TEMA 9: SEPARACIONES DIFUSIONALES. Las separaciones denominadas difusionales se utilizan para la separación de los componentes de una mezcla y se basan en la mayor difusión de un componente desde una fase homogénea a otra. Se entiende por difusión el movimiento de un componente a través de una mezcla, debido a un estímulo físico. La principal causa de la difusión es la existencia de una diferencia de concentración del componente que difunde, que tiende a igualar la concentración en las dos fases. ABSORCIÓN. Consiste en la disolución de un gas en un líquido y en algunos casos, separación de gases mezclados por absorción de uno de ellos en el líquido. Tiene cierta similitud con la extracción, rectificación y adsorción. La operación contraria se denomina desorción. Los gases suelen ser muy poco solubles en agua u otros disolventes comunes. Los gases que reaccionan con el disolvente (HCl, NH3,…), su solubilidad es elevada. a) Ley de Henry. Los gases se disuelven en mayor o menor grado en los líquidos y su solubilidad depende de la naturaleza del gas, tipo de líquido absorbente, temperatura y presión. La solubilidad de un gas aumenta con la presión y disminuye con la temperatura. La expresión que nos ofrece la concentración del gas en una disolución es la ley de Henry: C = K • p. b) Coeficiente de absorción. La solubilidad de un gas se expresa por su coeficiente de absorción, que es el volumen de gas medido en condiciones normales que se disuelve en 1 litro de líquido a aquella temperatura. C) Torres de absorción en el laboratorio. Son de gran utilidad, tanto para el lavado de gases como para la absorción, su eficacia es debida al contacto que se produce entre el gas y el líquido que circulan en contracorriente. b) Torres de absorción Estas columnas son denominadas también columnas de relleno o torres de relleno. Es un tipo principal de instalación utilizados para el contacto gas, líquido. Consiste en una larga columna vertical, repleta de un material de relleno, sobre el que resbala el líquido disolvente en su descenso por la columna, distribuyéndose él mismo y proporcionando con ello una considerable superficie de contacto entre la fase líquida y la fase gaseosa que sube en contracorriente desde la parte baja de la columna. Cuanto mayor sea la altura del relleno de la columna, mayor será el recorrido en el que se produce la transferencia del gas al líquido y, por tanto, será mayor el grado de absorción que pueda alcanzar. C) Rellenos de torres o columnas. Las torres empacadas, o de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas. Empaque. El empaque (llamado relleno en España) de la torre debe ofrecer las siguientes carácterísticas: 1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas.
2. Poseer las carácterísticas deseables del flujo de fluidos. Esto significa que el volumen de fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúMenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre. 3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando. 4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación. 5. Tener bajo precio. Los empaques son principalmente de dos tipos: aleatorios y regulares. 1. Empaques al azar Los empaques al azar son aquellos que se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se utilizaron materiales fácilmente obtenible, como piedras rotas, grava o pedazos de coque; aunque estos materiales sean baratos, no son adecuados debido a la pequeña superficie y malas carácterísticas con respecto al flujo de fluidos. Además de esto, no son totalmente inertes. 2.Empaques de forma regulares : Ofrecen las ventajas de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, Es una instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios. Los de formas regulares son casi todas de material cerámico, aunque también pueden ser de metal o plástico. Pueden ser: -Anillos Rasching: cilindros de igual altura que diámetro (son pequeños trozos de tubo) que pueden ser de metal o vidrio y que se colocan bien ordenada o bien desordenadamente. – Las sillas: piezas de material cerámico con forma de sillas de montar, son más eficaces que los anillos Rasching, aunque son más caros. Soportes de empaque. Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre, para asegurar la buena distribución del gas en el empaque. El soporte debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de una altura razonable de empaque; debe tener un área libre
Suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con un mínimo de restricción
Cuerpo de la torre. Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro material, según las condiciones de corrosión.
ADSORCIÓN. Es una operación de separación de sustancias que se realiza al poner en contacto un fluido con un sólido adsorbente. Es un fenómeno de superficie mediante el cual el fluido queda retenido en la superficie exterior y en los poros interiores del sólido. El material empleado debe estar perfectamente triturado para aumentar esta superficie de contacto, puesto que 1 g de carbón activo equivale a 200 m2 de superficie activa. La operación de adsorción es reversible, pues si se varían las condiciones de la misma el adsorbente expulsa al fluido adsorbido, dando lugar a la desadsorción. Un factor a tener en cuenta es que la adsorción disminuye con la temperatura. TIPOS DE ADSORBENTES EMPLEADOS Y SUS APLICACIONES. En los laboratorios y en la industria son básicamente para procesos como: decoloración de sustancias, separación de mezclas de gases, adsorción de gases por catálisis, desecación de líquidos, desodorización y análisis cromatográfico. Los adsorbentes pueden clasificarse en tres categorías: a) Carbones activos Son carbones pulverizados y activados con sales químicas o bien sustancias orgánicas
sin carbonizar. Se utilizan para decoloraciones de: azucares, glicerina, cerveza, grasas, barnices, aceites, etc. También pueden emplearse para recuperación de disolventes y eliminaron de olores. El carbón activo puede preparase tomando 100mL de disolución de sacarosa (C12H22O11) concentrada y se añaden 15 mL de ácido sulfúrico concentrado, lentamente sobre la misma. Se agita la mezcla y se filtra una vez se observe su total carbonización. Se lava el papel de filtro con agua destilada hasta eliminar totalmente la acidez y finalmente se deseca en una estufa el carbón obtenido.
La capacidad de adsorción se expresa normalmente en gramos adsorbidos por cada 100 gramos de adsorbente
B) Tierras decolorantes. Son tierras arcillosas activadas con ácido clorhídrico o sulfúrico. Reciben los nombres de tierra de Batán, bauxitas, magnesia,…, y se emplean para tratamientos de petróleos, aceites, grasas y ceras. c) Geles activos. A base de hidróxido aluminio, férrico y otros en forma precipitada. Se emplean para tratamientos de aguas, bebidas, gases, refinación de petróleos, desecación de gases y líquidos… PROCESO DE ADSORCIÓN EN EL LABORATORIO. El procedimiento básico consiste, si tratamos de decolorar, en tomar el líquido a decolorar añadirle el decolorante, agitarlos y luego filtrarlos, quedando el residuo en el filtro. Lo carácterístico del proceso de decoloración es que disminuye su efecto cuando se incrementa la temperatura a la que se somete al líquido y el decolorante. APLICACIONES DE LA ADSORCIÓN a) Adsorción industrial.
Las torres de adsorción industrial, son instalaciones que tratan de recuperar un gas
arrastrado con una corriente de aire por adsorción sobre carbón activo. El aire impurificado entra por la parte inferior de las dos columnas y pasa a través del adsorbente, donde quedara retenido el sulfuro de carbono que conténía, saliendo el aire prácticamente puro por la parte superior. La desorción se lleva a cabo haciéndole pasar una corriente de vapor de agua por el lecho adsorbente que recupera el sulfuro de carbono y deja purificado el carbón activo. El agua y el sulfuro de carbono, una vez condensados, se separan por decantación. b) Filtro para decoloración del agua. Este filtro casero es muy utilizado para sacar el color, olor y sabor adquirido del agua potable. Si antes de su utilización se hace pasar el agua por un filtro de carbón activo, como el caso que se trata, además de su filtración, perderá aquellas carácterísticas debido a su contenido de impurezas. c) Caretas antigás (EPI’s) El aire contaminado es adsorbido inicialmente por una mezcla de carbón activo y la parte no adsorbida por el carbón en la desorción, es aun tratada por un segundo granulado químico antes de que el aire penetre en los pulmones.