Fundamentos de la Separación de Mezclas
Factor de Separación (SP)
El factor de separación (SP) es crucial en los procesos de enriquecimiento y agotamiento. En la sección de enriquecimiento (parte superior), se purifica el componente ligero (LK), mientras que en la sección de agotamiento (parte inferior), se purifica el componente pesado (HK). El factor de separación mide la eficiencia relativa de la separación entre LK y HK, indicando cómo se distribuyen las especies en la cabeza y la cola de una torre de destilación.
La selección de LK y HK se realiza de manera que SP > 1 y sea lo más alto posible. Si SP está entre 1 y 10, se requieren múltiples etapas de equilibrio. Si SP es muy elevado, una sola etapa es suficiente.
Secuencia de Separación
Número de columnas: Nc = N – 1
Número de secuencias: Ns = 2Nc! / (N!Nc!)
Técnica Heurística
La técnica heurística se utiliza para seleccionar la secuencia más apropiada, considerando los siguientes criterios:
- Retirar al inicio los componentes inestables, corrosivos o químicamente reactivos.
- Retirar uno a uno y por la cabeza del destilado los productos finales.
- Retirar al principio de la secuencia los componentes de mayor porcentaje molar en la alimentación.
- Realizar las separaciones más difíciles en ausencia de los otros compuestos.
- Dejar para más tarde en la secuencia las separaciones que produzcan mayores purezas en los productos.
- Seleccionar la secuencia que favorezca cantidades aproximadamente equimolares de cabeza y cola en cada columna.
Transferencia de Masa (Xk)
¿Por qué es la transferencia de masa un factor importante? Porque es una fuerza impulsora y da la dirección de la velocidad de la transferencia de masa, lo cual es esencial para determinar el tamaño de los equipos de separación.
Componente Clave
Los componentes clave son las sustancias para las cuales se diseña el equipo de separación, con el objetivo de separarlas y obtenerlas. En una columna de rectificación, se suelen elegir dos componentes clave: uno de mayor punto de ebullición (HK) y otro de menor punto de ebullición (LK).
Proceso Auxiliar Principal
El principal proceso auxiliar de operación en la ingeniería química es la recirculación, que consiste en volver a llevar una corriente de salida, o parte de ella, a una etapa anterior del proceso (alimentación, reactor, etc.).
Método Común para Separar Fases Fluidas
El método más común para separar dos fases fluidas es la extracción líquido-líquido, donde a la alimentación líquida se le añade una segunda fase líquida (AMS) para absorber selectivamente una de las especies de la alimentación, generalmente inmiscible.
Adsorción vs. Absorción
La absorción consiste en separar una de las especies de una mezcla gaseosa mediante un líquido absorbente, mientras que la adsorción separa una de las especies de una mezcla fluida (líquido o gas) mediante el contacto con un agente sólido adsorbente. Por tanto, la interfase generada y la transferencia de materia en cada una de las operaciones será diferente.
Transferencia de Materia
Definición de Transferencia de Materia (TM)
La transferencia de materia (TM) es el movimiento neto de las especies en una mezcla de un lugar a otro. La transferencia de masa tiene lugar en todas las fases, además de la interfase, como en la absorción líquido-gas, donde la burbuja de gas se desplaza desde la fase gaseosa a la interfase y luego al líquido.
Difusión
La difusión se refiere al movimiento de diferentes especies en cualquier dirección dentro de un fluido.
Mecanismos de TM
- Difusión molecular: Movimiento a nivel microscópico y espontáneo de las moléculas debido a la cinética (agitación interna) de la materia. Es análogo a la conducción y siempre ocurre, aunque es muy lento. El orden de magnitud de la difusión molecular es mucho menor que el de la difusión turbulenta.
- Difusión turbulenta: Movimiento a nivel macroscópico debido a la diferencia de densidad (flotación). Es análogo a la convección.
- Transporte másico: Transporte en un fluido provocado por una fuerza impulsora (agitación, bombas, etc.). Cuando ocurre el transporte másico, el flujo es laminar a través de la interfase o superficie sólida.
Equilibrio entre Fases vs. Cinética de Transferencia de Masa
La cinética de transferencia de masa se refiere a la velocidad con la que una especie se mueve de una fase a otra. Esta especie dejará de moverse cuando se alcance el equilibrio entre fases. Una cinética de transferencia de masa alta implica un equilibrio entre fases lento, y viceversa. El mecanismo lento (cinética lenta) gobierna el proceso de separación, lo cual influye en el diseño del equipo de separación.
Difusión Molecular Ordinaria
En una mezcla binaria, debido a una fuerza impulsora, una especie A se difundirá respecto a una especie B. La principal fuerza impulsora es el gradiente de concentración, aunque también puede ser originada por cambios de temperatura, presión, carga eléctrica, etc. En resumen, gradientes = fuerzas impulsoras. Siempre hay difusión molecular, tanto en fluidos en reposo como en movimiento, debido a la cinética de la sustancia, aunque es muy lenta ya que solo tiene lugar en las proximidades de la interfase.