TEMA 5:

INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN

Operación básica (operación unitaria): Cada una de las operaciones o etapas individuales con una función específica diferenciada que, coordinadas, permiten llevar a cabo un proceso químico; se basan en principios científicos comunes y tienen técnicas de cálculo semejantes.

Operaciones de separación: Conjunto de operaciones básicas en las que se produce una transferencia de materia; actúan sobre una corriente formada por una mezcla de componentes y separan éstos en diferentes corrientes.

Componentes en una sola fase: Se necesita una segunda fase inmiscible para separar algunos componentes; la segunda fase se forma a partir de la primera (cambiando P y T) o añadiendo una nueva fase, independiente de la original.

Componentes en varias fases: Al estar las fases dispersas, es necesario cambiar las condiciones para que se separen las fases y, con ellas, los componentes.

Aplicación de barreras: Métodos actuales de separación en una sola fase, aplicando barreras o campos para que los componentes migren selectivamente a través de ellas.

Otras operaciones básicas que no son de separación (pero muy importantes): flujo de fluidos y transmisión de calor.

Tres tipos de operaciones (Figura 5.1): continuas, discontinuas o semicontinuas.

• Operaciones continuas: Las corrientes de entrada fluyen permanentemente al equipo y las corrientes de salida fluyen de la misma forma; el tamaño del equipo viene determinado por el caudal y la velocidad de la operación; el tiempo no influye y se opera en régimen estacionario.
• Operaciones discontinuas: El producto se carga en el equipo, se procesa y finalmente se descarga; el tamaño del equipo viene determinado por el tiempo necesario para alcanzar las características deseadas; el funcionamiento es en régimen no estacionario.
• Operaciones semicontinuas: Una corriente entra y sale continuamente del equipo, mientras que otras se cargan y descargan de forma discontinua; se opera en régimen no estacionario.

• Escala de laboratorio: Usada para estudiar detalles, empleando pequeñas cantidades de materias primas; económica.
• Escala de planta piloto: Usada para estudiar restricciones del proceso industrial; las cantidades procesadas varían mucho.
• Escala semiindustrial (demostración): Instalación industrial de menor tamaño (10%) que sólo se utiliza en ocasiones específicas; muy costosa.
• Escala industrial: Tamaño final de la planta comercial que ha de reproducir los resultados de laboratorio.

Dos modos de contacto: continuo o intermitente.

• Contacto continuo (Figura 5.2): Cada una de las fases fluye sobre la otra sin interrupción y ambas están permanentemente en contacto; los componentes se transfieren de fase a lo largo de todo el aparato; las dimensiones dependen de los caudales de transferencia; los equipos son las columnas de relleno, cilindros que encierran cuerpos sólidos de distintas características que intentan proporcionar máxima superficie con mínima pérdida de presión.

• Contacto intermitente (Figura 5.3): Las fases se mezclan durante cierto tiempo, se separan y se vuelven a mezclar en intervalos sucesivos (etapas de contacto múltiple); si la mezcla es tan efectiva que las fases salen en equilibrio se habla de "etapa ideal"; las dimensiones dependen del número de etapas y de su eficacia; los equipos en las columnas de platos, cilindros divididos en pisos, a cada uno de los cuáles acceden las fases y se ponen en contacto mediante los dispositivos adecuados.

Tres tipos de flujo o características de circulación de las fases a través del equipo: en paralelo, en contracorriente o cruzado.

• Flujo en paralelo (Figura 5.4): Las corrientes se mueven en la misma dirección y sentido a través del equipo; el transporte máximo entre las corrientes está limitado por el equilibrio entre las fases a la salida del equipo; baja eficacia.

• Flujo en contracorriente (Figura 5.5): Las corrientes se mueven en la misma dirección pero en sentidos opuestos a través del equipo; el equilibrio puede alcanzarse en cualquiera de los extremos del equipo, por lo que la operación es equivalente a varias etapas ideales; mayor eficacia.

• Flujo cruzado (Figura 5.6): Las corrientes se mueven en direcciones perpendiculares entre sí a través del equipo; el transporte está limitado por las condiciones de salida, pero en cada zona del equipo, por lo que es equivalente a varias etapas de equilibrio; puede llevarse a cabo un contacto repetido, una de las salidas de una etapa es un producto y otra se pone de nuevo en contacto con alimento fresco.

• Reflujo (Figura 5.7): Corriente procedente del producto de salida que se vuelve a introducir en el equipo para conseguir una separación más completa.

Criterios de clasificación de las operaciones de separación: superficie interfacial y mecanismo controlante:

• Superficie interfacial: Superficie que se forma entre las dos fases entre las que se produce el transporte de materia; la segunda fase puede generarse con un agente energético de separación (cambio de estado), o con un agente material de separación (fase ajena); en la migración selectiva de componentes la interfase es una membrana.
• Mecanismo controlante: Fenómeno mucho más lento que los demás y que determina la velocidad con que transcurre un proceso global; la transferencia de materia va acompañada de transporte de energía y cantidad de movimiento que pueden influir de modo decisivo.

La siguiente tabla muestra una relación de las operaciones de separación más habituales, clasificadas según los dos criterios mencionados.

Se presentan en forma esquemática cada una de las operaciones de separación relacionadas en la tabla anterior. Se ofrece en cada caso la siguiente información:

• Denominación.
• Mecanismo controlante y superficie interfacial.
• Descripción del objetivo.
• Ejemplo de aplicación.

Desorción (Materia; sólido - fluido):
Separación de las sustancias adsorbidas sobre un sólido mediante un disolvente líquido o gaseoso; operación inversa a la adsorción.
Recuperación de olefinas, previamente adsorbidas sobre zeolitas, mediante vapor de agua.

Lixiviación (Materia; sólido -líquido):
Separación de uno o varios componentes contenidos en una mezcla sólida mediante un disolvente líquido ajeno a la misma.
Separación del aceite de las semillas del cacahuete por tratamiento con n-hexano.

Intercambio iónico (Materia; sólido -líquido):
Separación de algunos de los iones de una disolución líquida mediante un sólido iónico con el que intercambia ciertos iones del mismo tipo de carga.
Ablandamiento de aguas duras (eliminación de iones Ca⁺² y Mg⁺²) utilizando resinas naturales (zeolitas) o sintéticas de intercambio catiónico, que liberan iones H⁺ contenidos en su matriz.

Extracción (Materia; líquido - líquido):
Separación de los componentes de una mezcla líquida mediante un disolvente inmiscible con ella y ajeno a la misma.
Desparafinado (separación de hidrocarburos parafínicos) de aceites lubricantes mediante propano líquido.

Rectificación (Materia; líquido - vapor):
Separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida por vaporizaciones y condensaciones parciales sucesivas para enriquecer el vapor en el componente más volátil.
Producción de aguardientes industriales a partir de residuos de fermentación.

Absorción (Materia; gas -líquido):
Separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa mediante su disolución selectiva en un líquido ajeno a la misma.
Separación del SO₂ de un gas de combustión mediante agua.

Agotamiento (Materia; líquido - gas):
Separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida mediante un gas ajeno a la misma; operación inversa de la absorción.
Depuración de aguas contaminadas por compuestos volátiles mediante arrastre con aire.

• Difusión de gases:
• Separación de gases basada en la diferencia de difusividades efectivas de los componentes de la mezcla, que dependen del peso molecular del gas y del tamaño de los poros de la membrana.
• Separación de los isótopos del uranio.
• Permeación de gases:
• Separación de gases basada en la diferencia de difusividad y solubilidad de los componentes de la mezcla a través de una membrana sólida no porosa.
• Separación de helio del gas natural.
• Diálisis:
• Separación de moléculas de distinto tamaño contenidas en líquidos a través de membranas porosas.
• Reducción del contenido alcohólico de la cerveza.
• Ósmosis inversa:
• Separación de disolventes a través de membranas semipermeables que permiten su paso, pero no el de solutos de bajo peso molecular, aplicando gradientes de presión superiores e inversos a la presión osmótica de la disolución.
• Separación del agua de las sales en la potabilización del agua de mar.
• Ultrafiltración:
• Separación de compuestos basada en su tamaño, forma o estructura química de su molécula, propiedades que son discriminadas por ciertas membranas poliméricas semipermeables.
• Separación de sustancias coloidales en procesos de producción de vinos.

Secado (Materia + energía; sólido - gas):
Separación de un líquido que impregna un sólido mediante su vaporización en un gas, normalmente aire, ajeno al mismo.
Eliminación del agua de forrajes para su ensilado.

Liofilización (Materia + energía; sólido - gas):
Separación de un líquido que impregna un sólido mediante su congelación y posterior sublimación a vacío.
Deshidratación de extracto de café para la obtención de café instantáneo sólido.

Sublimación (Materia + energía; sólido - gas):
Separación de un componente de una mezcla sólida mediante su vaporización directa (sin pasar por estado líquido) por calefacción en el seno de una corriente gaseosa (frecuentemente aire) ajena a aquélla; cuando se trata de la operación inversa, es decir, se condensa directamente a sólido un componente de un vapor, recibe el mismo nombre.
Separación del yodo contenido en las algas marinas (sólido a vapor); purificación de azufre (vapor a sólido).

Cristalización (Materia + energía; sólido - líquido):
Separación de un componente de una disolución líquida mediante contacto con una fase sólida generada a partir de aquélla.
Obtención de cloruro sólido a partir del agua del mar.

Filtración (Momento; sólido -fluido):
Separación de las partículas sólidas o líquidas suspendidas en un fluido mediante su retención sobre un material poroso que es atravesado por el fluido.
Clarificación de aguas residuales mediante lechos de arena.

Sedimentación (Momento; sólido -fluido):
Separación de partículas sólidas o líquidas de un fluido mediante la actuación de la gravedad.
Separación de la levadura en exceso en la fermentación de cerveza.

Centrifugación (Momento; sólido -fluido):
Separación de partículas sólidas o líquidas de un fluido aplicando una fuerza superior a la de la gravedad, acelerando el fluido mediante un movimiento giratorio; se trata en realidad de un proceso de sedimentación forzada.
Separación de la nata de la leche.

Flotación (Momento; sólido -líquido):
Separación de los componentes sólidos de una suspensión líquida por su diferencia de densidad y propiedades superficiales, que generalmente se potencian añadiendo "agentes de flotación", como aire o agentes tensoactivos.
Separación de grasas minerales durante el tratamiento primario de las aguas residuales.

Transporte de cantidad de movimiento debido a diferencias de velocidad.

El rozamiento provocado por la viscosidad del fluido tiende a igualar las velocidades y produce una degradación de la energía mecánica.

Es necesario suministrar energía para conseguir la circulación del fluido; determinante en las operaciones, que se clasifican en dos grupos:

• Operaciones de flujo interno: El fluido circula por conducciones; se diseñan las tuberías, los dispositivos de impulsión, los de regulación del flujo y los de extracción de la energía mecánica contenida en el fluido.
• Operaciones de flujo externo: El fluido circula alrededor de partículas sólidas, en lechos; las operaciones más importantes son la fluidización (suspensión de partículas sólidas en el seno de un fluido ascendente), y el transporte neumático (arrastre de partículas sólidas por un gas).

Transporte de energía no mecánica, que se clasifica en dos grupos:

• Aislamiento térmico: Diseño de paredes con materiales de baja conductividad teórica para lograr condiciones adiabáticas.
• Intercambio de calor sin cambio de fase: Calentamiento o enfriamiento de sólidos a lo largo del tiempo, diseño de cambiadores de calor, dispositivos en los que se intercambia calor entre un fluido frío y otro caliente; diseño de hornos, en los que el calor generado por un combustible se transmite por radiación a un fluido que circula por tubos.

5.9 Otras operaciones básicas

Otras operaciones básicas que no encajan en las clasificaciones anteriores pero que pueden tener importancia:

• Trituración y molienda: Reducción de tamaño de materiales sólidos por compresión (trituración) o por fricción e impacto (molienda).
• Tamizado: Separación por tamaños de las partículas de un sólido a través de una malla (tamiz) de paso definido (luz).
• Mezclado: Puesta en contacto de diversos componentes para la obtención de una fase lo más homogénea posible; generalmente los líquidos se mezclan mediante un dispositivo de paletas introducido en el recipiente de mezcla, mientras que para mezclar sólidos se suele agitar el recipiente en su conjunto.
• Almacenamiento: Disposición de las materias primas o los productos en recipientes, principalmente para permitir la mejor interacción entre operaciones continuas y discontinuas; los sólidos suelen almacenarse a la intemperie o en silos, los líquidos en tanques y los gases en gasómetros o esferas (presión).