PROCESOS DE
SEPARACION
UTILIZANDO EQUIPOS
DE ETAPAS DE
2 Concepto de equilibrio físico
•Sistema •Fase •Componente •Solubilidad •Transferencia •Equilibrio •Composición
3
Variables de importancia en el equilibrio de fases:
Temperatura Presión
Naturaleza química Composición
La temperatura, presión, composición son variables termodinámicas.
Termodinámica del equilibrio de fases
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 productos químicos o biológicos.
Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso. PRODUCTOS FINALES PROCESO MATERIAS PRIMAS
Proceso:
Conjunto
o
secuencia
de
operaciones unitarias que modifican una
materia prima para transformarla en un
producto comercial o insumo.
Operación unitaria:
Etapa de un proceso,
donde se realiza una modificación específica
de una corriente.
1. Transferencia de momento lineal: Se refiere a la que se
presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.
2. Transferencia de calor: En este proceso fundamental se
considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras.
3. Transferencia de masa: En este caso se transfiere masa de
una fase a otra fase diferente, el mecanismo básico es el mismo, ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas o liquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción liquido-liquido, separación por membranas, adsorción y lixiviación.
1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que
determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro.
2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria
concierne a los principios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.
3. Evaporación. Éste es un caso especial de
transferencia de calor, que estudia la evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.
4. Secado. Separación de líquidos volátiles casi
5. Destilación. Separación de los componentes de
una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.
6. Absorción. En este proceso se separa un
componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido.
7. Separación de membrana. Este proceso implica
separar un soluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a
través de la barrera de una membrana
semipermeable, a otro fluido.
8. Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto
de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución.
9. Adsorción. En este proceso, un componente de
una corriente líquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.
10. Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el
tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.
11. Cristalización. Se refiere a la extracción de un
soluto, como la sal, de una solución por precipitación de dicho soluto.
12. Separaciones físico-mecánicas. Implica la
separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.
Diagrama de bloques Diagrama de flujos
Planta química: sistema formado de varios procesos (físicos o químicos)
Entrada de materia Reactor Salida materia Materia prima Preparación (purificación materia) Proceso (transformación química) Purificación
de productos Producto final
Productos secundarios Material no
deseado
Material que no reacciona
I II III
Equilibrio Físico
Importancia especial en Química e Ingeniería Química
Química Ingeniería Química Obtención productos químicos Procesos Contacto fases distintas EXTRACCIÓN ADSORCIÓN DESTILACIÓN LIXIVIACIÓN ABSORCIÓN
Relación de Química e Ingeniería Química con el Equilibrio de fases.
Su comprensión se basa en la Ciencia del Equilibrio de Fases
Si una mezcla formada por dos o más componentes posee toda ella propiedades físicas y químicas uniformes, se dice que es un sistema
homogéneo o de una sola fase. Si el sistema está en equilibrio se
denomina equilibrio homogéneo.
Sin embargo, si un sistema consta de dos o más partes que tienen propiedades diferentes y que están separadas entre sí por superficies límite, de forma que las fases son mecánicamente separables, el sistema
es heterogéneo. Cuando entre las distintas partes del sistema existe
equilibrio, esta condición se denomina equilibrio heterogéneo
Objetivo del equilibrio de fases:
Establecer relaciones cuantitativas entre las variables que describen el
estado de equilibrio de dos o más fases que intercambian libremente
Equilibrio Físico
El problema del equilibrio de fases
En un problema del equilibrio de fases:
1) Se describe el estado de equilibrio de las fases que pueden interaccionar y que han alcanzado un estado de equilibrio.
2) Se conocen algunas de las propiedades de equilibrio de las fases y se predicen las restantes, utilizando algunas reglas, como la de las
fases de Gibbs.
Número propiedades intensivas independientes = Número componentes – Número fases + 2
Fase Fase N x x x x1 , 2 , 3 ,...., N x x x x1 , 2 , 3 ,...., P T
Variables conocidas: fracciones molares en fase y
temperatura o presión Variables desconocidas:
fracciones molares en fase y temperatura o presión
Equilibrio Físico
El problema del equilibrio de fases
RECURRIR A LA TERMODINÁMICA Problema realidad Traducción abstracta o matemática Solución problema matemático Traducción del resultado abstracto en términos físicos T , P , x
Mundo real Solución
Etapas para la solución de un problema de equilibrio de fases por medio de la termodinámica
Potencial químico de Gibbs
Equilibrio Físico
Etapa III (Transforma los resultados abstractos de la etapa II al lenguaje de la realidad física).
Potencial químico de Gibbs ( )
En el equilibrio de dos fases, la distribución en el equilibrio de un componente entre dos fases y se expresa como:
i
i¿Cómo esta relacionado cada potencial químico con las magnitudes intensivas?
i
T
,
P
y
x
1,
x
2,
...
...,
x
N
i
T
,
P
y
x
1,
x
2,
...
...,
x
N magnitudes reales experimentales accesibles (T, P, x).
i
iEquilibrio Físico
Dos funciones auxiliares para establecer estas relaciones son:
• Fugacidad • Actividad
Magnitudes más próximas la sentido físico
Considerando fasevapor
líquida fase
o i i i i i y P
x f
fugacidad de e coeficient mol fracción y vapor fase i i puro i componente fugacidad f actividad de e coeficient mol fracción x líquida fase o i i i 20
Equilibrio Físico Diagrama de fases
Figura 1. Diagrama de fases de un componente puro con una fase sólida: (a) P vs T. (b) P vs V vapor líq ui do líquido + vapor Volumen Específico (V = 1/ ) P Psat
Figura 1. Diagrama de fases de una mezcla binaria. (a) Temperatura vs composición. (b) Composición Y vs X
EQUILIBRIO
LIQUIDO-LIQUIDO
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 agua aa eter 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 x ,y e te r x,y aa 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 yaa e x tra ct o x aa refinado
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 agua aa eter
EQUILIBRIO
SOLIDO-LIQUIDO
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 C
