En la publicación anterior, se comentó que las operaciones unitarias son importantes en los procesos de ingeniería química. También se explicó que pueden existir procesos sin reacción química, pero que todos deben tener operaciones unitarias, y que aún así, son tema de interés de la ingeniería química. ¿Por qué?
Las operaciones unitarias son técnicas de separación de componentes que pertenecen a una mezcla, aprovechando diferencias en sus propiedades fisicoquímicas. Esto resulta de interés para la industria, ya que rara vez el producto deseado se encuentra puro, por lo cual es necesario separarlo. Un ejemplo típico es el petróleo, mezcla compleja de hidrocarburos en fase líquida, que contiene impurezas como agua, sal, azufre e incluso metales pesados. Estas impurezas deben removerse antes de procesar los hidrocarburos. Entre las principales operaciones unitarias, pueden mencionarse las siguientes: destilación, absorción, extracción, lixiviación, cristalización, filtración, secado, molienda, entre otras.
Para explicar cómo las propiedades fisicoquímicas son determinantes, en la selección de la operación unitaria, se abordarán tres ejemplos prácticos y las posibles alternativas.
1) Separación de una mezcla líquida de benceno y tolueno.
En primer lugar, hay que definir lo siguiente: ¿Cuáles propiedades tienen ambos componentes?
En primer lugar, hay que definir lo siguiente: ¿Cuáles propiedades tienen ambos componentes?
- Son compuestos orgánicos no polares, así que son insolubles en agua.
- También son compuestos aromáticos, por lo que se espera que sean muy solubles entre sí.
- Ambos son líquidos incoloros, de forma que no se pueden distinguir visualmente.
- Además, sus densidades son muy similares: la del benceno es 0,879 g/cm3, mientras que la del tolueno es 0,866 g/cm3 (medidas a 1 atm y 20 °C).
Hasta ahora, ambos compuestos tienen propiedades muy similares: no pueden separarse ni por diferencia de solubilidad ni de densidad. Entonces, ¿en qué se diferencian? En su volatilidad. Mientras que el benceno tiene un punto de ebullición normal de 80,1 °C, el del tolueno es 110,8 °C. Si se calienta la mezcla a una temperatura apropiada, ¿qué pasaría? La mezcla líquida empezaría a vaporizarse; y como el benceno es más volátil, se vaporizaría primero que el tolueno. Por lo tanto, se puede esperar que la fase vapor tenga un alto contenido de benceno, mientras que la fase líquida sería rica en tolueno. Esta es la idea base de la destilación. Esta operación unitaria es muy utilizada en la industria química.
2) Separación de una mezcla líquida de agua y acetona.
Nuevamente, se analizará la estructura química de ambos componentes, así como sus respectivas propiedades.
Este ejemplo resulta interesante para demostrar que, en ingeniería química, una misma situación puede tener diferentes posibles soluciones. ¿Qué resulta más conveniente, la destilación o la extracción? Depende. En general, la extracción es más económica y segura que la destilación. Sin embargo, debe considerarse también el rendimiento requerido (tanto la pureza del producto como el porcentaje de recobro); y si el soluto a separar es un producto deseado o un agente contaminante. Existen otras variables en juego, las cuales se abordarán con más detalle en próximas publicaciones.
3) Deshidratación del gas natural.
Este ejemplo es una situación típica en la industria del gas natural. Como se recordará, el gas natural es una mezcla de hidrocarburos e impurezas. Una de estas impurezas, es la humedad (vapor de agua). Para simplificar la comprensión del problema, se puede imaginar el sistema como gas metano saturado en vapor de agua, a 100°F (310,93 K). Esta simplificación es útil, ya que el porcentaje molar de metano en el gas natural, suele encontrarse entre 70% y 90%. ¿Cómo se podría remover el agua?
La vía más simple (pero no necesariamente la más eficiente), sería enfriando el sistema. Así, se puede lograr una condensación parcial del agua, sin riesgo de que el metano condense también. La propiedad fisicoquímica clave en este caso, es la temperatura crítica, que permite diferenciar entre gas y vapor. El metano tiene una temperatura crítica muy baja (190,6 K). Como las temperaturas de operación usuales se encuentran muy por encima de ese valor, entonces el metano permanece como gas (no condensable). En cambio, la temperatura crítica del agua (647,13 K), es superior al rango de temperaturas de operación; por tanto, el agua se encontraría como vapor (condensable). Lógicamente, a mayor enfriamiento, mayor será la cantidad de agua que condense.
Sin embargo, hay dos factores que limitan la aplicabilidad de este método. En primer lugar, si se disminuye mucho la temperatura, se pueden formar hidratos, estructuras cristalinas originadas por los enlaces entre moléculas de agua e hidrocarburos. Los hidratos son indeseados, ya que obstruyen tuberías y equipos. De hecho, el principal objetivo de la deshidratación del gas, es evitar la formación de hidratos. En segundo lugar, una pequeña disminución de temperatura no permite reducir lo suficiente el contenido de agua. La especificación para efectos de líneas de transmisión de gas, es un contenido de agua menor a 4 ppm. ¿Entonces?
Hay que considerar otras propiedades. El metano es un compuesto no polar; mientras que el agua es un compuesto inorgánico, altamente polar y asociado mediante puentes de hidrógeno. ¿Qué ocurriría si el gas húmedo se pone en contacto con un alcohol? Los alcoholes son compuestos orgánicos polares, asociados por puentes de hidrógeno. Por lo tanto, las moléculas de agua y alcohol pueden asociarse entre sí. En esta caso, el agua pasaría a la fase líquida, no por condensación, sino por solubilización. El metano, por ser un compuesto no polar, sería muy poco soluble en el alcohol. En este caso, se está aprovechando la diferencia de solubilidad entre el gas metano y el vapor de agua, con respecto al alcohol; consecuencia de las estructuras químicas. La operación unitaria que aplica este principio, es la absorción gas-líquido: recuperación selectiva de un soluto gaseoso, mediante el contacto con un solvente líquido apropiado.
Una consideración final respecto a la absorción, es que el solvente a utilizar debe ser poco volátil. Las pérdidas por evaporación, implican mayor gasto en la adquisición de solvente. En ese sentido, continuando con el ejemplo de la deshidratación, en lugar de utilizar alcoholes livianos como metanol (MeOH) o etanol (EtOH), se prefiere el trietilenglicol (T.E.G). Basta con comparar sus puntos de ebullición normales: MeOH (65 ºC), EtOH (78 ºC) y TEG (285 ºC). Evidentemente, el TEG es mucho menos volátil.
2) Separación de una mezcla líquida de agua y acetona.
Nuevamente, se analizará la estructura química de ambos componentes, así como sus respectivas propiedades.
El agua es un compuesto inorgánico, altamente polar, asociado (puentes de hidrógeno). La acetona, por su parte, es un compuesto orgánico, ligeramente polar, no asociado. Las moléculas de acetona no forman puentes de hidrógeno entre sí; pero sí pueden hacerlo con moléculas de agua. Por lo tanto, se espera que el agua y la acetona sean muy solubles entre sí. Las propiedades fisicoquímicas (consultadas en: Perry. Manual del Ingeniero Químico. Tomo I, Capítulo 3), se muestran a continuación:
Debido a la diferencia entre los puntos de ebullición de ambas sustancias (acetona y agua), la destilación es una muy buena opción. ¿Es la única solución posible al problema? No.
Si se revisan de nuevo las propiedades, se verá que el agua y el acetona tienen un comportamiento de solubilidad diferente con respecto al éter etílico. Entonces, al añadir éter a la mezcla, éste tendrá una clara preferencia por la acetona, más no por el agua (compare las estructuras químicas).
En consecuencia, se produce una ruptura de fases: una fase acuosa, que contiene agua y acetona; y una fase orgánica, que contiene éter y acetona. Es de suponer que a mayor cantidad de éter, mayor será la cantidad de acetona que logre separarse del agua. Esta técnica se conoce como extracción líquido-líquido, y aprovecha las diferencias de solubilidad del soluto líquido y su solvente original, con respecto al nuevo solvente extrayente. Una vez producida la ruptura de fases, pueden separarse fácilmente mediante decantación, aprovechando la diferencia de densidad. Como el agua es más densa que el éter, la fase acuosa caerá primero por gravedad. Sin embargo, no basta con la simple diferencia de densidad entre dos líquidos para separarlos mediante decantación: es necesario que sean inmiscibles entre sí.
Este ejemplo resulta interesante para demostrar que, en ingeniería química, una misma situación puede tener diferentes posibles soluciones. ¿Qué resulta más conveniente, la destilación o la extracción? Depende. En general, la extracción es más económica y segura que la destilación. Sin embargo, debe considerarse también el rendimiento requerido (tanto la pureza del producto como el porcentaje de recobro); y si el soluto a separar es un producto deseado o un agente contaminante. Existen otras variables en juego, las cuales se abordarán con más detalle en próximas publicaciones.
3) Deshidratación del gas natural.
Este ejemplo es una situación típica en la industria del gas natural. Como se recordará, el gas natural es una mezcla de hidrocarburos e impurezas. Una de estas impurezas, es la humedad (vapor de agua). Para simplificar la comprensión del problema, se puede imaginar el sistema como gas metano saturado en vapor de agua, a 100°F (310,93 K). Esta simplificación es útil, ya que el porcentaje molar de metano en el gas natural, suele encontrarse entre 70% y 90%. ¿Cómo se podría remover el agua?
La vía más simple (pero no necesariamente la más eficiente), sería enfriando el sistema. Así, se puede lograr una condensación parcial del agua, sin riesgo de que el metano condense también. La propiedad fisicoquímica clave en este caso, es la temperatura crítica, que permite diferenciar entre gas y vapor. El metano tiene una temperatura crítica muy baja (190,6 K). Como las temperaturas de operación usuales se encuentran muy por encima de ese valor, entonces el metano permanece como gas (no condensable). En cambio, la temperatura crítica del agua (647,13 K), es superior al rango de temperaturas de operación; por tanto, el agua se encontraría como vapor (condensable). Lógicamente, a mayor enfriamiento, mayor será la cantidad de agua que condense.
Sin embargo, hay dos factores que limitan la aplicabilidad de este método. En primer lugar, si se disminuye mucho la temperatura, se pueden formar hidratos, estructuras cristalinas originadas por los enlaces entre moléculas de agua e hidrocarburos. Los hidratos son indeseados, ya que obstruyen tuberías y equipos. De hecho, el principal objetivo de la deshidratación del gas, es evitar la formación de hidratos. En segundo lugar, una pequeña disminución de temperatura no permite reducir lo suficiente el contenido de agua. La especificación para efectos de líneas de transmisión de gas, es un contenido de agua menor a 4 ppm. ¿Entonces?
Hay que considerar otras propiedades. El metano es un compuesto no polar; mientras que el agua es un compuesto inorgánico, altamente polar y asociado mediante puentes de hidrógeno. ¿Qué ocurriría si el gas húmedo se pone en contacto con un alcohol? Los alcoholes son compuestos orgánicos polares, asociados por puentes de hidrógeno. Por lo tanto, las moléculas de agua y alcohol pueden asociarse entre sí. En esta caso, el agua pasaría a la fase líquida, no por condensación, sino por solubilización. El metano, por ser un compuesto no polar, sería muy poco soluble en el alcohol. En este caso, se está aprovechando la diferencia de solubilidad entre el gas metano y el vapor de agua, con respecto al alcohol; consecuencia de las estructuras químicas. La operación unitaria que aplica este principio, es la absorción gas-líquido: recuperación selectiva de un soluto gaseoso, mediante el contacto con un solvente líquido apropiado.
Una consideración final respecto a la absorción, es que el solvente a utilizar debe ser poco volátil. Las pérdidas por evaporación, implican mayor gasto en la adquisición de solvente. En ese sentido, continuando con el ejemplo de la deshidratación, en lugar de utilizar alcoholes livianos como metanol (MeOH) o etanol (EtOH), se prefiere el trietilenglicol (T.E.G). Basta con comparar sus puntos de ebullición normales: MeOH (65 ºC), EtOH (78 ºC) y TEG (285 ºC). Evidentemente, el TEG es mucho menos volátil.
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En próximas publicaciones, se explicarán con mayor detalle cada una de las operaciones unitarias. Espero que les haya resultado útil la información. Anímense a participar con sus comentarios, y difundir la publicación.
