C A P T U L O 1 0

Procesos de separacin gas-lquidopor etapas y continuos

10.1 TIPOS DE PROCESOS Y MTODOS DE SEPARACIN

10.1 A Introduccin

Muchos materiales de procesos qumicos, as como sustancias biolgicas, se presentan comomezclas de diferentes componentes en fase gaseosa, lquida o slida. Para separar o extraer uno oms de los componentes de la mezcla original, dicho componente se debe poner en contacto con otrafase. Las dos fases se llevan a un contacto ms o menos ntimo, de manera que el soluto o los solutospuedan difundirse unos en otros. Por lo general, las dos fases consideradas son parcialmentemiscibles entre s. El par de fases puede ser gas-lquido, gas-slido, lquido-lquido, o lquido-slido.Durante el contacto los componentes de la mezcla original se redistribuyen entre ambas fases.Despus de esto, las fases se separan por cualquier mtodo fsico simple. Seleccionando lascondiciones y fases apropiadas, una fase se enriquece mientras que la otra se empobrece en uno oms componentes.

10.1 .B Tipos de procesos de separacin

1. Absorcin. Cuando las dos fases en contacto son un gas y un lquido, la operacin unitaria sellama absorcin. Un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la lquida.Este proceso implica una difusin molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A atravs del gas B, que no se difunde y est en reposo, hacia un lquido C, tambin en reposo. Unejemplo es la absorcin de amoniaco A del aire B por medio de agua lquida C. En general, la solucinamoniaco-agua que sale se destila para obtener amoniaco relativamente puro.

Otro ejemplo es la absorcin de SO2 de gases de combustin en soluciones alcalinas. En lahidrogenacin de aceites comestibles en la industria alimenticia, se hace burbujear hidrgeno gaseosoen el aceite para absorberlo en el mismo; entonces, el hidrgeno en solucin reacciona con el aceite enpresencia de un catalizador. Al proceso inverso de la absorcin se le llama empobrecimiento o desercin,

Cap. 10 Procesos de separacin gas-lquido por efapas y continuos 651

ya l se aplican las mismas teoras y principios basicos. Un ejemplo es Ia desoscin con vapor de aceitesno voltiles, en la cual el vapor se pone en contacto con el aceite y pequefias cantidades de compo-nentes voltiles del mismo pasan a la corriente de vapor.

Cuando el gas es aire puro y el lquido es agua pura, el proceso se llama ~~~~~~~~~~~~~ Ladeshumidljkacin significa extraccin de vapor de agua del aire.

2. Destilacin. En el proceso de destilacin aparecen una fase de vapor volatil y una fase lquidaque se vaporiza. Un ejemplo es la destilacin de una solucion etanol-agua, donde el vapor contieneuna concentracin de etanol mayor que el lquido. Otro ejemplo es la destikin de una soluci0namoniaco-agua, para producir vapor ms rico en amonaco. En la destilacin de petrIeo crudo seseparan varias fracciones, como gasolina, kerosina y aceites para calefaccin.

3. Extraccin lquido-lquido. Cuando las dos fases son hquidas, y se extrae un soluto o solutosde una fase a otra, el proceso se llama extraccin ~~q~ido-~~~~i~~. Un ejemplo es la extracciein decido actico de una solucin acuosa por medio de ter isoprophco. En la industria farmacutica esmuy comn extraer antibiticos de una solucin acuosa de fermentacin usando un disolventeorgnico.

4. Lixiviacin. Si se usa un fluido para extraer un soluto de un solido, eI proceso recibe el nombrede lixiviacin. Algunas veces este proceso tambin se llama ex~raccira. Algunos ejemplos son Balixiviacin de cobre en minerales slidos por medio de cido sulfrico y Ba Iixiviacin de aceitesvegetales de harina de soya por medio de disolventes organices como el hexano. Los aceites vegetalestambin se lixivian de otros productos biolgicos, como cacahuate, semillas de algodn y semillasde girasol. La sacarosa soluble se lixivia con agua ca partir de azcar de caa y de remollacha.

5. Procesamiento con membranas. La separacin de molculas por medio de membranas es unaoperacin unitaria relativamente nueva que est adquiriendo cada vez ms importancia. La membranaslida, relativamente fina, controla la tasa de movimiento de molculas entre Bas dos fases. Se utilizapara eliminar la sal del agua, purificar gases, en el procesamiento de alimentos, etctera.

6. Cristalizacin. Los solutos solubles componentes de una solucin pueden extraerse de estaajustando las condiciones como temperatura o concentracin, de manera que se exceda na solubiiidadde uno o ms solutos y stos cristalicen como fase shda. Entre los ejemplos del proceso deseparacin est la cristalizacin del azcar a partir de soluciones y la de sales metalleas en elprocesamiento de soluciones de minerales metlicos.

7, Adsorcin. En un proceso de adsorcin se adsorben uno o mas componentes de una corriente delquido o de gas sobre la superficie o en los poros de un adsorbente slido, y se logra Pa separacin. Entrelos ejemplos se tienen la eliminacin de compuestos orgnicos del agua contaminada, Iaseparacin de parafinas de los compuestos aromticos, y la eliminacin de disolvemtes del aire. _

lO.lC Mtodos de proceso

En las separaciones que se acaban de mencionar se utikizan diversos mtodos de proceso. Las dosfases, como,gas y lquido, o lquido y lquido, se mezclan entre si en un recipiente para despu&separarlas. Este es un proceso de una sola etapa. COI-I nuchcn frecuencia, las fases se mezclan enuna etapa, se separan y despus se ponen otra vez en contacto en un proceso de ejes ~~~~~~~~~.Ambos mtodos se llevan a cabo ya sea por lotes o con rgimen contmuo. En otro mtodo mas,, lasdos fases se ponen en contacto en forma continua en una torre empacada.

652 10.2 Relaciones de equilibrio entre fases

En este captulo se consideran la humidificacin y la absorcin; en el captulo ll, la destilacin;en el captulo 12 la adsorcin, la extraccin lquido-lquido, lixiviacin y cristalizacin, y en el captulo13, los procesos con membranas. En todos estos procesos es preciso conocer las relaciones deequilibrio entre las dos fases que participan. Esto se estudia para sistemas gas-lquido en la seccin 10.2y para otros sistemas en los captulos 11, 12 y 13.

10.2 ,RELACIONES DE EQUILIBRIO ENTRE FASES

10.2A Regla de las fases y equilibrio .

Para predecir la concentracin de un soluto en dos fases en equilibrio, se requieren datos de equilibrioexperimentales. Adems, si las dos fases no estn en equilibrio, la velocidad de transferencia de masaes proporcional a la fuerza impulsora, que es la desviacin con respecto al equilibrio. En todos loscasos de equilibrio hay dos fases presentes, tales como gas-lquido o lquido-lquido. Las variablesimportantes que afectan al equilibrio de un soluto son temperatura, presin y concentracin.

El equilibrio entre dos fases en cualquier caso, est restringido por la regla de las fases:

F=C-P+2 (10.2-l)

donde P es el nmero de fases en equilibrio, C es el nmero de componentes totales en las dos fases(cuando no se verifican reacciones qumicas), y F es el numero de variantes o grados de libertaddel sistema. Por ejemplo, en el sistema gas-lquido de COZ-aire-agua, hay dos fases y tres componentes(considerando al aire como un componente inerte). Entonces, por medio de la ecuacin (10.2-l),

F=C-P+2=3-2+2=3

Esto significa que hay tres grados de libertad. Si la presin total y la temperatura estn fijas, slo quedauna variable que puede ser cambiada a voluntad. Si la composicin de fraccin molar xA del COZ (4)en la fase lquida es constante, la composicin de la fraccin molar yA o la presinpA en la fase gaseosa,quedan determinadas automticamente.

La regla de las fases no indica la presin parcial pA en equilibrio con el valor de seleccionado x,.El valor depA se debe obtener por mtodos experimentales. Claro est que las dos fases pueden ser gas-lquido, lquido-slido, etc. Por ejemplo, la distribucin de equilibrio del cido actico entre una fasede agua y una de ter isoproplico se puede determinar experimentalmente para diversas condiciones.

10.2B Equilibrio gas-lquido

1. Datos de equilibrio gas-lquido. Para ilustrar la obtencin de datos de equilibrio experimentalesde un sistema gas-lquido, consideraremos el sistema Sol-aire-agua. Una cierta cantidad de S02, airey agua, se introduce en un recipiente cerrado y se agita varias veces a una temperatura dada hastalograr el equilibrio. Se analizan entonces muestras del gas y del lquido para obtener la presin parcialpA en atm del SO* (A) en el gas y la fraccin mO1 XA en el lquido. La figura 10.2-l muestra una grficade los datos del Apndice A.3 de la presin parcialpA del SO1 en el vapor en equilibrio con la fraccinmol xA del SO2 en el lquido, a 293 K (20 C).

i. Ley de Henry. Con frecuencia la relacin de equilibrio entre pA en la fase gaseosa y XA se puedeexpresar por medio de la ecuacin de la ley de Henry, que es una recta a concentraciones bajas:

PA = HXA (10.2-2)