Operación con transferencia de masa
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Operación con transferencia de masa. Tienen una gran importancia desde el punto de vista químico industrial, ya que es muy difícil encontrar un proceso químico que no requiera previamente la purificación de la materia prima o un producto intermedio, o simplemente separar el o los productos finales del proceso de sus subproductos. Las mismas casi siempre van acompañadas de operaciones de transferencia de calor y del movimiento o flujo de fluidos.
Las operaciones con transferencia de masa están presentes en la producción de fertilizantes, la industria azucarera, la producción de ácidos sulfúrico y clorhídrico, las refinerías de petróleo, etc.
Sumario
Generalidades
La transferencia de masa es la tendencia de uno o más componentes de una mezcla a transportarse desde una zona de alta concentración del o de los componentes a otra zona donde la concentración es menor. Por ejemplo, si se echa un cristal de sulfato cúprico en agua el cristal se disolverá, alrededor de la superficie del cristal la coloración del agua toma un color azul, que es más intenso mientras más cerca se esté de dicha superficie.
A medida que transcurre el tiempo, se observa como la coloración de las zonas alejadas se vuelve más azul, mientras que el cristal desaparece paulatinamente, hasta que si se deja el tiempo suficiente, toda el agua muestra un tono de azul uniforme. El sulfato viaja de una zona donde la concentración es más alta a la zona de menor concentración. Dicha tendencia permite la disolución del sulfato cúprico en el agua. La diferencia de concentración es la que constituye la fuerza motriz (o directora) de la transferencia de masa.
Equilibrio
La transferencia de masa tiene un límite, que se conoce como equilibrio entre las fases. El equilibrio se alcanza cuando no existe fuerza directriz y la transferencia neta cesa. Desde el punto de vista físico este equilibrio se produce de la manera siguiente: si por ejemplo existe una fase gaseosa y la otra líquida y el componente que se va a transferir se encuentra al principio solamente en la fase gaseosa, con una concentración y, mientras que la concentración en la fase líquida es x = 0, al ponerse en contacto ambas fases, las moléculas del componente comenzarán a pasar de la fase gaseosa a la fase líquida con una velocidad que será proporcional a la concentración del componente en la fase gaseosa. Sin embargo, con la presencia del componente en la fase líquida, ocurre también el paso de las moléculas en sentido inverso, o sea hacia la fase gaseosa, con velocidad proporcional a la concentración del componente en la fase líquida.
A medida que transcurre el tiempo, la velocidad de transferencia de la fase gaseosa a la líquida disminuye, mientras que la de transferencia de la fase líquida a la gaseosa aumenta. En algún momento, ambas velocidades se igualan y se establece un equilibrio dinámico ente las fases y no existirá una transferencia visible del componente de una fase a otra, o sea el resultado neto es nulo. La diferencia de concentraciones entre las fases (x–y) no es la fuerza motriz, sino el alejamiento de las condiciones de concentraciones en equilibrio en cada fase, que se puede expresar, según sea el caso, como (x – x*) o (y – y*) y puede tomar diferentes valores según sean las formas de expresar dichas concentraciones.
Con el equilibrio se alcanza cierta dependencia entre las concentraciones límites o equilibradas del componente a transferir entre las fases. Esto ocurre a una temperatura y presión dadas. Un proceso industrialmente factible debe tener una producción o resultado razonable, por lo cual el equilibrio se debe evitar, ya que el flujo de la transferencia es proporcional a la fuerza directriz, la cual es mayor mientras más alejadas son las condiciones de operación de aquellas que se establecen cuando se alcanza el equilibrio.
Esto se logra a través de acciones específicas para cada tipo de operación, las cuales se integran al proceso en cuestión. Las variables de control operacional son generalmente la temperatura, la presión y la concentración.
Operaciones más utilizadas
Absorción
El componente, que está en fase gaseosa formando una mezcla con otros gases, pasa a la fase líquida en la cual es más soluble. Se manifiesta la transferencia de masa de la fase gaseosa a la fase líquida. En este proceso, cuando las concentraciones del componente a transferir son pequeñas en la solución inicial, el equilibrio se describe a través de la ley de Henry. Ejemplo: absorción de CO2 de los gases de combustión utilizando como absorbente la metanol amina.
Desorción
Esta operación es contraria a la anterior. El componente es despojado de una corriente líquida donde forma una mezcla y pasa a la fase gaseosa. Ejemplo: la desorción del CO2 absorbido en la metanol amina con el objeto de regenerarla, o sea de restaurarle la propiedad absolvedora.
Destilación o Rectificación
Consiste en la separación de mezclas líquidas homogéneas mediante el múltiple intercambio de los componentes entre las fases líquida y gaseosa. En esta operación los componentes pesados de la fase gaseosa pasan a la fase líquida, mientras que los componentes más ligeros de la fase líquida pasan a la fase gaseosa, es decir, que para este caso existirá una doble transferencia de masa entre las fases líquida y gaseosa. En condiciones ideales para estas operaciones se aplica la ley de Raoult. Ejemplo: la destilación del petróleo en las refinerías.
Secado
Consiste en remover el líquido de una masa sólida mediante la vaporización. Durante este proceso ocurre la transferencia de masa hacia la fase gaseosa. Ejemplo: el secado del azúcar refino.
Lixiviación
Esta operación consiste en remover de una mezcla sólida un componente soluble en un solvente líquido, en el cual el resto de los sólidos son insolubles. Ejemplo: disolución de carbonato de níquel en una disolución amoniacal en el proceso productivo de Nicaro.
Extracción
Esta operación se realiza en un sistema líquido-líquido, consiste en la separación de un componente diluido en un solvente líquido por otro líquido prácticamente inmiscible o miscible parcialmente con el primer solvente. En este caso, el componente, a extraer de la disolución inicial, va de una fase líquida a otra fase líquida. Ejemplo: extracción del ácido acético mezclado con benceno, utilizando agua como solvente.
Adsorción
Consiste en la eliminación selectiva de un componente gaseoso o líquido de una mezcla, mediante un adsorbente sólido poroso, la separación está caracterizada por el paso de la sustancia de la fase gaseosa o líquida a la fase sólida. Ejemplo: la decoloración del sirope con carbón activado en la producción de azúcar refino. Otro ejemplo es el intercambio iónico, utilizado frecuentemente durante el tratamiento del agua inyectada a las calderas para la producción de vapor, consiste en la separación sobre la base de la capacidad de algunas materias sólidas (ionitos), de cambiar sus iones móviles por iones pertenecientes a disoluciones de electrolitos al ponerse en contacto con las mismas.
Operaciones menos convencionales
Craqueo o cracking
El craqueo es un proceso químico por el cual se quiebran moléculas de un compuesto produciendo así compuestos más simples por presión y calor (térmico) o con el uso de un catalizador (catalítico).
Cristalización
La cristalización es el proceso por el cual se forma un sólido cristalino, ya sea a partir de un gas, un líquido o una disolución. La cristalización fraccionada es un método de purificación de sustancias basado en las diferencias de solubilidad. Si dos o más sustancias están disueltas en un disolvente y éste se va evaporando, dichas sustancias cristalizan en la disolución (precipitan) a diferentes velocidades.
Sublimación
La sublimación (del latín sublimāre) o volatilización es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.
Separaciones de espumas
Es un proceso de transferencia interno en la fase del soluto desde el seno de un líquido a la superficie, se logra provocando una espuma en la solución, por medio del burbujeo de un gas en ella. Esta técnica es eficaz para bajas concentraciones y se utiliza con gran interés para la recuperación de detergentes de desagües cloacale.
Separaciones por membrana
Estas separaciones se realizan por medio de la transferencia de materia entre fluidos separados mediante una membrana semipermeable. Para una separación eficaz la membrana debe ser diferentemente permeable a las sustancias a separar., la filtración se produce a escala molecular. Es posible separar soluciones liquidas y gaseosas. La dificultad principal es que es pequeño el régimen de transporte a través de la membrana.
