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Procesos de separación

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Procesos de separación

  1. 1. OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN INTRODUCCIÓN que por lo general, cuanto mayor sea la diferencia de alguna propiedad, más fácil y En las industrias de procesos químicos y físicos, económica será la separación deseada. así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en Las operaciones unitarias se relacionan con los cuanto a la forma en que los materiales de procesos de separación ya que se basan en las entrada o de alimentación se modifican o se diferencias que existen en las propiedades procesan para obtener los materiales finales, físicas más que en las químicas. Tales procesos de salida o productos. Es posible considerar dependen de la diferencia de composición que estos procesos químicos, físicos o biológicos, presentan las fases en equilibrio o bien la aparentemente diferentes, y clasificarlos en diferencia de velocidad de transferencia de una serie de etapas individuales y diferentes masa que tienen los constituyentes de una llamadas " Operaciones Unitarias", siempre y mezcla. cuando las transformaciones sean a nivel PROCESOS DE SEPARACIÓN. macroscópico. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de El objetivo de los procesos de separación es proceso. purificar una solución. Un proceso puede ser cualquier conjunto de Para hacer esto se debe causar un transporte etapas u operaciones unitarias que apliquen diferencial de las especies tal que la mezcla modificaciones de la composición química o pura pueda ser recogida. La mayoría de los ciertos cambios físicos en el material que se va procesos de separación involucra transporte a preparar, aislar, mezclar, procesar, separar o diferencial. purificar. Ya que cada una de las etapas que constituyen un proceso se encuentra sujeta a Por tanto, los procesos de separación se variaciones, el encargado del proceso debe pueden definir como aquellas operaciones que especificar también las condiciones exactas transforman una mezcla de sustancias en dos o bajo las cuales debe llevarse a cabo cada más productos que difieren en composición. etapa. Cuando se plantea el problema de separar los componentes que forman una mezcla homogénea se deben de aprovechar las diferencias que existen en las propiedades de los constituyentes que forman la mezcla para efectuar su separación. Se debe analizar las diversas propiedades químicas y físicas de los ¿POR QUÉ SEPARAR?. constituyentes con el objeto de determinar en cuales de esas propiedades se observa una Hay muchas razones por las cuales queremos mayor diferencia entre los componentes, ya sustancias puras. Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 1
  2. 2. OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN • Necesidad de materiales puros para La alimentación consiste de una corriente de aplicaciones en ingeniería (semiconductores) materia o de varias corrientes. Hay dos • Necesidad de materiales puros para su productos que difieren en composición; esto es procesamiento consecuencia de la naturaleza fundamental de • Necesidad de remover toxinas o compuestos una separación (Principio de separación). inactivos de una solución • Necesidad de muestras ultra-puras como La separación es causada por la adición de un referencias agente de separación, que toma la forma de • Necesidad de análisis de componentes de otra corriente de materia o energía. Con una mezcla (ADN) frecuencia, el agente de separación provoca la • Separación de materia prima en sus formación de una segunda fase de materia. componentes (petróleo) Una separación tiene lugar si la fase generada tiene una composición diferente de la fase Basado en las motivaciones se puede dividir las inicial (alimentación). separaciones en tres áreas: Ejemplos: La lista de los diferentes métodos de separación es ilimitada. Por lo tanto se hará énfasis en las principales operaciones de separación industrial que utilizan los Ing. Químicos.  Factor de separación. Nos indica el grado de separación que CARACTERISTICA DE LOS PROCESOS DE podemos obtener en cualquier proceso de SEPARACIÓN. separación en particular.  Agente de separación y principio de separación. Así, el factor de separación es la razón de las fracciones molares de los dos componentes en el producto 1 dividido por la razón en el producto 2. Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 2
  3. 3. OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN • Continua: Flujos continuos en la entrada y la salida • Semi-continua: pausa en los flujos Operaciones son clasificadas como operaciones claves o auxiliares Tener en cuenta: • Operación clave: involucra separación o  Sistemas V-L: reacción. Pi o Ejemplos: destilación, reactor, separacion de Pr ocesos ideales  ij  Pjo fases Pr ocesos no ideales  ij   i .Pi o  i. .Pjo • Operaciones auxiliares: no hay cambio en la composición química. s y i .1  xi  Ejemplos: bombas, compresores,  Sistemas binarios:  ij  xi .1  y i  intercambiadores de calor. x / x j1   i 2 . j1 Para identificar esas operaciones se cuenta s i1  Sistemas L-L:  ij   con: x i2 / x j2   i1 . j 2 Recordar: Diagrama de flujo de bloques indican:  El equipo en sí no realiza la separación sino, un agente dentro de él.  El agente de separción puedes er materia o energía, lo cual permite la separación propiamente, de esto depende el tipo de proceso de separación.  Lo mínimo que se obtiene de un proceso de separación son dos (2) productos.  Los productos tienen que tener diferente composición, si tienen la misma composición de separación no es eficiente.  Las operaciones claves por rectángulos y DESCRIPCIÓN BÁSICA DE LAS  Flujos de un proceso a otro por líneas OPERACIONES Diagrama de flujo del proceso indica los Los procesos de separación involucran procesos por: diferentes modos de operación: • Lote o Batch: no hay flujos Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 3
  4. 4. OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN la que sea más relevante. Debe notarse que en cualquier operación, por lo común se transferirá simultáneamente materia, energía y cantidad de movimiento pues las dos últimas propiedades están asociadas a la materia, por el hecho de existir. No obstante, la operación no vendrá controlada necesariamente por las tres transferencias, sino sólo por una o, a lo sumo,  Símbolos realísticos de los equipos por dos. De acuerdo con el criterio de cuál es la  Incluye las operaciones auxiliares transferencia más relevante, las operaciones unitarias se clasifican en: CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES • Operaciones de transferencia de materia. UNITARIAS • Operaciones de transmisión de energía. Cada operación unitaria tiene como objetivo el • Operaciones de transmisión simultánea de modificar las condiciones de una determinada materia y energía. cantidad de materia en forma más útil a • Operaciones de transporte de cantidad de nuestros fines. Este cambio puede hacerse movimiento principalmente por tres caminos:   Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla,...)  Modificando el nivel o calidad de la energíaque posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión, ...) Operaciones de transferencia de materia: cuando se ponen en contacto dos fases que no  Modificando sus condiciones de están en equilibrio desde el punto de vista de movimiento (aumentando o disminuyendo un determinado componente, éste se su velocidad o su dirección). transfiere de una fase a otra, tendiendo al equilibrio. Aprovechando esta difusión entre Estos tres son los únicos cambios posibles que fases se pueden diseñar distintos tipos de un cuerpo puede sufrir. De acuerdo con estas aparatos que pongan en íntimo contacto dos ideas, normalmente se clasifican las fases distintas, con el objetivo general de operaciones unitarias en función de la conseguir la separación de uno de los propiedad -materia, energía o cantidad de componentes de una fase, mediante la acción movimiento que se transfiere en la operación o de la otra. Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 4
  5. 5. OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN Operaciones de transporte de cantidad de Operaciones de transmisión de energía: Estas movimiento operaciones son sólo una parte de aquéllas controladas por la transferencia de energía, ya que un sistema y sus alrededores 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. SELECCIÓN DE PROCESOS DE SEPARACIÓN.  Propiedades físicas de los componentes.  Estabilidad térmica: obtener un proceso que no sea afectado por la temperatura.  Formación de espuma: algunas muestras Operaciones de transmisión simultánea de pueden formar espumas por las materia y energía: Existen operaciones en las propiedades químicas y estas pueden que se da simultáneamente una transferencia afectar los equipos. de materia y una transmisión de calor, siendo ambos procesos controlantes del proceso de la  Formación de productos de corrosión: si el operación. Hay simultáneamente dos fuerzas producto es corrosivo daña todo, para ello impulsoras separadas, que pueden ir en el estan las aleaciones. mismo sentido o en sentidos opuestos. Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 5
  6. 6. OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD I. PROCESOS DE SEPARACIÓN  Diseño de ingeniería y desarrollo: si la de un separador operable o no operable, la operación es una de las ya establecidas, se experiencia y el criterio de los ingenieros y puede adquirir el equipo de diseño operadores de planta debe tenerse muy en mecánico estándar. La diferencia de costes cuenta. entre un separador convencional que utiliza equipo auxiliar normalizado y un separador  Seguridad: Cada vez es más frecuente no convencional que requiere desarrollo y conducir la valoración cuantitativa de los ensayo puede ser excesiva. riesgos del proceso mediante las formas y efectos de los fallos, árbol de fallos, u otras  Costo fijo y de operación: Los costes fijos alternativas analíticas. Por tanto, la comprenden los costes del equipo y su probabilidad de un accidente, con la instalación. Los costes del equipo dependen correspondiente pérdida potencial, es un grandemente de la complejidad geométrica, factor de coste que, aunque probabilístico, de los materiales de construcción y de las deberá de tenerse en cuenta. condiciones de operación que ha de soportar. El último factor es favorable para  Factores ambientales y sociales: La visión de los separadores que operan en condiciones la ingeniería no debe de contemplar ambientales. Cuando se comparan diversos solamente las normas actuales sino que tipos de separadores es preciso incluir los debe de anticiparse al futuro. Hay que costes del equipo auxiliar (ejemplo: bombas, recordar que lo más barato no es compresores, cambiadores de calor, etc.). necesariamente lo mejor a largo plazo. Generalmente se necesitará un separador adicional y su equipo auxiliar para recuperar un AMS. Los costes de operación de diferentes tipos de separadores tienen distintos costes de servicios, mano de obra, mantenimiento, depreciación y control de calidad. Si se necesita un AMS, no será posible recuperar el 100% de esta substancia y se generarán costes de reposición. El coste de las materias primas es con frecuencia la principal partida de los gastos de operación, Por tanto, es imperativo que el separador sea capaz de operar de acuerdo con la eficacia del diseño.  Operabilidad: Aunque no existen criterios distintivos para lo que constituye el diseño Prof. Ing. Yolimar Fernández Página 6

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