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1 INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA INGENIERIA QUIMICA PROCESOS DE SEPARACIÓN Y SU IMPORTANCIA EN LA INDUSTRIA En la industria de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma de los materiales de entrada o de alimentación, los cuales se modifican o se procesan para obtener materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes, llamadas operaciones unitarias. Sin embargo el término anterior ha sido sustituido con gran frecuencia por otro más moderno y descriptivo llamado procesos de separación. Sin importar como se les denomine, los procesos de separación son comunes a todos los tipos de industria de proceso. Una planta química típica es un reactor rodeado por separadores, tal como se muestra en la figura 1, en donde las materias primas se purifican previamente en dispositivos de separación y se alimentan al reactor químico; la alimentación que no reacciona se separa de los productos de reacción y se recircula al reactor.

Figura 1 Planta química típica

Por lo anterior los procesos de separación son de gran importancia en Ia industria química. Debido a que la conversión obtenida en reactores industriales es generalmente menor al 100 por ciento y a la posibilidad de tener varios reactivos y productos. Como se mencionó anteriormente una corriente de salida de un reactor químico es generalmente seguida por un sistema de separación. El problema básico de síntesis de sistemas de separación implica especificar la corriente que contiene los compuestos que se desean separar y los productos que se desean obtener con sus grados de pureza. Los procesos de separación pueden clasificarse en dos tipos:  separaciones directas  separaciones indirectas. El primer tipo no incluye la adición de materiales externos a los que contiene la mezcla inicial mientras que los segundos basan su operación en la alteración de las propiedades físicas de la mezcla mediante la adición de un nuevo componente. El ejemplo típico del primer tipo de separaciones es el de destilación, mientras que dentro del segundo tipo se encuentran la extracción y la absorción entre otros. JONATHAN CONTRERAS OAXACA

2 INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA INGENIERIA QUIMICA Los procesos de separación también pueden clasificarse como:

Aplicación e importancia en la industria: Su campo de aplicación va desde la industria petroquímica, donde se utiliza para separar los componentes del crudo, la desalinización del agua marina para obtener agua potable, y en la industria alimenticia para obtener licores, cerveza y vino (claro en algún momento de su fabricación). Conclusión: La destilación es un proceso de separación de vital importancia en la industria química, ya que se utiliza en un amplio margen de procesos y es de amplia aceptación por todos los ingenieros. Los métodos para separar los componentes de las mezclas son de dos tipos: MÉTODOS DE SEPARACIÓN POR DIFUSIÓN Este grupo de operaciones para la separación de los componentes de mezclas, que se basan en la transferencia de material desde una fase homogénea a otra, utilizan diferencias de presión de vapor o de solubilidad. La fuerza impulsora de la transferencia es una diferencia o gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia o un gradiente de temperatura, constituye la fuerza impulsora de la transferencia de calor. a) Destilación

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3 INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA INGENIERIA QUIMICA El objetivo de la destilación es separar, mediante vaporización, una mezcla líquida de sustancias miscibles y volátiles en sus componentes individuales, o en algunos casos en grupo de componentes. Ejemplos de la destilación son la separación de mezclas como alcohol y agua en sus componentes; el aire líquido en nitrógeno, oxígeno y argón; y un crudo de petróleo en gasolina, keroseno, fuel-oil y aceites lubricantes. b) Absorción de Gases Un vapor soluble contenido en una mezcla con un gas inerte, es absorbido mediante un líquido en el que el soluto gaseoso es más o menos soluble. Un ejemplo típico lo constituye el lavado mediante agua líquida, del amoniaco contenido en una mezcla amoniaco-aire. El soluto se recupera posteriormente del líquido mediante destilación y el líquido de absorción se puede reutilizar o desechar. c) Deshumidificación La fase líquida es una sustancia pura que está constituida por el componente que se separa de la corriente gaseosa, o sea, que el disolvente y el soluto son la misma sustancia. Con frecuencia el gas inerte o vapor es prácticamente insoluble en el líquido. La separación de vapor de agua del aire por condensación sobre una superficie fría, y la condensación de un vapor orgánico, tal como el tetracloruro de carbono, contenido en una corriente de nitrógeno, son ejemplos de deshumidificación. En las operaciones de deshumidificación el sentido de la transferencia es desde la fase gaseosa al líquido y se entiende como un caso particular de absorción de gases. d) Extracción líquido-líquido Llamada también extracción con disolvente, en la que se trata una mezcla líquida con un disolvente que disuelve preferentemente a uno o más componentes de la mezcla. La mezcla tratada en esta forma se llama refinado y la fase rica en disolvente recibe el nombre de extracto. El componente que se transmite desde el refinado hacia el extracto es el soluto, y el componente que queda en el refinado es el diluyente. e) Extracción de sólidos o lixiviación El material soluble contenido en una mezcla con un sólido inerte se diluye en un disolvente líquido. El material disuelto o soluto se puede recuperar posteriormente por evaporación o cristalización. f) Cristalización Mediante la formación de cristales se separa un soluto de una solución líquida dejando generalmente las impurezas en la masa fundida o en las aguas madres. Este método se utiliza para obtener cristales de alta pureza formados por partículas de tamaño uniforme y aspecto atractivo.

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4 INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA INGENIERIA QUIMICA g) Decantación La decantación es un proceso físico de separación de mezcla especial para separar mezclas heterogéneas, estas pueden ser exclusivamente líquido - líquido ó sólido - líquido. La decantación se basa en la diferencia de densidades entre los dos componentes, que hace que dejados en reposo, ambos se separen hasta situarse el más denso en la parte inferior del envase que los contiene. De esta forma, podemos vaciar el contenido por arriba (si queremos tomar el componente menos denso) o por abajo (si queremos tomar el más denso). En la industria del acero, se pueden fabricar tubos sin costura, vaciando el acero líquido (1,550ºc aprox) en un molde redondo, girando a alta velocidad y dependiendo de la cantidad de acero, se obtiene el espesor del tubo. h) Centrifugación La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza centrífuga. La fuerza centrífuga es provista por una máquina llamada centrifugadora, la cual imprime a la mezcla un movimiento de rotación que origina una fuerza que produce la sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad. Los componentes más densos de la mezcla se desplazan fuera del eje de rotación de la centrífuga, mientras que los componentes menos densos de la mezcla se desplazan hacia el eje de rotación. En las masas cocidas de alta pureza, el azúcar en la centrífuga se lava con agua y luego con vapor, o con vapor únicamente. La doble purga es un procedimiento para la separación del azúcar, que sólo se usa en la fabricación del azúcar blanco. Consiste primero en purgar la masa cocida en una batería de centrífugas, sin lavarla. Las mieles que se obtienen son entonces "pobres" o "pesadas". i) Separación magnética Se trata de una operación que está destinada a la separación de un componente metálico (solido) con otro no metálico (solido). Los imanes se atraen porque en los campos magnéticos las líneas de fuerza se conectan con las líneas de fuerza de otro imán de distinta polaridad "Uniendo" los imanes es decir las líneas de fuerza de conexión que viajan en el espacio tiempo al encontrarse con otras líneas de fuerza de distinta polaridad atraerán al imán para crear un solo imán y así alinearse con los filetes magnéticos del otro imán (alinear y ordenar los imanes moleculares) y cerrar o equilibrar el campo magnético. Los principales usos de la separación magnética son:  

Eliminación o separación de fragmentos metálicos Procesos de concentración purificación magnética.

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5 INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA INGENIERIA QUIMICA MÉTODOS DE SEPARACIÓN MECÁNICOS La separación mecánica se puede aplicar a mezclas heterogéneas. Las técnicas se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad. Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. Existen procesos especiales donde se utilizan otros métodos que no se estudiarán aquí. Estos métodos especiales se basan en las diferencias entre la facilidad de mojado o en las propiedades eléctricas, o magnéticas de las sustancias. a) Tamizado El tamizado es un método de separación de partículas que se basa solamente en la diferencia de tamaño. En el tamizado industrial se vierten los sólidos sobre una superficie perforada o tamiz, que deja pasar las partículas pequeñas, o “finos “, y retiene las de tamaños superiores, o “rechazos “. Un tamiz puede efectuar solamente una separación en dos fracciones. Estas fracciones se llaman fracciones de tamaño no especificado, porque aunque se conoce el límite superior o inferior del tamaño de las partículas que contiene, se desconoce su tamaño real. b) Filtración La filtración es la separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasándolo a través de un medio filtrante, sobre el que se depositan los sólidos. La filtración industrial va desde el simple colado hasta separaciones más complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser gruesas o finas, rígidas o flexibles, redondas o alargadas, separadas o agregados. La suspensión de alimentación puede llevar una fracción elevada o muy baja 40-5% en volumen de sólidos. c) Procesos de sedimentación por gravedad Separación se sólidos contenidos en gases y líquidos. Por ejemplo, las partículas de polvo pueden retirarse de los gases por una gran variedad de métodos. Para partículas sólidas gruesas, mayores de unas 325 micras, es útil una cámara de sedimentación por gravedad. El aparato es una gran caja, donde en uno de sus extremos entra aire cargado de polvo y por el otro sale el aire clarificado. En ausencia de corrientes de aire, las partículas sedimentan en el fondo por gravedad. Si el aire permanece en la cámara durante un período de tiempo suficiente, las partículas alcanzan el fondo de la cámara, de donde se pueden retirar posteriormente. d) Evaporación La evaporación es un proceso físico en el que un líquido o un sólido se convierte gradualmente en gas, considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energía calórica del sol tomando en cuenta que esta, la fuente de energía del sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que JONATHAN CONTRERAS OAXACA

6 INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA INGENIERIA QUIMICA un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 ºC valor conocido cómo calor de evaporación. Al ocurrir la evaporación la temperatura del aire baja, al ser tomado el calor de la superficie por la evaporación procedentemente es transportado a otros niveles mediante el proceso inverso de condensación, se está entonces ante un mecanismo de mucha importancia, en lo que respecta a la transferencia y distribución del calor en la atmósfera en el globo terrestre. Las aplicaciones de estos evaporadores son diversas y específicas para las industrias lecheras y de alimentos. e) Cromatografía La cromatografía es un método físico de separación basado en la distribución de los componentes de una mezcla entre dos fases inmiscibles, una fija o estacionaria y otra móvil. En todas las separaciones cromatografías la muestra se disuelve en una fase móvil, que puede ser un gas un líquido o un fluido supercrítico. Esta fase móvil se hace pasar a través de una fase estacionaria inmiscible, la cual se mantienen fija en una columna o sobre una superficie sólida. Detección y cuantificación de sacarina, benzoatos, cafeína y aspartame en refrescos. Detección de ciclomato en jugos de fruta.-Separación de ésteres de ácidos grasos por fase inversa y conargentización de columnas (Silicato de Al con Ag). Separación de Triglicéridos por la longitud de la cadena y el grado de instauración por fase inversa y detector de dispersión luminosa, para el estudio de aceites y grasas adulteradas. CONCLUSIÓN: Los procesos de separación son muy importantes ya que de ellos depende la calidad del producto así como también el costo de producción, tomando en cuenta los diferentes tipos de procesos de separación de acuerdo a lo que se desea procesar dentro de las industrias, considerando el mejor método. La separación de mezclas tiene gran importancia porque se conoce sobre propiedades, sobre los instrumentos o equipos y métodos adecuados para la elaboración de dicha separación, la correcta separación de mezclas nos ayuda a poner en práctica todos los métodos que se presentaron para separar mezclas. Lo primero que se debe de considerar al separar una mezcla es sobre su estado físico, características así como también sus propiedades, no está de más mencionar que los diferentes tipos de procesos de separación tienen diferente costo dependiendo a su producción. BIBLIOGRAFÍA - Foust, Wenzel, Principios de Operaciones Unitarias, John Wiley and Sons, 1990.

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Procesos de transporte y principios de Procesos de separación, Geankoplis, Christie John, 4 edición, Editorial Patria, México 2011 Manual del Ingeniero Químico, Perry, Robert H y Green, Don W., 7 edición, Mc Graw Hill, Volumen III. Ingeniería de procesos de separación, Wankat, Phillip C., 2 edición, Pearson Education

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