Optimización de la Composición de Mezclas en Ingeniería Química

Operaciones de Transferencia de Masa

Una parte importante de las operaciones unitarias en Ingeniería Química se relaciona con la modificación de la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas. Estas operaciones se enfocan en separar los componentes de una sustancia.

La importancia de estas operaciones es fundamental. Casi todos los procesos químicos requieren la purificación inicial de las materias primas o la separación final de productos y subproductos. Para ello, se utilizan las operaciones de transferencia de masa.

Las operaciones de transferencia de masa se caracterizan por transferir una sustancia a través de otras a escala molecular. Por ejemplo, cuando el agua se evapora de una piscina a una corriente de aire, las moléculas de vapor de agua se difunden a través de las moléculas de aire en la superficie, dentro de la masa de la corriente de aire.

Clasificación de las Operaciones de Transferencia de Masa

Contacto Directo de Dos Fases Inmiscibles

Esta categoría, la más importante, incluye la mayoría de las operaciones de transferencia de masa. Se basa en que las composiciones de las fases son distintas en un sistema de dos fases de varios componentes en equilibrio.

Los tres estados de agregación (gas, líquido y sólido) permiten seis posibilidades de contacto interfacial:

• Gas-gas: Puesto que casi todos los gases son solubles entre sí, esta categoría no se utiliza prácticamente.
• Gas-líquido: Si todos los componentes se distribuyen entre las fases en equilibrio, la operación se conoce como destilación fraccionada (o simplemente destilación).
• Gas-sólido: Si se evapora parcialmente una solución sólida sin la aparición de una fase líquida, la nueva fase vapor y el sólido residual contienen todos los componentes originales, pero en proporciones diferentes. Esta operación se llama sublimación fraccionada.
• Líquido-líquido: Las separaciones que involucran el contacto entre dos fases líquidas insolubles se conocen como extracción líquida. Un ejemplo es la separación de acetona de una solución de acetona-agua utilizando tetracloruro de carbono.
• Sólido-sólido: Debido a las lentas velocidades de difusión entre fases sólidas, no existen operaciones industriales de separación en esta categoría.
• Fases Separadas por una Membrana: Estas operaciones, aunque su importancia está en aumento, se utilizan con poca frecuencia. Las membranas funcionan de diferentes maneras, pero generalmente sirven para prevenir que se mezclen dos fases miscibles, impidiendo el flujo hidrodinámico común.
  • Gas-gas: En la difusión gaseosa o efusión, la membrana es microporosa. Los componentes de una mezcla gaseosa pasan a través de los poros con una rapidez que depende de sus pesos moleculares.
  • Gas-líquido: En las separaciones por permeación, una solución líquida (ej. alcohol y agua) se pone en contacto con una membrana no porosa, en la cual se disuelve preferentemente uno de los componentes (ej. alcohol).
  • Líquido-líquido: La diálisis separa una sustancia cristalina de un coloide mediante el contacto con un disolvente líquido y una membrana permeable solo al disolvente y a la sustancia cristalina.

Contacto Directo de Fases Miscibles

La difusión térmica implica la formación de una diferencia de concentración dentro de una única fase (gaseosa o líquida) al someter al fluido a un gradiente de temperatura, lo que permite separar los componentes de la solución.

Uso de los Fenómenos Interfaciales

Las sustancias que al disolverse en un líquido producen una solución de baja tensión superficial (en contacto con un gas) se concentran en la interfase. Se puede concentrar el soluto formando una espuma, por ejemplo, burbujeando aire a través de la solución. Esta operación se conoce como separación por espumación.

Esta clasificación no es exhaustiva, pero incluye las principales operaciones de transferencia de masa. Este libro se centra en las operaciones gas-líquido, líquido-líquido y sólido-fluido, que involucran el contacto entre fases inmiscibles.

Operaciones Directas e Indirectas

Las operaciones que dependen del contacto entre dos fases inmiscibles se clasifican en:

• Directas: Producen las dos fases a partir de una solución monofásica mediante la adición o eliminación de calor (ej. destilación fraccionada, cristalización fraccionada).
• Indirectas: Implican la adición de una sustancia extraña (ej. absorción, desorción, adsorción, secado, lixiviación, extracción líquida).

Elección entre los Métodos de Separación

A veces se puede elegir entre una operación de transferencia de masa o un método de separación mecánico. Por ejemplo, para separar un metal de su mineral, se puede usar la lixiviación (transferencia de masa) o la flotación (método mecánico).

Métodos de Realización de las Operaciones de Transferencia de Masa

Recuperación del Soluto y Separación Fraccionada

Si los componentes de una solución corresponden a grupos con propiedades muy diferentes (disolvente y soluto), la separación suele ser sencilla: una operación de recuperación o eliminación del soluto.

Operaciones en Estado No Estacionario

Las concentraciones en cualquier punto del aparato cambian con el tiempo debido a cambios en las concentraciones de los materiales alimentados, velocidades de flujo o temperatura.

Operación en Estado Estacionario

Las concentraciones en cualquier punto del aparato permanecen constantes con el tiempo.

Operaciones en Contacto Continuo (Contacto Diferencial)

Las fases fluyen a través del equipo en contacto íntimo y continuo, sin separaciones físicas repetidas ni nuevos contactos.

Transferencia de Calor

La transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura. El calor se transfiere de tres maneras:

• Conducción: Transferencia de calor a través de un sólido. Ejemplo: un atizador calentándose en el fuego.
• Convección: Transferencia de calor por el movimiento de moléculas frías y calientes. Ejemplo: el agua calentándose uniformemente en una tetera.
• Radiación: Transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja). Ejemplo: el calor de una fogata.

Mecanismo de Transferencia de Calor por Conducción

La transferencia de energía térmica se ve como un intercambio de energía cinética entre moléculas. La tasa de conducción depende de las propiedades de la sustancia. El calor se conduce del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Este proceso se explica por la ley de Fourier.

Mecanismo de Transferencia de Calor por Convección

Ocurre entre un fluido en movimiento y una superficie a diferentes temperaturas. La convección natural se produce por diferencias de densidad (ej. aire alrededor del fuego). La convección forzada utiliza un ventilador o bomba. Este proceso se explica por la ley de enfriamiento de Newton.

Mecanismo de Transferencia de Calor por Radiación

La radiación térmica es la energía emitida por la materia a una temperatura finita. Todos los objetos radian energía en forma de ondas electromagnéticas. Este proceso se explica por la ley de Stefan-Boltzmann y no requiere un medio para ocurrir.