operación de transferencia de masa, que se realiza por la
lixiviación con un disolvente o por los métodos puramente mecánicos de flotación,
en el caso de limpieza de carbón de mina.
 Los aceites vegetales pueden separarse de las semillas en las cuales se
encuentran por extrusión o prensado, o por lixiviación con un disolvente.
 Un vapor puede eliminarse de una mezcla con un gas incondensable, por la
operación mecánica de compresión y condensación o por las operaciones de
transferencia de masa de absorción o adsorción de gases.
 Una mezcla de gases de petróleo puede separarse por turboexpander o procesos
de absorción.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION
 Algunas veces se utilizan tanto las operaciones mecánicas como las de
transferencia de masa, especialmente cuando las primeras no son totales, como
en el proceso de recuperación de aceites vegetales, en donde a la extrusión
sigue la lixiviación o la extracción con solvente.
 Un ejemplo más común es el exprimido o centrifugado de la ropa húmeda
seguido del secado al aire.
 La característica de los métodos mecánicos es que al final de la operación, la
sustancia eliminada está casi pura, mientras que si se elimina por métodos de
difusión se encuentra asociada con otra sustancia, que puede necesitar una
operación posterior para obtenerla pura.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION
 Con frecuencia, también se puede escoger entre una operación pura de
transferencia de masa y una reacción química, o una combinación de las dos.
 Por ejemplo, el agua puede eliminarse de una solución etanol-agua, haciéndola
reaccionar con cal viva o por métodos especiales de destilación azeotrópica.
 El sulfuro de hidrógeno contenido en el petróleo, a la salida de pozo, puede
separarse de otros gases por absorción en un disolvente líquido sin utilizar una
reacción química, o por reacción química con óxido férrico.
 Los métodos químicos generalmente destruyen la sustancia eliminada, mientras
que los métodos de transferencia de masa generalmente permiten recuperarla
íntegra sin mucha dificultad.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION
 Es posible que también se tenga que elegir entre las operaciones de
transferencia de masa.
 Por ejemplo, puede separarse una mezcla gaseosa de oxígeno y nitrógeno
mediante adsorción preferencial del oxígeno sobre carbón activado; por
absorción con un liquido, por destilación o por efusión gaseosa ( un gas que
está bajo presión escapa de un recipiente hacia el exterior por medio de una
abertura).
 Una solución líquida de ácido acético en agua puede separarse por destilación,
por extracción líquida con un disolvente adecuado o por absorción con un
adsorbente adecuado.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ELECCION ENTRE LOS METODOS DE SEPARACION
 En cualquier caso, la base principal para la elección es el costo: el método que
resulta más barato es el que generalmente se utiliza. Recuerde las tres B (BBB).
 Sin embargo, en algunas ocasiones existen otros factores que también influyen
sobre la decisión.
 Aun cuando la operación más sencilla no sea la más barata, algunas veces
es preferible otra operación más cara para evitar problemas.
 Otras veces es posible descartar un método debido a que no pueden
garantizarse sus resultados: no se sabe lo suficiente acerca de los métodos de
diseño o no se tienen los datos para realizarlo.
 Se deben tener presentes las experiencias previas que hayan sido favorables.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
MÉTODOS DE REALIZACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE
MASA
 Nuestro método para trabajar con estas operaciones depende de ciertas
características de las mismas; además, la descripción del método se da en
términos que necesitan ser definidos previamente.
 Podemos distinguir:
1) Recuperación del soluto y separación fraccionada
2) Operaciones en estado no estacionario
3) Operación en estado estacionario
4) Operación por etapas
5) Operaciones en contacto continuo (contacto diferencial)
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA
 Si los componentes de una solución corresponden a grupos fisicoquímicos
distintos, con propiedades termodinámicas 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.
 Por ejemplo, sea una mezcla gaseosa de metano, pentano y hexano: puede
considerarse que en ella el metano es el disolvente y que el soluto está formado
por el pentano y el hexano; en este caso, el disolvente y el soluto son lo
suficientemente distintos, al menos en una propiedad, su presión de vapor y
podrían ser separados por varios métodos.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA
 Una sencilla operación de absorción de gases, en que la mezcla se lave con un
aceite hidrocarbonado no volátil, dará con facilidad una nueva solución de pentano
y hexano en el aceite, esencialmente libre de metano; a la inversa, el metano
residual se encontrará básicamente libre de pentano y hexano.
 Por otra parte, no es tan sencillo clasificar y separar una solución formada por
pentano y hexano, por la cercanía de sus puntos de ebullición.
 Aun cuando las propiedades de los componentes son distintas, las diferencias son
pequeñas, y para separar los componentes de modo que queden relativamente
puros se necesita utilizar una técnica diferente.
 Este tipo de separaciones se conoce como separación fraccionada y en este
caso se puede usar la destilación fraccionada.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA
 El que se escoja un procedimiento de separación fraccionada o de recuperación
del soluto depende de la propiedad que se quiera explotar.
 Por ejemplo, para separar del agua a una mezcla de propanol y butanol, por
medio de un método de contacto gas-líquido -el cual depende de las presiones
de vapor-, se necesita realizar una separación fraccionada (destilación
fraccionada); debido a que las presiones de vapor de los componentes no son
muy diferentes.
 Sin embargo, se puede llevar a cabo una separación completa de los alcoholes
propanol y butanol combinados y del agua, por medio de una extracción líquida
de la solución con un hidrocarburo, extracción que se efectuará con los métodos
de recuperación del soluto, puesto que son muy diferentes la solubilidad de los
alcoholes como grupo y la baja solubilidad del agua en hidrocarburos.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
1) RECUPERACIÓN DEL SOLUTO Y SEPARACIÓN FRACCIONADA
Una destilación fraccionada es una separación sucesiva de los líquidos de una
mezcla aprovechando la diferencia entre sus puntos de ebullición.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
2) 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 en las concentraciones de los materiales
alimentados, velocidades de flujo o condiciones de temperatura o presión.
 En cualquier caso, las operaciones por lotes o batch siempre son del tipo de
estado no estacionario.
 En las operaciones por lotes, todas las fases son estacionarias, si se observan
desde el exterior del aparato; esto es, no hay flujo hacia dentro o hacia fuera,
aun cuando puede existir un movimiento relativo en la parte interior.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
2) OPERACIONES EN ESTADO NO ESTACIONARIO
 Un ejemplo de esto es la conocida operación de laboratorio que consiste en
agitar una solución con un solvente no miscible.
 En las operaciones por semi lotes, una fase permanece estacionaria mientras
que la otra fluye continuamente en y fuera del aparato.
 Como ejemplo se puede citar el caso de un secador industrial, en donde cierta
cantidad de sólido húmedo se está poniendo continuamente en contacto con el
aire que puede circular de manera natural o forzada, el cual acarrea la humedad
en forma de vapor hasta que el sólido está seco. El aire es quien se mueve o
circula sobre la superficie del sólido.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
2) 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 hacia y fuera del
aparato, una persistencia del régimen de flujo dentro del aparato (laminar o
turbulento), concentraciones constantes de las corrientes alimentadoras y las
mismas condiciones de temperatura y presión.
 En la industria de procesos, la gran mayoría de los mismos se consideran con
flujos en estado estacionario. Ejemplo una destilería, una refinería, una
petroquímica, etc.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
4) 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.
 Ejemplo de lo anterior es la extracción por lotes en un embudo de separación.
La operación puede realizarse en forma continua (estado estacionario) o por
lotes (estado no estacionario).
 Un ejemplo puede ser dejar en contacto y reposo una mezcla de aceite y vinagre
y al cabo de un tiempo, se habrán separado en dos fases inmiscibles.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
4) OPERACIÓN POR ETAPAS
 En separaciones que requieren grandes cambios de concentración, se pueden
organizar una serie de etapas de tal forma que las fases fluyan de una a otra
etapa; ejemplo: el flujo a contracorriente.
 Un arreglo de este tipo se conoce como una cascada.
 Con el fin de establecer un estándar para la medición del funcionamiento, el
estado ideal o teórico se define como aquel estado en donde las fases
efluentes están en equilibrio, de tal forma que tampoco habrá cambios
adicionales en la composición si se permite mayor tiempo de contacto.
 La aproximación al equilibrio realizada en cada etapa se define como la
eficiencia de la etapa.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
5) 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 semicontinua 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.
 Ejemplo, la separación en torres rellenas o empacadas, aplicables a absorción,
destilación o extracción.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
5) OPERACIONES EN CONTACTO CONTINUO (CONTACTO DIFERENCIAL)
 Es posible resumir la diferencia principal entre la operación por etapas y la de
contacto continuo.
 En el caso de la operación por etapas se permite que el flujo difusivo de la
materia entre las fases reduzca la diferencia de concentración que causa el flujo.
Si se le permite continuar el tiempo suficiente, se establece un equilibrio,
después del cual no habrá más flujo. Así, la velocidad de difusión y el tiempo
determinan la eficiencia de la etapa lograda en cualquier situación particular.
 Por otra parte, en el caso de la operación de contacto continuo, el alejamiento
del equilibrio se mantiene deliberadamente; por ello, el flujo difusivo entre las
fases puede continuar sin interrupción.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
5) OPERACIONES EN CONTACTO CONTINUO (CONTACTO DIFERENCIAL)
 La elección del método por utilizar depende en cierta medida de la eficiencia de
la etapa que puede obtenerse prácticamente.
 Una eficiencia de etapa elevada representará una planta relativamente
barata, cuyo funcionamiento puede predecirse con cierta exactitud y seria
conveniente utilizar los procesos de separación por etapas.
 Una eficiencia de etapa baja, por otra parte, haría preferibles a los métodos de
contacto continuo, debido al costo y a la certidumbre.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO
Hay cuatro factores principales que se deben establecer en el diseño de cualquier
planta que trabaje con operaciones de difusión:
1) El número de etapas en el equilibrio o su equivalente,
2) El tiempo de contacto requerido entre las fases,
3) La velocidad de flujo permisible y
4) La energía requerida para llevar a cabo la operación.
El mas importante de todos es: ¿Cuánto dinero tiene disponible?
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO
1) NÚMERO DE ETAPAS EN EL EQUILIBRIO
 Con el fin de determinar el número de etapas en el equilibrio que se requieren en
una cascada para obtener el grado deseado de separación, o para determinar la
cantidad equivalente en un aparato de contacto continuo, se necesitan las
características de equilibrio para el sistema y los cálculos de balance de materia.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO
2) TIEMPO REQUERIDO PARA LLEVAR A CABO LA OPERACIÓN
 En las operaciones por etapas, el tiempo de contacto está íntimamente
relacionado con la eficiencia de la etapa, mientras que en el equipo para
contacto continuo el tiempo determina el volumen o longitud del aparato
necesario. Son varios los factores que ayudan a establecer el tiempo.
 El balance de materia permite calcular las cantidades relativas que se necesitan
de las diferentes fases.
 Las características de equilibrio del sistema establecen las concentraciones
posibles y la velocidad de transferencia del material entre las fases depende de
la desviación del equilibrio que se mantenga.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO
3) RAPIDEZ DE FLUJO PERMISIBLE
 Debe tomarse en cuenta este factor en las operaciones semicontínuas y en
estado estacionario, porque permite determinar en ellas el área transversal del
equipo (el tiempo de contacto ayuda a determinar la altura del equipo).
 La consideración de la dinámica del fluido establece la rapidez o velocidad de
flujo permisible, y el balance de materia determina la cantidad absoluta requerida
de cada uno de los flujos.
 Entre ambos (velocidad de flujos y tiempo de contacto) se determinan las
dimensiones del equipo (área transversal y altura)
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO
4) ENERGÍA REQUERIDA PARA LLEVAR A CABO LA OPERACIÓN
 Generalmente se necesita utilizar energía calorífica y mecánica para llevar a
cabo las operaciones de difusión.
 El calor es necesario para producir cualquier cambio de temperatura, para la
formación de nuevas fases (como la evaporación de un fluido, en la destilación)
y para evitar el efecto del calor de solución (enfriamiento).
 La energía mecánica se necesita para el transporte de fluidos y sólidos, para
dispersar líquidos y gases y para mover ciertas partes de la maquinaria.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO
 En consecuencia, en el diseño final se habrán de considerar las características
de equilibrio del sistema, balance de materia, velocidad de difusión, dinámica de
fluidos y la energía requerida para realizar la operación.
 A continuación se exponen inicialmente (primera parte) las bases para la
velocidad de difusión, que se aplicarán posteriormente a operaciones
específicas.
 A su vez, las operaciones principales se subdividen en tres categorías, según la
naturaleza de las fases insolubles en contacto: gas-liquido (primera parte);
liquido-liquido (segunda) y sólido-liquido (tercera parte).
 El equilibrio y la dinámica de los sistemas se estudian más fácilmente agrupados
de esta forma.
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
FPS = Foot – Pound - Second
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
ING. ANDRES CAMINOS
OPERACIONES UNITARIAS III
Descargar