Cascadas de Separación y Sistemas Híbridos: Fundamentos y Aplicaciones
¿Qué es una Cascada de Separación y un Sistema Híbrido?
Una cascada de separación es un conjunto de etapas de equilibrio conectadas en serie. Un sistema híbrido, por otro lado, combina dos o más operaciones de separación diferentes, también en serie. Ambos sistemas se emplean para lograr separaciones que no son posibles con una sola etapa, y a menudo, reducen las cantidades de agente de separación másico (ASM) y agente de separación energético (ASE) requeridas.
Diferencias entre Cascadas en Contracorriente y en Corrientes Cruzadas
- Cascada en contracorriente: Es la configuración más eficiente y ampliamente utilizada. Presenta un mayor contacto entre las fases, lo que mejora la transferencia de masa.
- Cascada en corrientes cruzadas: Menos eficiente que la contracorriente, pero puede ser conveniente para operaciones discontinuas (por lotes) donde el disolvente se divide para alimentar cada etapa.
Limitaciones de una Cascada Simple y Ventajas de la Cascada de Doble Sección
Una cascada de sección simple tiene corrientes de entrada y salida únicamente en los extremos. Esto limita su capacidad a separar una sola sustancia con alta pureza. Se utilizan principalmente para recuperar un componente de la alimentación. En contraste, las cascadas de doble sección pueden tener corrientes de entrada o salida intermedias, lo que permite obtener *dos* productos con un alto grado de pureza.
Eficacia Comparativa: Cascada en Contracorriente vs. Cascada en Corrientes Cruzadas
El sistema en contracorriente es más eficaz. Para un mismo número de etapas (N) y un factor de extracción dado, la configuración en contracorriente proporciona mejores resultados de separación.
Sistemas Interconectados de Etapas
Un sistema interconectado consiste en varias cascadas de equilibrio de doble sección interconectadas. Esto permite dividir el sistema en múltiples etapas de equilibrio, mejorando la eficiencia global de la separación.
Condiciones para una Extracción Completa en una Cascada en Contracorriente
Se puede lograr una extracción completa (o casi completa) en una cascada en contracorriente bajo las siguientes condiciones:
- Un número infinito de etapas de equilibrio (N tiende a infinito).
- Un factor de extracción mayor que 1.
Aplicación de Cascadas de Doble Sección en Destilación
La destilación se utiliza para separar dos componentes clave (uno ligero y otro pesado). Las cascadas simples solo permiten obtener un producto de alta pureza. Las cascadas de doble sección son esenciales en destilación porque permiten obtener *dos* productos de alta pureza, uno rico en el componente ligero y otro rico en el componente pesado.
Métodos de Cálculo para Sistemas de Separación
Método de Cálculo de Grupo
Este método relaciona los caudales de líquido y vapor (entrantes y salientes) de la cascada y sus composiciones con el número de etapas de equilibrio. No considera lo que ocurre *dentro* de la cascada (cambios de temperatura, composición y caudales en cada etapa). Es un procedimiento de cálculo aproximado, pero útil para un análisis global.
Método de Kremser
El método de Kremser es un método de cálculo de grupo que proporciona una expresión para calcular operaciones de absorción y desorción (stripping) con N etapas de equilibrio adiabáticas a contracorriente. Se basa en las siguientes consideraciones:
- El líquido absorbente no se transfiere a la fase vapor.
- El vapor entrante no se condensa.
- Ninguna de las especies a absorber está presente en el líquido absorbente inicial.
- Se define un factor de absorción efectivo medio (Ae) que sustituye a los factores de absorción individuales de cada etapa. Esto implica que el equilibrio es similar en todas las etapas (sin cambios significativos de presión o temperatura).
Conceptos Clave en Destilación: Reflujo, Boilup y Secciones de la Columna
- Sección de rectificación (o enriquecimiento): Es la parte superior de la columna. Aquí, el componente menos volátil se transfiere del vapor al líquido, enriqueciendo el líquido en el componente menos volátil y el vapor en el más volátil.
- Sección de agotamiento: Es la parte inferior de la columna. El componente más volátil se transfiere del líquido al vapor.
- Reflujo: El vapor que sale por la parte superior de la columna se condensa. El líquido resultante se divide en un producto destilado (rico en el componente más volátil) y una corriente de reflujo que se recircula a la parte superior de la columna, actuando como líquido absorbente.
- Boilup: El líquido que sale por el fondo de la columna se calienta en un rehervidor. El vapor generado se divide en un producto de fondo (rico en el componente menos volátil) y una corriente de *boilup* que se recircula al fondo de la columna, actuando como vapor de desorción (*stripping*).
Especificaciones en el Diseño de Unidades de Separación
El número de especificaciones requeridas se determina a partir del número de grados de libertad de cada elemento de la unidad de separación. Se puede utilizar el análisis de grados de libertad de Kvaulk: (Nd)unidad = (Nv)unidad – (Ne)unidad.
Cascadas de Membrana de Múltiples Etapas
Se utilizan cascadas de membrana de múltiples etapas cuando un solo módulo de membrana no es suficiente para tratar el caudal de entrada requerido. Al colocar varias etapas en paralelo, se aumenta la capacidad de tratamiento, actuando efectivamente como una única etapa de mayor tamaño.