Separación (ingeniería de procesos)
Un proceso de separación utiliza las diferentes propiedades físicas y químicas de las sustancias mezcladas para separarlas unas de otras. La separación de mezclas de sustancias es una de las operaciones de procedimiento básicas más importantes . La mayoría de las materias primas y productos de reacciones químicas son mezclas de sustancias. Estos deben separarse para su posterior procesamiento.
El tratamiento de aguas residuales y la clasificación de materiales reciclables de envases ligeros y compuestos ( saco amarillo ) también se encuentran entre el proceso de separación. En metalurgia, la separación de materiales de los metales presentes en estado fundido se resume bajo el término técnico refinado .
importancia
Los procesos de separación son de gran importancia económica ya que son responsables del 40-90% del capital empleado y de los costes operativos de la producción industrial. Los procesos de separación utilizados incluyen lavado, extracción, prensado, secado, clarificación, evaporación, cristalización y filtración. A menudo se llevan a cabo varios procesos de separación uno tras otro. Los procesos de separación tienen diferentes funciones:
- Purificación de materias primas y productos así como separación de subproductos
- Reciclaje de disolventes y reactivos sin reaccionar ( materias primas)
- Eliminación de contaminantes de aguas residuales y aire.
Clasificación
Las mezclas heterogéneas (por ejemplo, de líquido y sólido ) pueden separarse mediante procesos de separación mecánica como la filtración o la centrifugación. Las mezclas homogéneas se pueden separar mediante procesos de separación molecular. Los procesos de separación molecular se basan en el equilibrio o en la velocidad controlada. En los procesos de separación basados en el equilibrio se forman dos fases inmiscibles de diferente composición, un ejemplo de esto es la destilación (en la destilación, el vapor tiene una composición diferente a la del líquido). Los procesos de velocidad controlada se basan en diferentes velocidades de transporte de compuestos a través de un medio, ejemplos de los cuales son la adsorción, el intercambio iónico o la cristalización.
Una mezcla homogénea puede separarse en dos fases mediante un " agente separador de energía ", un " agente separador de masa ", una barrera o campos externos. Los separadores de energía crean una segunda fase (que se diferencia de la primera en composición y es inmiscible con ella); incluyen las técnicas más utilizadas en la industria. Por ejemplo, la adición de calor (el agente de liberación) a un líquido (primera fase) da como resultado la formación de vapor (segunda fase). Los agentes de liberación masiva son otros productos químicos o sustancias. Ellos absorben o disuelven uno de los productos de manera selectiva, que son ya sea en forma líquida (por sorción, destilación extractiva o extracción) o como un sólido (adsorción o intercambio iónico). El uso de una barrera que retiene solo uno de los dos compuestos pero no el otro ( membranas semipermeables ) es menos común en su aplicación; Los campos externos solo se utilizan en aplicaciones especiales.
Procesos de separación térmica
Los procesos de separación térmica son todos procesos de separación basados en el establecimiento de un equilibrio de fase termodinámico . Básicamente, existen tres procesos de separación diferentes.
Separación por punto de ebullición
- Durante la rectificación y destilación , se establece un equilibrio entre una fase líquida y una fase de vapor (o fase gaseosa). La separación tiene lugar aquí por evaporación y condensación repetidas. Este método funciona bien para componentes con puntos de ebullición muy diferentes , pero falla para sistemas azeotrópicos . Los métodos utilizados para separar mezclas azeotrópicas son, por ejemplo,
- Durante el secado , se establece un equilibrio de distribución entre un líquido y un sólido y la fase gaseosa. El secado es uno de los procesos de separación térmica más comunes.
- Durante la extracción , las sustancias (por ejemplo, la humedad) se transfieren de una fase líquida a la fase gaseosa mediante procesos de desorción . Para ello, la fase líquida se pone en contacto con un gas utilizando el principio de contracorriente (para secar con un gas seco que pueda absorber vapor de agua).
- Quema con el objetivo de cambiar las propiedades de la sustancia .
Separación por punto de congelación
- Cuando se congela , se deposita una sustancia de una solución por enfriamiento. Este proceso se utiliza para componentes con puntos de congelación muy diferentes y en algunos casos para separar sistemas azeotrópicos. En la ingeniería de procesos, la congelación se denomina cristalización debido a la transición a un sólido . Se hace una distinción entre cristalización estática (discontinua) y dinámica (continua).
Separación por sublimación
- En el caso de la sublimación , un sólido cambia directamente del estado sólido de agregación al estado gaseoso de agregación. Luego, la sustancia sublimada se deposita sobre una superficie enfriada en estado sólido de agregación. Si la presión de vapor de sublimación de la contaminación difiere lo suficiente del material valioso que se va a recuperar, este proceso de separación térmica rara vez utilizado es eficaz. El método de sublimación se utiliza principalmente a escala de laboratorio. Un ejemplo de ampliación en dimensiones técnica y económicamente relevantes es la liofilización .
Separación por solubilidad
La solubilidad es una propiedad del material que a veces está relacionada con otros efectos de separación.
- La cromatografía , además de la solubilidad, intervienen en el efecto de separación otros fenómenos como la adsorción.
- Lavar
- Durante la extracción , se establece un equilibrio de distribución entre dos fases . Aquí, el material valioso se extrae de una mezcla con un agente de arrastre que disuelve bien el material valioso, pero si es posible, ninguno de los otros aditivos. Luego, el material reciclable debe separarse del arrastrador. Además de esta extracción líquido-líquido, también hay
- Pervaporación (extracción continua)
- Extracción de sólidos
- Durante la absorción y el lavado de gases , se establece un equilibrio entre un líquido y un gas debido a la solubilidad del gas .
- Durante la adsorción , se establece un equilibrio de adsorción entre una superficie sólida y una fase gaseosa o líquida.
- Eluir es el desprendimiento o lixiviación de sustancias de una fase estacionaria, que puede consistir tanto en material sólido como líquido.
Procesos de separación mecánica
Los procesos de separación mecánica utilizan diferencias en las propiedades mecánicas de los componentes. Estas también pueden ser características reflectantes visuales u ópticas.
- Selección mediante eliminación selectiva
- Ordenar separando el total
- Separación por chorro de aire z. B. de los granos de café según el color tostado de los "granos apestosos" con un alto contenido de aceite
Separación por humectabilidad de la superficie
- La flotación es un proceso de separación en el que las mezclas sólidas de grano fino se separan en una suspensión acuosa (suspensión) con la ayuda de burbujas de aire debido a la diferente humectabilidad superficial de las partículas.
Separación por densidad
Las diferencias en la densidad de las mezclas de sustancias se pueden utilizar con los siguientes métodos.
- Sedimentación , decantación y separación
- Centrifugación
- Separación de remolacha pesada
- El lodo es un proceso de separación mecánica para la determinación cuantitativa de la fracción de grano fino de una muestra de sedimento (análisis de dispersión).
Separación por tamaño de partícula
- Filtración , especialmente extracción por succión con presión negativa
- Rastrillo
- El tamizado es un proceso de separación mecánica para la separación por tamaños (clasificación) de materiales a granel.
- El tamizado se realiza mediante cribas planas o cribas de viento.
- Proceso de separación de membranas
- Osmosis inversa
Separación por inercia de partículas
Cuando se utilizan movimientos, la inercia de las partículas se puede utilizar para la separación.
- Separador centrífugo (ciclón)
- Impactador
- Deflector de haz
- Separación en vuelo libre de chatarra de diferentes metales como separación parcial mediante separación según la inercia de la masa en relación con el área de la sección transversal
Separación por magnetizabilidad
La magnetizabilidad se utiliza para las propiedades del material magnético .
Separación por movilidad eléctrica
Separación como resultado de reacciones químicas.
El curso de las reacciones cambia las propiedades físicas , que a su vez pueden usarse para la separación.
- Aguafuerte con ácido nítrico ( agua de separación )
- La electrólisis es un proceso en el que la corriente eléctrica fuerza una reacción química.
- Electroforesis
- precipitación
- Intercambio iónico
- Proceso de membrana enzimática para la separación de ciertos racematos.
- Tostado (metalurgia)
- Saiger proceso copelacion
El proceso de fusión por zonas para obtener monocristales o metales de alta pureza aprovecha el hecho de que las impurezas en la masa fundida tienen un entorno químico energéticamente más favorable (menor potencial químico ) que en el cuerpo sólido y, por lo tanto, migran del cuerpo sólido a la masa fundida. .
literatura
- colectivo dechema de autores: Técnicas de separación selectiva , Frankfurt / Main, 2008, archivo PDF, consultado el 31 de mayo de 2012
Evidencia individual
- ^ A b c André B. de Haan, Hans Bosch: Procesos de separación industrial: fundamentos . De Gruyter, Berlín 2013, ISBN 978-3-11-030669-9 .