M Ó D U L O 1.2
Fundamento teórico de los
procesos de separación
 Facilitador  Módulo
Dra. Gabriela Barbosa Moreno Ingeniería de Procesos
ALGUNOS MECANISMOS DE TRANSFERENCIA
Transferencia
de calor
Transferencia
de masa
Movimiento
Estado
inicial
Fuerza
impulsora
Equilibrio
2
CONCEPTO DE EQUILIBRIO EN PROCESO
3
PROCESOS DE SEPARACIÓN
El concepto de
operaciones unitarias es
muy amplio e involucra el
transporte de momentum,
energía y materia.
Mientras que los procesos
de separación consideran
en su mayoria
operaciones donde
existen transferencias de
masa
4
CONCEPTO DE EVAPORACIÓN
Se tiene que cumplir lo
siguiente:
-La partícula debe estar en la superficie del líquido.
-La dirección del movimiento deberá llevarla mas allá de la superficie del líquido.
-El impulso debe ser lo suficientemente grande para vencer la fuerza hacia atrás de
las otras partículas de la superficie.
5
CONCEPTO DE PUNTO DE EBULLICIÓN
6
PRESIÓN DE VAPOR
Presión sobre
la fase líquida
a una
temperatura
en la que la
fase líquida y
el vapor se
encuentran
en equilibrio
dinámico.
7
OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA
8
CLASIFICACION DE OP. DE TRANSFERENCIA DE MASA
9
EJEMPLOS DE TRANSFERENCIA DE MASA
Siempre que existe
diferencia de
concentración de una
cantidad física en un
medio, la naturaleza
tiende a igualar las
cosas al forzar un flujo
desde la región de alta
concentración hacia la
de baja.
ANTES
DESPUÉS
10
DIFUSIÓN Y CONVECCIÓN DE MASA
11
ACTIVIDAD. Describa los siguientes procesos de
transferencia de masa.
ACTIVIDAD. Describa los siguientes procesos de
transferencia de materia.
3
1
5
2
4
13
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA SIMULTÁNEA
14
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA SIMULTÁNEA
15
PARALELISMO ENTRE LA TRANSFERENCIA DE
CALOR Y LA TRANSFERENCIA DE MATERIA
Propiedad
transportada
Energía
Masa
Mecanismos de
transferencia
Fuerza impulsora
Temperatura
Procedencia
Concentración
Conducción
Difusión
Convección
Convección
Ley
Natural
Conversión
entre formas
de energía
Reacción
química
Fourier
Fick
Forzada
Radiación
Radiación
Natural* Forzada
¿Radiación?
¿Radiación?
16
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA APLICADA A
PLANTAS QUÍMICAS
La principal aplicación
de los fenómenos de
transferencia de calor y
masa en la industria se
encuentra en las
operaciones
unitarias y
procesos de
separación
17
PROCESOS DE SEPARACIÓN EN LAS PLANTAS QUÍMICAS
Conversión
Separación
• División del flujos en
varias corrientes y
fracciones
• Producción de
materia vendible
mediante
modificaciones
químicas
Terminación
• Producción de
varias corrientes
de productos
que
esencialmente
remueven
impurezas
Cambian las estructuras moleculares
Procesos de separación
19
OPERACIONES COMUNES EN LAS PLANTAS QUIMICAS
20
ACTIVIDAD. Clasifique las operaciones en CLAVE o
AUXILIAR según corresponda.
CLAVE
CLAVE
CLAVE
AUXILIAR
AUXILIAR
AUXILIAR
AUXILIAR
CLAVE
AUXILIAR
CLAVE
AUXILIAR
AUXILIAR
AUXILIAR
CLAVE
AUXILIAR
Rectificaciones continuas de la industria petrolífera.
Recuperación del aceite de semillas.
Purificación de la materia prima para acondicionarla.
Automatización de las operaciones de una planta.
Aseguramiento de condiciones de trabajo higiénicas.
Operación de intercambiadores de calor.
Tamizado.
Craqueo de alguna fracción petrolífera, con catalizador
Transporte de fluidos y sólidos.
Destilación.
Diversas operaciones mecánicas.
Almacenamiento de monómeros.
Área de producto terminado.
Recuperación del amoníaco, benceno, tolueno y xilenos del gas de
coquerías mediante disolventes adecuados.
Gestión de los períodos de carga y descarga de materias primas.
21
DEFINICIÓN DE OPERACIÓN UNITARIA
Etapas que se
repiten a lo largo de
los distintos procesos
industriales, que
poseen técnicas
comunes y se basan
en los mismos
principios científicos.
NO
involucran
reacciones
químicas
22
CLASIFICACIÓN OPERACIONES TRANSFERENCIA DE MASA
Operaciones
directas
Operaciones
Indirectas
Producen dos fases a partir de
una solución con una única
fase
Implican la adición de una
sustancia externa
Agente energético de
separación (AES)
Agente material de separación
23
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN
POR EL TIPO DE FLUJO CONTROLANTE
Transferencia
de masa
Absorción
Extracción
El movimiento suele
estar presente en la
mayoría de las
operaciones
Transferencia
de calor
Transferencia
de masa y calor
Intercambiadores
de calor
Secado
Evaporación
Destilación
Lixiviación
Adsorción
24
PROCESO DE CRISTALIZACIÓN
Es la técnica más simple y eficaz para purificar compuestos sólidos. Consiste en la disolución
de un sólido impuro en la menor cantidad posible del solvente adecuado y en caliente. En
estas condiciones se genera una disolución saturada que al enfriar se sobresatura y se
produce la cristalización.
25
PROCESO DE DECANTACIÓN
Decantación líquido-líquido
Decantación sólido-líquido
La decantación es
un método físico utilizado
para la separación de
mezclas heterogéneas, el
cual se usa para separar un
sólido de un líquido o dos
líquidos de diferente
densidad.
26
MIGRACIÓN DE PARTICULA
Mezcla de dos líquidos
inmiscibles estabilizados entre si.
Tipos de emulsiones
27
AGITADORES Y MEZCLADORES
Propósitos de la agitación
1
•Suspensión de partículas solidas
2
•Mezclado de líquidos miscibles
3
•Dispersión de un gas a través de un liquido
4
•Dispersión de un segundo liquido inmiscible en el
primero para formar una emulsión
5
•Promover la transferencia de calor
28
TANQUES DE ALMACENAMIENTO
❖ Normalmente acero
inoxidable y
recubrimiento interno
29
Calderas de
de
Calderas
Vapor
Vapor
¿Qué es?
Es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir
vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una
temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que
la atmosférica.
Principio Básico
Consiste en una cámara donde se
produce la combustión, con la
ayuda del aire comburente y a
través de una superficie de
intercambio se realiza la
transferencia de calor.
Caldera + Sobrecalentador = Generador de Vapor
Componentes en
en las
las Calderas
Calderas
Componentes
•Quemador: Sirve para quemar el combustible.
•Hogar: Alberga el quemador en su interior y
en su interior se realiza la combustión del
combustible utilizado y la generación de los
gases calientes.
•Tubos de intercambio de calor: El flujo de calor
desde los gases hasta el agua se efectúa a
través de su superficie. También en ella se
generar las burbujas de vapor.
•Separador líquido-vapor: es necesario para
separar las gotas de agua líquida con los gases
aún calientes, antes de alimentarla a la
caldera.
•Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido
calor al fluido.
•Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.
Generador de
de vapor
vapor
Generador
Factores a considerar:
*Niveles bajos y altos de líquido
*Temperatura de alimentación
*Presiones bajas y altas
*Sólidos disueltos
Usos del
del vapor
vapor
Usos
Calentamiento
En intercambiadores de Calor
Impulso de movimiento
En turbinas de Vapor para generación de electricidad
Limpieza
Es usado para limpiar un gran rango de
superficies. Ej. sopladores de hollín.
Fluido Motriz
Se puede utilizar para mover flujos de líquido o gas en una
tubería.
Hidratación
Es usado para hidratar un proceso mientras se
suministra calor al mismo tiempo. Ej. Molinos de Grano
Cambios de
de fase
fase
Cambios
El calor latente se refiere a la energía que requiere el agua para convertirse en vapor, también conocida como entalpía o
calor de vaporización. Cuando absorbe este calor latente, el agua se transforma en vapor, y cuando lo transfiere, el vapor
regresa a formar agua caliente (condensado).
Calidad del
del Vapor
Vapor
Calidad
¿Qué es?
La calidad del vapor es la proporción de vapor saturado o vapor
sobrecalentado presente en el fluido a analizar (vapor y/o condensado).
¿De qué sirve?
Cuantificar la calidad de vapor industrial, debe ser una acción recurrente
en una planta, ya que de ello depende poder mantener la vida útil de los
equipos y proporcionar productos finales de calidad.
¿Qué problemas
conlleva?
El principal problema con la baja calidad del vapor es el efecto sobre la
transferencia de calor en equipos y procesos. En algunos casos puede
reducir la transferencia de calor con eficiencias de no más del 65%.
Formación de
de condensados
condensados
Formación
Cuando el vapor se condensa, en el momento
mismo en que cambia de fase, el condensado
tiene la misma temperatura que el vapor
porque sólo el calor latente se ha perdido y,
todo el calor sensible permanece. Esta
condición se conoce como “agua saturada". No
desperdiciando, sino al contrario recuperando
y reusando tanto calor sensible como sea
posible es una de las principales razones por
las que el condensado se recupera.
Recuperación de
de condensados
condensados
Recuperación
En un proceso de calentamiento, el condensado es el resultado del vapor que transfirió parte de su
energía calorífica, conocida como calor latente, al producto o línea que debe ser calentado.
La recuperación del condensado es un
proceso que reutiliza el agua y el calor
sensible contenidos en el condensado
descargado. Recuperar el condensado,
en lugar de tirarlo, conlleva ahorros
significativos de energía, tratamiento
químico y agua fresca.
Ventajas
Ventajas de
de la
la recuperación
recuperación de
de condensados
condensados
➢ Ahorro de combustible por el
aprovechamiento energético
➢ Reducción de la contaminación
con gases COx, SOx y NOx por
quema de combustible
➢ Disminución del agua de
reposición y su tratamiento
químico.
➢ Mayor ganancia
Usos de
de condensados
condensados
Usos
El condensado puede ser reusado de varias formas distintas, por ejemplo:
• Como agua caliente de alimentación, cuando el condensado caliente se regresa
a la caldera.
• Como precalentamiento, en algún sistema de calentamiento compatible.
• Como vapor, si se reutiliza el vapor de cambio de fase.
• Como agua caliente, para limpieza de equipos u otras aplicaciones
Actividad
40
OPERACIÓN DE:
41
PROCESO DE DESTILACIÓN
Presión de
vapor
Volatilidad
Temperatura
de ebullición
42
DEFINICIÓN DE DESTILACIÓN
Separación, mediante
vaporización, de una
mezcla líquida
conformada por
sustancias miscibles y
volátiles, en sus
componentes
individuales.
Es el método de
separación industrial
más ampliamente
utilizado.
La separación se logra
gracias a la diferencia
de volatilidades de
los componentes.
43
TIPOS DE DESTILACIÓN
Destilación
Flash
Batch o por lotes
Rectificación
mezclas binarias
Fraccionadoras
multicomponentes
44
DESTILACIÓN BATCH O POR LOTES
45
DESTILACIÓN FLASH O RAPIDA
46
DESTILACIÓN FLASH O RAPIDA
47
DESTILACIÓN FLASH O RAPIDA
48
DESTILACIÓN FLASH O RAPIDA
49
DESTILACIÓN FRACCIONADA
Vapor al
condensador
alimentación
platos
Plato de
alimentación
EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR
Agotamiento
platos
Enriquecimiento
Reflujo
Del
rehervidor
Liquido al
rehervidor
50
COLUMNAS DE PLATOS VS EMPAQUES
Platos
• Fácil limpieza.
• Mayor altura y volumen.
• Menor eficiencia
• Mayor caída de presión.
• Operan con mayor burbujeo.
• Los costos iniciales son
menores.
• No aplica para servicios
corrosivos ni para aquellos
con tendencia a la formación
de espuma.
• Comunes solo en la
destilación.
Empacadas
• Difícil limpieza.
• Menores alturas y diámetros.
• Gran superficie de contacto.
• Menor caída de presión del
gas.
• Menor retención de líquido.
• Menor burbujeo.
• Menos problemas por
corrosión.
• Costo inicial mayor.
• Usadas en varios procesos.
51
INUNDACIÓN Y LLORIQUEO
INUNDACIÓN
LLORIQUEO
52
TIPOS DE PLATOS
Plato de válvula
Plato perforado
✓ Mas barato
x
Tendencia al lloriqueo
con flujos bajos
Plato de campana
✓ Manejan altos flujos de L-V con
buen contacto
✓ Poca tendencia al lloriqueo
x
x
Mas caros, problemas de
mantenimiento.
Esfuerzos por fatiga y corrosión
53
TIPOS DE EMPAQUES
Anillos Rasching
Empaques estructurados
(Gempack)
Anillos Pall
Sillas Berl
Sillas Intalox
Anillos Fleximax
54
TIPOS DE EMPAQUES
CARACTERÍSTICAS: Proporcionar gran área de contacto, permitir paso de fluidos, no generar caída de
presión, ser químicamente inerte, ser de bajo costo y durabilidad.
❖ Metálicos
Características de dispositivos internos en columnas empacadas y de platos
Empaque
Empaque
Platos de
Platos
Platos de
aleatorio
estructurado
capucha
perforados
válvula
Capacidad para
5
5
3
4
4
vapor
Capacidad para
5
5
4
4
4
liquido
Eficiencia
4
5
4
3
4
Flexibilidad
4
5
5
3
5
Caida de presión
4
5
2
3
3
Costo
2
1
3
5
4
Capacidad para
2
1
3
3
3
sistemas sucios
Confiabilidad del
3
3
4
4
3
diseño
5= Excelente, 4= Muy bueno, 3= Bueno, 2= Regular, 1= Malo.
✓ Resistencia al calor, buena humidificación
x Corrosión
Metal apropiado caro
❖ Plásticos
✓ No corrosivos
x Descomposición, mala humidificación
❖ Cerámicos
✓ No corrosivos, resistentes a altas P y T
x Tienden a romperse
55
EFECTO DE LA PRESIÓN
Las volatilidades relativas se reducen.
Aumenta el número de etapas de equilibrio requeridas
o el reflujo necesario.
Conforme se
incrementa la presión:
La eficiencia de contacto entre el vapor y el líquido
mejoran.
Se requiere menor diámetro de columna.
56
EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR
𝑦𝑖 = 𝐾𝑖 𝑥𝑖
57
En mezclas de dos o tres componentes es
posible tener una representación gráfica del
equilibrio de fases. Este tipo de diagramas se
presenta ordinariamente graficando una o dos
de las tres variables que caracterizan el
estado de equilibrio (composición, temperatura
y presión) a un valor constante de la o las
variables restantes.
58
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO T vs XY
59
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO X vs Y
60
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO H vs XY
61
MEZCLAS AZEOTRÓPICAS
Mezcla líquida de dos o mas sustancias que hierven a temperatura
constante y que se comportan como si estuvieran conformadas por un
solo componente químico
62
OPERACIÓN DE:
63
ADSORCIÓN VS ABSORCIÓN
64
ESQUEMA GENERAL DE PROCESO UN PROCESO DE
ABSORCIÓN
Mezcla gaseosa
Corriente gaseosa
CO2 + Aire
Aire
Disolvente
Disolución
Amina
Amina + CO2
65
ESQUEMA GENERAL DE PROCESO UN PROCESO DE
DESORCIÓN <> ABSORCIÓN/ADSORCIÓN
Disolución
Amina + CO2
Mezcla gaseosa
CO2 + Vapor de
agua
Corriente gaseosa
Disolvente
Vapor de
agua
Amina
66
ESQUEMA GENERAL DE PROCESO UN PROCESO DE
ADSORCIÓN
Mezcla gaseosa
o líquida
Colorante
+ Agua
Adsorbente
TiO2
Solvente
Agua
Adsorbente +
adsorbato
TiO2 +
Colorante
EJEMPLOS
68
T↓ aumenta la formación de hidratos y la tendencia a formar espuma
T↑ se forma mayor vapor de agua
P↓ se genera mas agua o vapor de agua por lo que se manejan presiones mayores entre el rango establecido.
en agua
Glicol
Agua
Glicol
en agua
100°F
69
T↑ se forma mayor vapor de agua
en agua
Agua
Glicol
en agua
70
EJEMPLOS
𝐏↑
𝐏↓
EJEMPLOS
72
EJEMPLOS
73
OPERACIÓN DE:
74
ESQUEMA GENERAL DE PROCESO UN PROCESO DE
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
Disolución
Extracto
Agua +
Piridina
Piridina +
Clorobenceno
Solvente extractor
Clorobenceno
Refinado
Agua
75
OPERACIÓN DE:
76
ESQUEMA GENERAL DE PROCESO UN PROCESO DE
EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO (LIXIVIACIÓN)
Materia sólida
Arenas
petroliferas
(Arenas +
Petróleo)
Solvente extractor
Nafta
Extracto
Nafta +
Petróleo
Refinado
Arena
77
Actividad de repaso
acumulativo
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
EN CADA CASO SELECCIONE LA MEJOR RESPUESTA
REFERENCIAS
• Warren D. Sider. (2015). Product and Process design principles: synthesis, analysis and evaluation
(3a. Ed). John Wiley & Sons.
• Robert H. Perry. (2008). Chemical engineers handbook (8a. Ed). Mc Graw Hill.
• Howard F. Rase (1973) Ingeniería de proyecto: para plantas de proceso (1a. Ed.). Continental.
• Frank L. Evans (1980). Equipment design handbook: for refineries and chemical plants (2a. Ed.). Gulf
Publishing Company.
• Ernest E. Ludwing (1977). Applied process design for chemical and petrochemical plants (2a. Ed.).
Gulf Publishing Company.
• Stanley M. Walas (1990). Chemical process equipment: selection and desing (1a. Ed.). ButterworthHeinemann.
• Victor H. Martinez. (2003). Procesos de Separación en Ingenieria Quimica (1a. Ed.) ACD.
• Warren L. Mc Cabe (1991). Operaciones unitarias en Ingenieria Quimica (4a. Ed.) Mc- Graw Hill.
• Victor H. Martinez (2007) Simulación de procesos en Ingenieria Quimica (1a. Ed.) Plaza y Valdez
• Joaquin Ocon (1980) Problemas de Ingenieria Quimica. Operaciones Basicas (1a. Ed.) Aguilar.
• Richard M. Felder (2008). Principios elementales de los Procesos Quimicos (3a. Ed.) Limusa
Wiley.
86