Fundamentos de Procesos de Separación y Diseño de Equipos Industriales

Introducción a los Procesos de Separación

En el diseño de procesos industriales, aunque el coste pueda parecer infinito, es necesario establecer límites razonables. La generación de subproductos comercializables y la gestión de la corriente de residuos son aspectos clave. El separador es el elemento fundamental que permite obtener el producto deseado, subproductos valiosos y gestionar los residuos.

Principios de Separación y Selección de Unidades

Para separadores simples, se necesitan al menos N-1 unidades, donde N es el número de corrientes de salida. Es crucial decidir qué unidades se emplearán y cuál será la secuencia de las mismas.

Selección de las Unidades de Separación

A continuación, se detallan las principales unidades de separación y sus aplicaciones:

• Destilación: Primera alternativa para separar fluidos, excepto cuando existe daño térmico, volatilidad relativa cercana a uno o condiciones extremas de presión y temperatura.
• Absorción: Utilizada para la separación de componentes traza en corrientes gaseosas.
• Adsorción: Aplicada para la eliminación de trazas en corrientes líquidas o gaseosas.
• Adsorción PSA (Pressure Swing Adsorption): Ideal para purificar corrientes gaseosas, especialmente cuando algún componente tiene un punto de ebullición criogénico y el flujo es relativamente pequeño.
• Extracción: Proceso de separación líquido-líquido.
• Cristalización: Empleada para separar dos sólidos o purificar un sólido de un líquido.
• Evaporación: Su objetivo es concentrar una disolución en sólido o líquido.
• Centrifugación: Permite concentrar un sólido de un lodo.
• Filtración: Utilizada para eliminar un sólido de forma seca de un lodo.
• Tamizado: Proceso para separar sólidos de distinto tamaño.
• Decantación/Flotación: Métodos para separar sólidos de diferentes densidades.
• Ósmosis Inversa: Empleada para purificar un líquido de una disolución de sólidos disueltos.
• Lixiviación: Proceso para separar un sólido de una mezcla de sólidos.

Secuencia Óptima de Separación

La secuencia de separación es fundamental para la eficiencia del proceso:

• Separar primero el producto mayoritario: De esta forma, las unidades sucesivas serán más pequeñas, optimizando el tamaño y coste de los equipos.
• En destilación, separar primero el producto con el mayor calor de vaporización: Esto reducirá la carga de calor de unidades sucesivas, mejorando la eficiencia energética.
• No combinar corrientes separadas: Mantener las corrientes separadas evita la necesidad de nuevas etapas de separación.
• Realizar en primer lugar las separaciones fáciles: Así, la separación más difícil será llevada a cabo en ausencia de otros componentes, simplificando el proceso.
• No desperdiciar materias primas y no sobrepurificar corrientes: Evitar costes innecesarios y optimizar el uso de recursos.
• Evitar emplear temperaturas y presiones extremas: Reduce el riesgo operativo y el coste de los equipos.
• Separar primero los materiales peligrosos (corrosivos): Esto disminuye el coste de equipos posteriores y mejora la seguridad.
• Evitar separaciones que empleen especies externas al proceso: Si es inevitable, separar estas sustancias lo antes posible para minimizar su impacto.
• En destilación, obtener el producto deseado como destilado y las impurezas como condensados: Facilita la recuperación del producto principal.
• En destilación, favorecer las secuencias directas: Aquellas que separan los componentes uno por uno en el destilado.

Propiedades Físicas Relevantes en Ingeniería de Procesos

Viscosidad de Líquidos y Gases

• ¿Cómo varía la viscosidad de los líquidos con la presión? ¿Y en gases?

  • Líquidos: La variación es despreciable.
  • Gases: Varía sustancialmente con presiones superiores a 10 bar.

Conductividad Térmica

• ¿En qué rango está la conductividad térmica de los gases? ¿Cuánto representa si lo comparamos con la del agua?

  • Rango de gases: 0,02 - 0,07 W/(K·m).
  • Comparación con el agua: La conductividad térmica del agua es entre 10 y 30 veces mayor. Varía según sea aire, vapor o materia orgánica. (Agua: 0,55-0,7 W/(K·m) o J/(s·ºC·m)).

Capacidad Calorífica y Calor Latente

• ¿Es mayor la capacidad calorífica del agua o de otro compuesto orgánico? ¿Y el calor latente?

  • Capacidad calorífica: Es mayor la del agua (aproximadamente 2 veces superior). Rangos típicos: Compuestos orgánicos 1-2.5 kJ/(kg·K) vs. Agua 4 kJ/(kg·K).
  • Calor latente: Es mayor el del agua (aproximadamente el doble). Rangos típicos: Compuestos orgánicos 200-1000 kJ/kg vs. Agua 400-1200 kJ/kg.

Densidad y Viscosidad de Líquidos con la Temperatura

• ¿Cómo varía la densidad de los líquidos con la temperatura? ¿Y su viscosidad?

  • Densidad de líquidos: Es proporcional a (Tc-T)^0,3 (donde Tc es la temperatura crítica).
  • Viscosidad: Se describe comúnmente por la ecuación Viscosidad = A * exp(B/T) (ecuación de Arrhenius o similar).

Características de las Unidades de Proceso Comunes

Dimensiones Típicas de Equipos

• ¿Cuál es la altura máxima de un tanque horizontal? ¿Vertical? ¿Y de una torre?

  • Tanque horizontal: 10 metros.
  • Tanque vertical: 10 metros.
  • Torre: 50 metros.

Fabricación de Torres de Gran Diámetro

• ¿Es posible construir una torre de más de 4 m de diámetro?

  • Es posible construir torres de hasta 7 metros de diámetro. No obstante, para diámetros superiores a 4 metros, la fabricación debe realizarse en el propio lugar de instalación.

Relación L/D en Tanques y Torres

• ¿Cuál es la relación L/D (Longitud/Diámetro o Altura/Diámetro) para un tanque? ¿Y para una torre?

  • Tanque: Mínimo 2, máximo 5.
  • Torre: Mínimo 2, máximo 30.