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Adsorción

• Proceso fisicoquímico que concentra partículas en la superficie de separación entre sólidos y una fase gaseosa, vapor o líquido.
• Implica la pérdida de movilidad de las moléculas del adsorbato.
• La adsorción es más fácil cuando las moléculas tienen menos energía y la retención es mayor con mayor volumen y peso de las moléculas o iones del adsorbato.
• Se utiliza en la decoloración, extracción, refinado de aceites, depuración de aguas, desodorización, deshumidificación del aire y la extracción de impurezas disueltas en un vapor.
• La velocidad disminuye debido a la dificultad de penetración del adsorbato en el adsorbente y la difusión dentro de las capas del adsorbato.
• La penetración se favorece con agitación y con el aumento y la disminución de la temperatura en los líquidos y gases o vapores, respectivamente.
• Los adsorbentes son sólidos porosos finamente divididos y de tamaños uniformes, con gran superficie específica.
• La superficie adsorbente de un líquido aumenta si está dividido en gotas finas.
• Ejemplos de adsorbentes: carbón activado, arcilla activada (tierra de Batan), alúminas y geles inorgánicos de sílice.
• La capacidad de adsorción del adsorbente depende de las características físicas y químicas del sólido, la composición y la temperatura del fluido, la presión del proceso y el tiempo de contacto.
• Existe una relación entre la cantidad de moléculas adsorbidas y la presión del gas o concentración de la solución a cada temperatura.
• La cantidad de sustancia adsorbida a temperatura constante es directamente proporcional a la presión parcial del gas o vapor (adsorbato) o la concentración.
• Estas relaciones se representan gráficamente mediante isotermas de adsorción.
• La temperatura influye desfavorablemente en la adsorción (reacción exotérmica), por lo que se suele refrigerar el adsorbente. Siendo un buen rango de temperatura
• La elevación de la temperatura produce desorción, permitiendo recuperar el vapor adsorbido y regenerar el adsorbente.
• En la adsorción química, los átomos del adsorbato comparten electrones con los átomos de la superficie adsorbente, formando una capa fina de compuesto químico.

Evaluación y Variables de Operación en Adsorción

• La evaluación de un adsorbente se realiza midiendo la cantidad de adsorbato en el gas o disolución antes y después del contacto con el adsorbente.
• Variables de operación a considerar: cantidad de fluido, caída de presión permisible a través del lecho, cantidad de sustancias a adsorber, capacidad de adsorción del adsorbente (activación y agotamiento) y tiempo de adsorción en el ciclo.

Etapas de Operación

• Contacto fluido-sólido: parte del fluido es adsorbido selectivamente por el adsorbente.
• Separación del fluido no adsorbido.
• Regeneración del adsorbente: por separación del adsorbato o eliminación del adsorbente utilizado, variando las condiciones operativas de temperatura y presión.

Equipos de Adsorción

• Por contacto o estática: la sustancia adsorbente (polvo) se agrega a la suspensión, se agita y se separa por sedimentación, filtración o centrifugación.
• Por percolación o dinámica: consiste en hacer pasar un líquido a través de una capa de sustancia sólida estacionaria con el fin de adsorber algún componente disuelto.
• En los aparatos de adsorción con lechos de adsorbente, el aire con disolventes pasa de arriba hacia abajo.
• Generalmente se utilizan dos lechos: uno en uso y otro en regeneración.
• La reactivación se realiza con vapor de agua a baja presión o aire atravesando el lecho.
• La mezcla de vapor de agua con solvente se condensa y se separa por decantación o destilación.

Flotación

• Operación para separar mezclas sólidas basada en las diferentes propiedades superficiales de sus componentes ante el agua (hidrofilia).
• Es independiente de las densidades de los sólidos del mineral y implica mezclar el mineral metálico finamente triturado con un líquido.
• La mayoría de las sustancias minerales no poseen flotabilidad natural, pero pueden hacerse selectivamente hidrófobas mediante la adición de sustancias orgánicas o colectores.
• Los sólidos molidos se colocan en un tanque con agua, se agregan un agente colector y un espumógeno, y se agitan con corrientes de aire para que las partículas no hidrófilas se adhieran a las burbujas.
• El sólido hidrófilo adsorbe agua y se hunde, mientras que el sólido que adsorbe aire asciende a la superficie.
• El producto obtenido se recircula para lograr una separación total y el aire insuflado produce una espuma limpia que se retira continuamente.
• Ejemplo de uso: separación de sílice y galena [SPb] mediante la adición de aceite, ácido y otros reactivos, y la formación de una espuma que arrastra la galena.

Reactivos Utilizados en Flotación

• Espumógenos (alcohol hexílico): sustancias poco solubles que disminuyen la tensión superficial del agua y permiten espumas persistentes.
• Colectores (aceites de pino o eucalipto) para metales, que se adsorben al sólido formando una capa que modifica su mojabilidad.
• Promotores (xantato sódico): dan características superficiales a los sólidos no mojados por el agua y forman capas de menor espesor que los colectores.
• Modificadores de superficie sólida (sulfato cúprico): mejoran el poder de adsorción y la fijación del colector o promotor.
• Soda cáustica: regula el grado de acidez.
• Dispersante (silicato sódico): para el mineral rodeado por un lodo de silicatos que no flota.

Variables de Operación en Flotación

• Composición y densidad de la alimentación mineral y de los productos obtenidos.
• Cantidades a utilizar de cada reactivo.
• Tiempo de contacto dentro de la cuba.
• Tipo de cuba o célula de flotación.
• Capacidad y régimen de producción.
• Cantidad de aire comprimido a utilizar.

Ósmosis Inversa

• Es el paso espontáneo de un componente de una disolución a través de una membrana que impide el paso del resto de los componentes de dicha disolución.
• Algunas membranas permiten el paso de todos los componentes, otras no dejan pasar ninguno y otras son selectivas.
• La transferencia se verifica de la solución más diluida a la más concentrada, equilibrando las concentraciones.
• La ósmosis inversa permite liberar los iones de las soluciones acuosas aplicando una presión mayor que la osmótica.
• Se utilizan membranas con poros finos que permiten el paso de las moléculas del solvente, pero no las del soluto, invirtiendo el flujo.
• La presión depende del grado de salinidad del agua, la pureza deseada y la permeabilidad de la membrana.

Intercambio Iónico

• Operación donde se intercambia o sustituye en una disolución uno o varios de sus iones por otros en cantidades equivalentes mediante adsorción, reacción química y difusión en fase líquida y sólida.
• Se realiza una percolación en columnas cargadas con lechos granulares donde el cambiador actúa como adsorbente.
• Intercambiadores catiónicos cambian cationes como calcio y magnesio.
• Intercambiadores aniónicos débiles cambian aniones como sulfatos, cloruros y nitratos, mientras que los aniónicos fuertes cambian carbonatos y silicatos.
• Después del agotamiento del cambiador (pérdida de sus cationes), deben regenerarse con soluciones de ácidos clorhídrico o sulfúrico diluido, o con soluciones de soda cáustica o carbonato de sodio para la pérdida de sus aniones.
• La regeneración nunca es total, ya que se necesitan altas concentraciones de catión o anión regenerante que actúe durante mucho tiempo.

Lixiviación

• Proceso de separación de componentes solubles de una mezcla sólida utilizando agua, soluciones alcalinas, ácidas o salinas como disolvente.
• Técnica utilizada para eliminar un soluto indeseado (lavado) o separar un sólido deseado.
• Se usa en la extracción de alúmina de la bauxita, aceites de semillas de maní o girasol, minerales de oro, y sales de cobre.
• Consideraciones: porcentaje de constituyente soluble en el material original y la naturaleza superficial del sólido (si está rodeado por una capa soluble o insoluble).
• Si el sólido está rodeado por material insoluble, el disolvente debe difundirse hacia el interior.
• Aumentar la velocidad de lixiviación implica moler los minerales para facilitar el acceso al material soluble.

Absorción

• Proceso fisicoquímico de captación de un gas por un líquido, con o sin reacción química, mediante la transferencia de masa del gas al líquido.
• Se utilizan columnas o torres cilíndricas con diámetro variable según la producción, donde el gas a absorber circula de abajo hacia arriba y el absorbente en sentido contrario (contracorriente).
• Para mejorar la mezcla, se utiliza un material de relleno ordenado o al azar, de porcelana o metálicos.
• Se utilizan datos de solubilidad en el equilibrio para el soluto gaseoso en el disolvente líquido, expresados en tablas o curvas.
• La recta de operación representa la relación entre la concentración del L y el G.
• En torres rellenas, las condiciones corresponden a condiciones reales de la torre, y en torres de platos solo algunos puntos aislados de la recta tienen significado real.
• Se grafican las fracciones molares del componente más volátil en el L y en el G.
• La absorción ocurre cuando un gas es muy soluble en un líquido (NH3 o HCl en agua) o cuando un gas como el CO2 se utiliza con una disolución acuosa de KOH.
• El disolvente y el gas inerte no cambian en cantidad a través de la torre.

Características del Relleno en Absorción

• Debe ser químicamente inerte para los fluidos dentro de la torre.
• Debe tener suficiente resistencia mecánica para soportar el peso del relleno.
• Debe ser liviano y proporcionar un buen contacto entre fases.
• Debe permitir el paso adecuado de ambas corrientes sin originar retenciones de líquido o caídas de presión excesivas.
• El tamaño es variable (unos pocos centímetros) y las formas incluyen anillos Raschig, anillos Lessing o monturas Berl.

Variables de Operación en Absorción

• Tipo de relleno.
• Cantidad de gas, de líquido y de sustancias a absorber.
• Caída de presión a través del relleno.
• Tiempo de absorción en el ciclo.
• Características del disolvente.

Humidificación

• Humedad Absoluta: Relación entre el peso de vapor y el peso de aire seco en una masa de aire húmedo.
• Humedad Relativa: Relación entre la cantidad de vapor que contiene una masa de aire y la que contendría si estuviese saturado a la misma temperatura.
  • HR en aire húmedo = masa de vapor / masa de vapor saturado.
  • HR en aire húmedo = presión parcial del vapor / presión parcial de vapor en la saturación.
• El aire está saturado cuando el vapor en él está en equilibrio con el líquido a la temperatura y presión existentes.
• La humedad de saturación expresa la masa de vapor que acompaña a 1 kg de aire seco cuando el vapor está en equilibrio con el líquido a la misma temperatura y presión.
• Grado de saturación (saturación relativa) = Ha / H sat.
• Temperatura de Bulbo Seco (TBS): Se mide directamente con un termómetro.
• Temperatura de Bulbo Húmedo (TBH): Depende de la temperatura y la humedad del aire; se cubre el bulbo con una funda de tela humedecida con agua destilada.
• Temperatura de Rocío (TR): Temperatura a la que la masa de aire húmedo se satura por enfriamiento a presión constante.
• Si se enfría una superficie fría, se condensa humedad sobre ella si el punto de rocío del aire es mayor o igual a la temperatura de la superficie fría.
• Volumen específico húmedo x presión: Se calcula usando una ecuación que considera la humedad absoluta, los pesos moleculares del vapor y del aire, y la temperatura.
• Volumen húmedo: Volumen ocupado por 1 kg de aire seco + volumen de vapor que contiene.
• El calor específico del aire húmedo es la suma del calor del aire y el calor del vapor de agua.
• El diagrama psicrométrico relaciona la TBH y la TBS para determinar la Ha y el grado de saturación a 1 atm de presión.

Secado

• Operación que elimina parcial o totalmente el líquido que acompaña a un sólido mediante calor.
• El líquido se arrastra como vapor con aire caliente a temperaturas generalmente inferiores a 100 °C.
• A diferencia de la evaporación (ebullición), en el secado el líquido se elimina arrastrado por aire o gases.
• El nitrógeno o dióxido de carbono se utiliza cuando el aire, oxígeno o vapor de agua atacan al sólido a secar.
• Los sólidos pueden ser húmedos (totalmente inertes al agua) o higroscópicos (tienen menor tensión de vapor que el agua).
• La humedad es el peso de agua con una unidad de peso de sólido seco. La humedad libre es la que puede perder el sólido en contacto con el aire y la humedad ligada es la mínima necesaria.
• Un sólido delicuescente es soluble en presencia de aire de determinada humedad relativa y si el aire está seco y está saturado, estos serán delicuescentes,
• El secado debe ser lento, gradual y uniforme en toda la masa (secar tanto la humedad superficial como la interior).
• Se debe controlar la velocidad de secado para evitar dañar, deformar, romper o agrietar el material.
• El secado se divide en dos pasos: evaporación del agua del material y eliminación del vapor formado.

Elección del Equipo de Secado

• Material a tratar: granulometría, tamaño y forma, rigidez (granular, polvo, láminas, fibras, pastas).
• Método de calefacción: radiación infrarroja, aire caliente (directa), superficie caliente (indirecta).
• Método de funcionamiento: continuo o discontinuo.
• Agitación o no del material durante la operación.

Secador Rotatorio

• Utiliza calefacción directa y en contracorriente.
• El cilindro gira arrastrando el material húmedo y dejándolo caer en el seno de los líquidos calientes que ascienden..

Evaporación

• Eliminación del vapor formado por la ebullición de una solución líquida para obtener una solución más concentrada.
• A diferencia del secado y la destilación, el residuo es un líquido;

Consideraciones en la Evaporación

• Materiales de construcción del equipo, su resistencia química a soluciones a elevadas temperaturas y la corrosión química.
• A medida que la alimentación se concentra, su densidad y viscosidad aumentan.
• Si se continúa la evaporación de una solución saturada, se forman cristales que deben retirarse
• El depósito de sólidos sobre las paredes disminuye la transferencia de calor, obligando a la limpieza del equipo.
• Una mayor concentración aumenta la viscosidad, disminuyendo el coeficiente de transferencia de calor.
• Para líquidos viscosos o formadores de incrustaciones (látex o gelatinas), se utiliza circulación forzada del líquido en los tubos.
• Con soluciones sensibles a la temperatura (alimenticios y farmacéuticos) se trabaja con menor temperatura y tiempo, operando a presión menor que 1 atm..
• Se debe controlar la formación de espumas en soluciones orgánicas,, grasas o cáusticas.
• Si el líquido es tóxico se controla el vapor saliente.
• Se trabaja en atmósfera inerte para cuidar que el líquido a evaporar no se contamine.

Sistemas de Múltiples Efectos en la Evaporación

• El calor latente del vapor de un líquido se puede utilizar para evaporar una disolución a temperatura inferior.
• La disolución (puede ser la misma) se lleva a un segundo evaporador con presión inferior.
• El vapor formado en el y vapor formado en el segundo evaporador para hacer hervir segundo evaporador se utiliza para hervir el líquido en un tercer evaporador a presión aún más baja.

Cristalización

• Proceso de separación sólido líquido con transferencia de materia de una disolución líquida a una fase cristalina sólida pura.
• Se concentra y enfría la solución hasta que la concentración del soluto sea superior a su solubilidad.
• El soluto sale formando cristales aprox. puros (agitación para evitar la aglomeración y facilitar lavado).
• La función es obtener una solución sobresaturada (enfriamiento o evaporación / una combinación de ambos).

Factores a Considerar en Cristalización

• El tamaño y la forma de los cristales.
• El rendimiento de la operación.
• Velocidad de producción.
• La pureza y la uniformidad cristalina.
• El aspecto comercial.
• La facilidad de purificación (lavado y filtrado).

Destilación

• Se usa para separar dos líquidos miscibles entre sí, con diferente punto de ebullición (agua y alcohol etílico).
• Es una operación por la cual una mezcla se separa en sus componentes puros a través de evaporaciones y condensaciones sucesivas de los vapores obtenidos.
• Métodos incluyen la destilación simple (sólido y líquido) y la destilación fraccionada (dos líquidos).

Factores a considerar para la operación y grado de separación

• Cantidad, tipo y distancia entre platos
• Diámetro y altura de la columna
• Calor generado en la caldera y Calor retirado en el condensador
• Caudal de líquido y de vapor
• Tiempo de contacto L - V
• Volatilidad relativa entre los componentes
• Líquidos de características viscosas, corrosivas o formadores de espumas

Funcionamiento en el plato

• El Plato pone en contacto el líquido y el vapor
• El vapor ascendente penetra por los orificios, atraviesa el condensado, el componente menos volátil se disuelve, y el componente menos volátil atraviesa el condesado y se difuminba
• De este modo el vapor en dirección ascendente se equilibra con los componentes volátiles