Operaciones de Transferencia de Masa

• Se caracterizan por transferir una sustancia a otra a nivel molecular.
• Puede haber transferencia de masa como resultado de la diferencia de concentraciones, aunque no todo se puede separar por diferencias de concentraciones.

Fases Inmiscibles

1. Gas-Gas: Puesto que todos los gases son completamente solubles entre sí, no existe este caso.
2. Gas-Líquido: Es muy fácil separar porque la fase gaseosa puede difundirse en el líquido.
   • Destilación: Si todos los componentes del sistema se distribuyen en fases de equilibrio.
   • Humidificación: Cuando se agrega agua al aire seco, el contacto del aire seco y el agua da como resultado la evaporación del agua.
   • Deshumidificación: Al aire seco se le quita agua; el contacto de aire húmedo y agua da como resultado la condensación del aire húmedo.
   • Absorción y Desorción: Cuando dos fases poseen un solo componente en común.
3. Líquido-Líquido: Contacto entre dos fases líquidas insolubles.
   • Embudo de Separación: Cuando se agita una solución de tres componentes, se deja asentar y se separan.
   • Extracción de doble disolvente o extracción fraccionada: Se añaden dos componentes para extracciones complejas.
4. Líquido-Sólido: Soluciones con un solo componente en común.
   • Lixiviación o Extracción por Solvente: Disolución selectiva de un componente en una mezcla sólida mediante un disolvente líquido.

Fases Separadas por una Membrana

1. Gas-Gas: Si una mezcla gaseosa con componentes de pesos moleculares diferentes se pone en contacto con una membrana microporosa, esta se separa debido a su diferente velocidad de difusión a través de la membrana. Isótopos.
2. Sólido-Sólido: Debido a que las velocidades son increíblemente lentas para membranas en separaciones sólido-sólido, no hay aplicaciones industriales de este tipo.

Gas-Líquido: Se produce por permeación. Si agua y alcohol se hacen pasar por una membrana no porosa, el alcohol difunde en forma preferente y luego se evapora.

Líquido-Líquido: Diálisis: Separación de una sustancia cristalina presente en un coloide mediante el contacto de la solución de ambos con disolvente líquido, usando una membrana permeable tan solo al disolvente y a la sustancia cristalina disuelta. Extradiálisis: Cuando se usa una diferencia de potencial para facilitar la difusión de las partículas cargadas.

Agentes de Separación

Elemento que provee de dos fases inmiscibles a través de energía y materia.

• Operaciones directas: Son aquellas que producen las dos fases a partir de una solución de una sola fase, agregando o quitando calor. Destilación y Cristalización.
• Operaciones indirectas: Se adiciona una sustancia extraña. Absorción, desorción, adsorción, secado, lixiviación, extracción líquida.

Adsorción

Tiene como objetivo separar vapores de un gas. Se hace pasar el gas por una sustancia adsorbente (un sólido) con la finalidad de que los vapores queden en el sólido, obteniendo un gas sólido. El material adsorbente además de adsorber agua puede también adsorber CO₂ e hidrocarburos (HC). Para adsorber se usa carbón activado y tamiz molecular para HC (Gas-Sólido). La separación se produce debido a que las diferencias de peso molecular o de polaridad dan lugar a que algunas moléculas se adhieran más fuertemente a la superficie que otras. El adsorbente puede regenerarse con el fin de obtener el adsorbato de forma concentrada.

Absorción y Desorción

Absorción: Pone en contacto un gas con un líquido absorbente para absorber algún componente del gas (Gas-Líquido). Desorción: Pone en contacto una corriente líquida con una gaseosa para retirar componentes (Líquido-Gas).

Torre de relleno: Columna cilíndrica con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior, salidas para el gas por cabeza y para el líquido por cola, y una masa de cuerpo sólido llamada relleno. Esta masa de cuerpo sólido que aumenta el área de contacto entre un líquido y un gas, y estos pueden ser de metal, cerámica y plástico.

Requerimientos del Relleno

• Químicamente inerte a los fluidos de la torre.
• Resistencia mecánica y sin peso excesivo.
• Pasos adecuados para ambas corrientes, que no se acumule líquido y que no se pierda presión.
• Proporcionar buen contacto entre líquido y gas.
• Costo razonable.

Gráfica de Moody: Establece las caídas de presión y la inundación de la torre. Lo normal es operar entre el 60 y 80% de inundación. Tiene que haber espacios en la torre para que el líquido pueda seguir su camino. La inundación ocurre cuando el gas tiene suficiente presión para detener el paso del líquido. La inundación puede dañar al equipo y al relleno.

Los filtros vela: Poseen altas superficies de contacto donde el ácido sulfúrico queda atrapado entre las fibras y solo sale el gas, que será aire y algo de dióxido de azufre. Los demister: Atrapan gotas como las velas, tienen menos superficie de contacto, se usan cuando el ácido sulfúrico pasa a otro equipo, y produce pérdida de carga.

Equilibrio Líquido-Vapor (Equilibrio de Fases)

La relación de equilibrio depende de la temperatura, la presión y la composición de la mezcla. “A” es una sustancia que forma parte de un sistema gas-líquido.

Ley de Raoult: Se usa cuando X_a tiene valor cercano a 1, o sea, cuando casi toda la fase es líquida. Ley de Henry: Cuando X_a es cercano a 0, o sea, casi todo gas. Generalmente se usa en disoluciones de gases que no condensan.

Gráficas de Equilibrio Líquido-Vapor: Determinan la cantidad de platos para la destilación y los puntos de ebullición de la sustancia pura.

Destilación

Objetivo: Separar componentes de una mezcla o disolución manejando la diferencia de sus puntos de ebullición. Se calienta hasta que el componente más volátil se evapora y luego se condensa.

Columna de Platos de Burbujeo

• Para destilar.
• En cada plato el componente más volátil se pondrá en contacto con el gas que sube, llevándoselo y empobreciendo lo que queda en el plato anterior.
• Es importante mantener la temperatura en cada plato.
• En la destilación hay dos productos, uno por arriba y otro por abajo. Lo importante es que se tenga la mayor pureza.
• Vertedero: Es el lugar por donde baja el líquido en cada uno de los platos.

Tipos de Columnas de Destilación

1. Columnas Batch: La columna es alimentada por lotes.
2. Columnas continuas: Se procesa una corriente continua de alimentación. No existen interrupciones, son capaces de manejar grandes cantidades y son las más usadas a nivel industrial.
3. Según alimentación:
   • Columnas binarias: Solo se alimentan dos componentes.
   • Columnas multicomponentes: Se alimentan dos o más componentes.
4. Según corrientes de productos:
   • Columna simple: Solo dos productos, tope y fondo.
   • Columnas de productos múltiples: Más de dos productos.
5. Según corrientes extras de alimentación:
   • Destilación extractiva: La alimentación extra aparece en el fondo.
   • Destilación azeotrópica: La corriente extra aparece en el tope.
6. Según tipo de contactores internos:
   • Columnas de platos: Los platos están diseñados para mejorar el contacto entre vapor y líquido, logrando una mejor separación.
   • Columnas de relleno o empacadas.

Elementos de Columnas de Destilación

Carcasa vertical, contactores internos (elementos de relleno o platos), rehervidor para proveer la vaporización, condensador para enfriar y condensar los vapores, estanque de reflujo para recibir los condensados de tope.

Punto de Rocío: Condensación. Punto de Burbuja: Vaporización. Volátil: Mayor capacidad, menor punto de ebullición. Inundación: Condición indeseada, donde no hay contacto líquido-gas.

Para minimizar la canalización del relleno: Incluir distribuidores de líquido a lo largo de la columna, controlar la velocidad del líquido, relación entre diámetro de torre y de relleno menor que 8.

En el fondo la temperatura es mayor, rico en componente pesado. En el tope, la temperatura es menor, rica en componente liviano (menor punto de ebullición).

Ósmosis

Relacionado con el comportamiento del agua (movimiento) a través de una membrana, en donde, de un lugar de mayor concentración a uno de menor concentración, tienden a igualarse.

Membrana Semipermeable

Estructura que contiene gran cantidad de poros de tamaño minúsculo, de forma que deja pasar moléculas pequeñas y no grandes. Permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en una disolución. La parte que atraviesa se llama permeado y la que no, rechazo. Para esto es necesaria la existencia de una fuerza impulsora, por diferencia de presión, diferencia de concentración, potencial eléctrico, etc. El paso se ve en criterios de tamaño de poro, solubilidad, difusión.

Presión osmótica: Diferencia de altura, ya que en un lado será mayor.

La transferencia del solvente se detiene cuando la presión hidrostática supera a la presión osmótica.

Ósmosis Inversa

Si se aplica en la columna de fluido una presión superior a la presión osmótica, todos los sólidos (bacterias, sales) quedan atrapados en la membrana, eliminándolos así del solvente.

Aplicaciones de la Ósmosis Inversa

• Industria papelera.
• Industria alimentaria de lácteos.
• Principalmente, tratamiento de aguas.
• Producción de agua ultrapura: Industria química.
• Ablandamiento de aguas: Con exceso de minerales para el consumo.
• Producción de agua potable: A partir de agua de mar (desalación).