Equilibrio de fases

Equilibrio de fases

Aplicaciones industrial

Equilibrio y fuerzas impulsoras

Causa que una transferencia de propiedad se produzca o cese.

Entonces cuando una fuerza impulsadora es nula quiere decir que esta en equilibrio debido a que no existe ningún cambio

Fuerza impulsadora

Cantidad de propiedad

transferida por unidad

de área y de tiempo

Resistencia

En sistemas polifásicos las condiciones de equilibrio no

son inmediatas siendo la termodinámica la que proporcione

estas condiciones

Difusión

Movimiento de un componente individual a través de una mezcla, llegando en algunos casos a moverse por una segunda mezcla que se encuentra en contacto con la primera. Para ello es necesaria la influencia de un estimulo físico, y se puede llegar a una separación total o parcial de este componente.

Absorción

Adsorción

Destilación

Extracción

Equipos más empleados a escala industrial

Principalmente encontramos las columnas de adsorción, que pueden ser de dos tipos:

Operaciones unitarias controladas por transmisión de calor

Torres Rellenas:

El equipo consiste esencialmente en una columna que posee un conjunto de

cuerpos sólidos, que descansan sobre una rejilla con agujeros, los cuales permiten el paso de los fluidos.

La figura muestra una torre rellena típica, el flujo es a contracorriente, el gas entra por la parte inferior de la torre y se mueve ascendentemente y pasa a través de las capas de empaquetaduras o rellenos(1). El líquido entra por la parte superior de la torre y se distribuye uniformemente por toda la sección transversal de la torre con ayuda del distribuidor(3). La rejilla de soporte (2) se construye con un material resistente

Es un proceso químico empleado para separar una

mezcla utilizando la diferencia de solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles.

-Columnas de flujo descendente: En éstas se produce una más rápida obstrucción de poros por aglomeración de partículas coloidales lo que exige una limpieza y regeneración más frecuentes.

Operaciones unitarias controladas

por la transferencia de materia

Es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión

Extractores de Disco Rotatorio

-Columnas de flujo ascendente: En ésta la densidad de las partículas aumenta a medida que pasa el tiempo en servicio, como consecuencia de la retención de materiales.

Extractores Anulares Rotatorios

Este extractor, inventado en holanda se muestra en la figura. Fijados ala

casco de la torre hay varios “anillos estatores” horizontales, tabiques en

forma de anillo que dividen el extractor en varios pequeños compartimientos

cada uno de altura Hc. Una serie de discos, dispuestos en un eje central en

cada compartimiento, giran para proporcionar la agitación mecánica.

Destilación destructiva

Destilación al vacío

Destilación simple

Estos extractores, de los que se muestra uno esquemáticamente en la figura,

constan de un cilindro exterior estacionario, dentro del cual gira un cilindro

concéntrico. El contacto liquido-liquido ocurre en el espacio anular entre los

dos. Este es probablemente el tipo más simple de los extractores agitadores y

ha despertado interés en el campo de los procesos con energía atómica por su

sencillez y porque promete corto tiempo de residencia por etapa. Esto es

necesario en la extracción de soluciones muy radioactivas para reducir al

mínimo daños ala disolvente.

Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva.

Operaciones unitarias controladas

por la transferencia simultanea de materia y calor

Como se muestra en la figura, el liquido ligero es el que se dispersa y la

principal interfase liquido-liquido está en la parte superior, pero también puede dispersarse el liquido denso.

La destilación simple consiste en la separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida cuyos puntos de ebullición difieren entre sí en un rango suficientemente marcado (al menos 25°C) y deben ser inferiores a 150°C. El líquido a destilar se coloca en un matraz, para después, mediante la adición de calor, impulsar la vaporización. Una vez establecido el equilibrio líquido-vapor, parte del vapor se condensa en las paredes del matraz, pero el resto (mayoría) pasa por la salida lateral, para posteriormente condensarse por efecto del enfriamiento ocasionado por agua fría que circula por un tubo refrigerante que forma parte del equipo en esta operación. Al producto se le conoce como destilado, mientras la porción que queda dentro del matraz se denomina residuo.

La destilación al vacío se utiliza en productos naturales, como en la separación de vitaminas a partir de aceites animales y de pescado, lo mismo que en la separación de muchos productos sintéticos industriales (como plastificantes). Un ejemplo usual sería la destilación al vacío como operación complementaria en la destilación del crudo (petróleo), una vez destilado a presión ordinaria, como se muestra en la figura siguiente. 

Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del

 carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.

metabólicos de los microorganismos presentes. También encontramos el tanque agitado que está dotado con diferentes sensores que permiten realizar un seguimiento en tiempo real de los cambios del fluido debido a los procesos

Humidificación

Secado

Evaporación

Consiste en separar pequeñas cantidades de agua

u otro líquido de un material sólido con el fin de

reducir el contenido de líquido residual hasta un

valor aceptablemente. El secado es habitualmente la

etapa final de una serie de operaciones.

Esta operación la encontramos en las centrales nucleares. Aquí,

para bajar la temperatura  del agua proveniente del reactor(que es muy elevada), esta se pasa por una torre de enfriamiento con una corriente de aire frío y se vuelve a recircular el agua. El humo blanco que vemos salir de estas gigantescas torres tan características de una central nuclear es simplemente vapor de agua. Con este método conseguimos bajar la temperatura de la central de una forma económica y fácil.

Existen multitud de procesos químicos donde se encuentra esta operación, por no decir prácticamente en todos. El aire lo obtenemos de manera gratuita y tan solo nos hace falta una torre y un ventilador.

Estas operaciones son sólo una parte de aquéllas controladas

por la transferencia de energía, ya que un sistema y sus alrededores pueden intercambiar energía en forma de calor o en forma de trabajo. Las operaciones unitarias en las que la velocidad de transmisión de calor desempeña el papel controlante son la evaporación y la condensación.

cuando se ponen en contacto dos fases que no están en equilibrio desde el punto de vista de un determinado componente,éste se transfiere de una fase a otra, tendiendo al equilibrio.

Equipos a escala industrial

Evaporador de placas

Evaporador de simple efecto

Existen operaciones en las que se da simultáneamente una

transferencia de materia y una transmisión de calor, siendo

ambos procesos controlantes del proceso de la operación. Hay

simultáneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pueden

ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos.

Los equipos que utilizamos en la Industria para llevar a cabo

la Humidificación son las llamadas Torres de Enfriamiento.

Estas torres consta de una serie de persianas y pulverizadores

con el fin de que la corriente de agua se divida en pequeñas

gotas, formando una especie de lluvia dentro del equipo,

mojándolo por completo y favoreciendo así el optimización

de la transferencia de calor y materia.

1. Tiro Forzado: El ventilador se encuentra instalado en la parte

inferior de la torre, por lo que el aire es empujado para que

fluya a través de ella. Trabaja en un modo de operación a

contracorriente.

Proceso del secado

Equipos de secado

I- Período Inicial: la evaporación ocurre como desde una superficie libre y, usualmente, la temperatura incrementa desde su valor inicial (To) hasta la temperatura de bulbo húmedo del aire (Twb).

II- Período de velocidad constante (Nwc): durante este período el secado aún se lleva a cabo por evaporación de la humedad desde una superficie saturada (evaporación desde una superficie libre) y el material permanece a Twb.

III- Primer período de velocidad descendiente: El contenido de humedad al final del período de velocidad constante es el contenido de humedad crítico (Xcr).

IV- Segundo período de velocidad descendente: Este período representa las condiciones correspondientes a una velocidad de secado totalmente independiente de las condiciones externas.

Cristalizador

Extracción

tipos:

Adsorción. Desorción

Absorción. Desabsorción.

*Cristalizador de evaporación de circulación forzada

Destilación

Evaporación

Condensación

Cristalización

Secado

*Cristalizador de suspensión mezclada y de retiro de

producto combinado

Humidificación

*La absorción es una operación unitaria de transferencia de

materia que consiste en poner un gas en contacto con un líquido

para que éste disuelva determinados componentes del gas,

que queda libre de los mismos. La absorción puede ser física

o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente

o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.

La adsorción consiste en la eliminación de algunos componentes

de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. Es

un fenómeno de superficie: las moléculas, átomos o iones

adsorbidos están confinados en la superficie de los poros del

sólido, unidos por fuerzas de Van der Waals, o por verdaderos

enlaces químicos.

La extracción es una operación unitaria de transferencia de

materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes

de una mezcla (líquida o que formen parte de un

sólido) en un disolvente selectivo. Aprovecha, por tanto, la

diferencia de solubilidades de los componentes de la mezcla

en el disolvente añadido.

Es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión

*Cristalizador de tubo de extracción (DT, Draft Tube)

*La desabsorción es la operación unitaria contraria a la absorción. En ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte siendo eliminado del líquido.

La evaporación es una operación unitaria consistente en la

separación de una mezcla líquida, generando a partir de la

misma, por ebullición, un vapor integrado por los componentes

más volátiles de aquélla. Se utiliza para concentrar disoluciones

obteniéndose vapor del disolvente.

La condensación es la operación inversa a la evaporación, por

la que un vapor pasa a estado líquido al intercambiar calor con

un líquido frío. No se puede considerar una operación de separación

aunque tiene gran interés en la industria.

*La desorción se usa para la regeneración del lecho sólido saturado de soluto, y para la recuperación del soluto adsorbido, si éste es económicamente rentable.

Cristalizador de tubo de extracción (DT, Draft Tube)

Cristalizador de suspensión mezclada y de retiro de producto combinado

Cristalizador de evaporación de circulación forzada

Este cristalizador se puede emplear en sistemas en que no se desea la destrucción de partículas finas.

En los cristalizadores tipo DT y DBT, la velocidad de circulación suele ser mayor que la que se obtiene en un cristalizador similar de circulación forzada.

Este Cristalizador requiere tener ciclos operacionales prolongados con materiales capaces de crecer en las paredes del cristalizador.

Se utiliza para cristalizar Sulfato de amonio, cloruro de potasio y otros cristales inorgánicos y orgánicos.

Llamado también cristalizador de magma circulante, es el más

importante de los que se utilizan en la actualidad.

Aun cuando se incluyen ciertas características y variedades diferentes en esta clasificación, el equipo que funciona a la capacidad mas elevada es del tipo en que se produce por lo común la vaporización de un disolvente, casi siempre agua.

Este Cristalizador consta de una tubería de circulación y de un

intercambiador de calor de coraza.

Este calentamiento se realiza sin vaporización y los materiales de solubilidad normal no deben producir sedimentación en los tubos.

La cantidad y la velocidad de la recirculación, el tamaño del cuerpo y el tipo y la velocidad de la bomba de circulación son conceptos críticos de diseño, para poder obtener resultados predecibles.

La humidificación es una operación que consiste en

aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de

un líquido que se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia.

El secado es una operación unitaria mediante la cual se elimina

humedad de una sustancia. La fase previa a todo secado es

la eliminación mecánica de agua mediante filtros-prensa o

centrífugas, reduciéndose después por vía térmica la humedad

que quede. Esta última fase es propiamente la operación de

secado. En ella se somete el producto húmedo a la acción de

una corriente de aire caliente y seco, evaporándose el líquido

con el consiguiente aumento de la humedad del aire.

La cristalización es la formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. El proceso de formación de cristales consta de dos etapas: la nucleación y el crecimiento. La nucleación es la formación, a partir de los iones o moléculas de soluto, de núcleos cristalinos de tamaño suficiente para mantenerse sin solubilizarse en la solución. El crecimiento es el proceso de aumento de tamaño de un núcleo

cristalino, por adición de nuevos iones o moléculas.

Operación Unitaria

Según el profesor little de massachussets institute of technology describe las operaciones unitarias como todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc.

Equilibrio

Es una condición estática en la que no ocurren cambios en las propiedades macroscópicas en un sistema con el tiempo.

Termodinámica: Un sistema en equilibrio de fases es aquel que por ninguna circunstancia sufre ningún cambio de estado. Es decir que busca

establecer las relaciones entre varias propiedades.

Clasificación

Modificar sus condiciones

Macroscópico

Microscópico

Operaciones de transferencia de materia

Modificando su masa o composición

Cuando la temperatura,la presión

y la concentración de las fases

alcanzan sus valores finales y

permanecen constantes.

A deferencia del macroscópico en este las

condiciones no son estáticas por lo tanto las

moléculas que están en una fase en cierto

momento determinado pueden cambiar de fase

un instante después.

Operación de transmisión de energía

Modificando el nivel o la calidad de energía que posee

Modificando sus condiciones de movimiento

Operaciones de transmisión simultanea de materia y energía

Existe Equilibrio

No hay transferencia neta de materia

Operaciones de transporte de cantidad de movimiento

¿Como se descompone un proceso?

Reacciones

Químicas

Materia

prima

Productos

Operaciones

físicas de

separación

Operaciones

físicas de

acondicionamiento

Energética de los

cambios de fases

Principio físico quimico

Principio de Le Chatelier

Cuando un sistema en equilibrio químico es perturbado por un cambio de temperatura, presión o concentración, el sistema modificará la composición en equilibrio en alguna forma que tienda a contrarrestar este cambio de la variable.

Factores que puedan reemplazar la posición de equilibrio.

• Variación en la temperatura.

• Variación en la presión.

• Variación del volumen

La variación de temperatura es el factor que pueda hacer variar el valor de la constante de equilibrio.

Regla de las fases

Regla de las fases de Gibbs

Conceptos previos

Se basan en entender o comprender los componentes de un sistema de varias fases como el mínimo numero de compuestos que bastan para definir todas las fases

Es el número correcto de variables intensivas que deben especificarse para definir el equilibrio entre fases está regulado por la regla de las fases de Gibbs.

F + L = C +2

Fase: Porción homogénea de un sistema.

Las propiedades macroscópicas intensivas

son idénticas en cualquier punto del sistema

Grados de libertad

F = número de fases.

L = grados de libertad = número de variables intensivas que Pueden variarse independientemente.

C = número mínimo de componentes químicos necesarios para definir todas las fases.

Sistema homogéneo: Formado por una fase

Regla de fases

Formula

Se denominan grados de libertad o simplemente libertades, el

número de propiedades intensivas de un sistema que pueden

variarse durante el equilibrio del mismo sin que se alteren el

número de fases o de componentes.

Sistema heterogéneo: Formado por mas

de una fase de 1 o varios componentes

Problemas (Ejemplos)

Equilibrio de fases

(Sistema de un componente)

Diagrama de fases

Propiedades intensivas: T, P,µ, son medidas de distintas

clases de potencial.

T: medida del potencial o intensidad del calor en un sistema. La T es una medida de la tendencia del calor a dejar el sistema.

Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas

El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase

Diagrama de fase:

se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto

Existe un gradiente que produce una fuerza impulsora para

el flujo de calor a través de ese gradiente desde la T mayor a la menor. Se produce un flujo espontáneo de calor hasta que el gradiente potencial se elimina.

P: medida de la tendencia al movimiento masivo

Gráficos

Diagrama de materiales poli fórmicos

Eutectoide: A enfriamiento C+B (A, B, C son sólidos)

Peritectoide: A+B Enfriamiento C (A, B, C son sólidos)

Diagrama de sustancia isoformica.

Reacciones invariables con la Temperatura: Puntos de Reacción

Peritectica: A+ Liquido Enfriamiento C (A, C son sólidos)

Euctectica: Liquido enfriamiento A+B (A.B son sólidos)

Monotectica: L1 Enfriamiento L2+A (L1,L2 son líquidos)

Fluidos supercriticos

El equilibrio de fases se aplica en fluidos supercríticos que poseen propiedades híbridas entre un líquido y un gas: capacidad para disolver solutos, miscibilidad con gases permanentes, alta difusividad y baja viscosidad, lo cual los convierte en sustancias muy adecuadas para muchos procesos. Los FSC pueden aplicarse en muchos procesos como una alternativa favorable al uso de solventes

Orgánicos.

En el gráfico de equilibrio de fases se observa que los tres estados de la materia están separados por líneas que representan los equilibrios sólido-líquido o de fusión, sólido-gas o de sublimación y líquido-gas o de vaporización; el punto triple, es donde coexisten los tres estados. También se puede ver que no existe línea que delimite la zona del estado supercrítico.

Si F1se expande, P1disminuye y F2se contrae, P2aumenta. El equilibrio se alcanza cuando ∆P=0

µ: medida de la tendencia de las especies i a dejar la fase. Es una medida de la presión química

ejercida por i en la fase. Si µi es distinto en diferentes fases del sistema que están a igual T y P, la especie i tenderá a ir de la fase en la que tiene mayor µi a la que tiene menor µi. La existencia de un gradiente de potencial químico es la fuerza impulsora para la difusión química.