Revista de Operaciones unitarias II

N° 01, Junio 2016

Diagrama de Fases Las Operaciones Unitarias son una parte indivisible de cualquier proceso de transformación donde hay un intercambio de energía del tipo de físico, de una materia prima en otro producto de características diferentes.

Destilación

Esta edición, incorpora cambios que corresponden al desarrollo reciente del campo de la ingeniería, caracterizado por una creciente imbricación entre la ingeniería química y otras ramas de la ingeniería de procesos (ingeniería sanitaria, bioingeniería, etc).

Esta revista se propone ofrecer una introducción unificada a los procesos de transporte de momento lineal, diagrama de fases y procesos de destilación.

Las operaciones unitarias tiene por objetivo distribuir de una forma distinta los átomos de una molécula para dar otra, es decir, el paso de los reactivos a los productos. Se da en los reactores químicos; para el diseño de estos se deben estudiar características.

pp.

1.- Diagrama de fases ................................................................................... 4 1.1.- Diagrama isomorfo ............................................................................ 4 1.2.- Informacion que se puede obtener de los diagramas de fases ..... 5 1.3.- Temperatura de liquidus y de solidus ............................................. 6 1.4.- Composicion de cada fase ............................................................... 6 1.5.- Punto triple......................................................................................... 7 1.6.- Punto critico....................................................................................... 7 1.7.- Punto de ebullicion .......................................................................... 7 1.8.- Punto de fusion ................................................................................. 8 2.- Tipos de diagramas de fases.................................................................. 8 2.1.- Diagrama Cobre - Niquel ................................................................... 8 2.2.- Diagrama Plomo - EstaĂąo ................................................................. 9 2.3.- Diagrama Hierro - Carbono ............................................................... 9 2.4.- Regla de palanca ..............................................................................11 2.5.- Regla de la fase de Gibbs ................................................................11 2.6.- Curvas de enfriamiento ....................................................................12 2.7.- Diagramas de fases en yacimientos ...............................................13 3.- Destilacion ..............................................................................................16 3.1.- Destilacion simple ............................................................................17 3.2.- Destilacion simple a presion atmosferica ......................................17 3.3.- Destilacion simple a presion reducida ...........................................17 3.4.- Destilacion fraccionada ...................................................................18 3.5.- Destilacion por arrastre de vapor ...................................................18 3.6.- Destilacion al vacio ..........................................................................19 3.7.- Destilacion molecular cientifica ......................................................20 3.8.- SublimaciĂłn .....................................................................................20 3.9.- Destilacion destructiva ....................................................................20 4.- Agradecimiento ......................................................................................21

3

Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición.

4

Informaciรณn que podemos obtener de los diagramas de fases Conocer que fases estรกn presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

Determinar la temperatura a la cual una aleaciรณn enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificaciรณn.

Averiguar la solubilidad, en el estado sรณlido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.

Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

5

Temperaturas de líquidus y de sólidus

La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus.

Se debe calentar una aleación por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus.

6

En este punto en la sustancia coexisten en equilibrio los tres estados, está parcialmente solida, parcialmente líquida y parcialmente gaseosa. Obsérvese que para valores de presión o temperatura mas bajas que el punto triple la sustancia en cuestión no puede existir en estado líquido y solo puede pasar desde sólido a gaseoso en un proceso conocido como sublimación.

El punto C indica el valor máximo de temperatura en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, y se denomina punto crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Gases a temperaturas por encima de la temperatura del punto crítico no pueden ser licuados por mucho que se aumente las presión.

El punto de ebullición de una sustancia, es aquel valor de temperatura para el cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y gaseoso a determinada presión. Los diferentes puntos de ebullición para las diferentes presiones corresponderían a la curva BC.

7

Para llegar al diagrama de cobre níquel, es importante recordar qué es un diagrama de Equilibrio.

Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forman diagramas que se componen de aleaciones, estas aleaciones son una mezcla sólida homogénea, de uno o más metales con algunos elementos no metálicos que pueden darse a diferentes temperaturas.

Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase liquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.

Los elementos como el cobre y níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido.

8

Los diagramas de fases son representaciones gráficas, de las fases que existen en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio, y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.

A continuación se hablará de algunos diagramas de fase de sustancias puras.

Muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes que presentan solubilidad solida limitada de un elemento en otro, como lo es por ejemplo, el sistema plomo-estaño (Pb-Sn).

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro−carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos.

La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama.

N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov.

Las aleaciones hierro−carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro−carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

9

• Fe−Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito).

•

Fe−C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

10

En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase Esta fórmula matemática simple es 100%. En consiste en encontrar las regiones bifásicas se cantidades de % de deberá calcular la cantidad sustancia en los diagramas de cada fase. Y la técnica de fases. es hacer un balance de Estas cantidades normalmente se materiales. expresan como porcentaje del peso (% peso), y es válida para cualquier diagrama de fase binario. La regla de la palanca da a conocer la composición de las fases y es un concepto comúnmente utilizado en la determinación de la composición química “real” de una aleación en equilibrio a cualquier temperatura en una región bifásica.

A partir de consideraciones termodinámicas, J. W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación llamada regla de las fases de Gibbs, es:

P+F=C+2 Donde, P = número de fases que pueden coexistir en el sistema C = número de componentes en el sistema F = grados de libertad

11

Usualmente, un componente C es un componente, un compuesto o una solución en el sistema. F son los grados de libertad, es decir número de variables como (presión, temperatura y composición) que se pueden cambiar independientemente sin variar el número de fases en equilibrio en el sistema.

Si se representa en unos ejes de coordenadas las temperaturas y el tiempo transcurrido desde el estado líquido al sólido se puede ver la variación de velocidad de solidificación que experimenta la aleación al pasar por una curva de fase.

En la grafica siguiente se muestran las curvas de enfriamiento correspondientes al 100% de A, 50% de A y 100% de B.

12

Para los hidrocarburos se han clasificado los yacimientos de acuerdo a un diagrama de fases (Composición). Los yacimientos suelen clasificarse por las condiciones de temperatura y presión iníciales respecto a la región gas-petróleo (dos fases), en estos diagramas se relacionan temperatura y presión.

- Punto de Burbujeo (Pb): es la presión mínima en la cual estando en fase liquida se forma la primera burbuja de gas.

- Punto de rocío (Pr): es la presión mínima en la cual estando en fase gaseosa se forma la primera gota de líquido.

- Curva de Burbujeo: son los puntos de fase liquida en los cuales aparece la primera burbuja de gas.

- Curva de rocío: son los puntos en la fase gaseosa en los cuales aparece la primera gota de líquido.

- Punto cricondembárico (Pcdb): es la presión máxima en la cual coexiste gas y líquido - Punto Cridondentérmico (Tcdet): máxima temperatura en la cual coexiste la fase líquida y gaseosa.

Zona de condensación retrograda: puede definirse como, la condensación de líquido durante la expansión de gas a temperatura constante.

13

Los yacimientos de gas seco tienden a tener una temperatura mayor a la temperatura del punto Cridondentérmico, La mezcla de hidrocarburos se mantiene en fase gaseosa en el yacimiento y hasta la superficie independientemente de la reducción de la presión, la composición de hidrocarburos presente en el yacimiento es mayoritariamente gas metano (C1)>90%, en este tipo de yacimientos no se observa condensación retrograda debido a que siempre nos mantenemos fuera de la curva de rocío.

Los yacimientos de gas Húmedo tienen una temperatura mayor a la temperatura de Punto Cridondentérmico, con la reducción de la presión en el yacimiento podemos atravesar la curva de rocío y obtendremos liquido de muy alta gravedad API en nuestro yacimiento,

También en superficie obtendremos una mezcla de hidrocarburos líquidos y gaseosos, los compuestos que forman estas mezclan tienen un mayor componentes intermedios que los yacimientos de gas seco, el líquido producido en estos yacimientos generalmente es incoloro , con una gravedad API mayor a 60°.

14

Los yacimientos de petróleo volátil o “cuasi–Crítico” se encuentran a una temperatura ligeramente menor a la temperatura del punto crítico, la mezcla de hidrocarburos en el estado inicial se encuentra cerca del punto crítico, con una pequeña disminución de presión podemos atravesar la curva de burbuja y comenzar a liberar el gas que se encuentra disuelto en petróleo.

Estos yacimientos presentan una temperatura mucho menor a la temperatura crítica, tienen un mayor contenido de compuestos pesados (C7+) mayor al 40%, generalmente se debe disminuir mucho la presión para encontrar una producción de gas considerable en este tipo de yacimientos, el crudo producido tiene un color de verde oscuro a negro con una gravedad inferior al 40%.

Este tipo de yacimientos al disminuir poco la presión genera excesiva liberación de gas, lo que causa un agotamiento acelerado del crudo, el crudo producido posee una gravedad API mayor a 40º con un color amarillo oscuro a negro.

Una vez definidos los diagramas de fases de los yacimientos existes ciertos parámetros que relacionan el volumen de hidrocarburos en el yacimiento y superficie a una determina presión y temperatura.

15

Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos.

16

El resultado final es la destilación de un solo producto, ya sea: porque en la mezcla inicial sólo había un componente, o porque en la mezcla inicial uno de los componentes era mucho más volátil que el resto 3

La destilación a presión atmosférica es aquella que se realiza a presión ambiental.

Se utiliza fundamentalmente cuando la temperatura del punto de ebullición se encuentra por debajo de la temperatura de descomposición química del producto.

La destilación a presión reducida o al vacío consiste en disminuir la presión en el montaje de destilación con la finalidad de provocar una disminución del punto de ebullición del componente que se pretende destilar.

Se utiliza fundamentalmente cuando el punto de ebullición del compuesto a destilar es superior a la temperatura de descomposición química del producto.

17

La destilación fraccionada se utiliza cuando la mezcla de productos líquidos que se pretende destilar contiene sustancias volátiles de diferentes puntos de ebullición con una diferencia entre ellos menor a 80 ºC.

Al calentar una mezcla de líquidos de diferentes presiones de vapor, el vapor se enriquece en el componente más volátil y esta propiedad se aprovecha para separar los diferentes compuestos líquidos mediante este tipo de destilación.

El rasgo más característico de este tipo de destilación es que necesita una columna de fraccionamien to.

Es una técnica de destilación que permite la separación de sustancias insolubles en H2O y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles. A la mezcla que contiene el producto que se pretende separar, se le adiciona un exceso de agua, y el conjunto se somete a destilación.

En el matraz de destilación se recuperan los compuestos no volátiles y/o solubles en agua caliente, y en el matraz colector se obtienen los compuestos volátiles y insolubles en agua.

Finalmente, el aislamiento de los compuestos orgánicos recogidos en el matraz colector se realiza mediante una extracción.

18

Este método es tan efectivo como la destilación por vapor, pero más caro. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la temperatura de destilación.

Si la destilación se efectúa en un vacío prácticamente perfecto, el proceso se llama destilación molecular. Este proceso se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros productos inestables.

El montaje es muy parecido a los otros procesos de destilación, con la salvedad de que el conjunto se conecta a una bomba de vacío o trompa de agua

19

En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz.

Si se destila una sustancia sólida, pasándola directamente a la fase de vapor y otra vez a la fase sólida sin que se forme un líquido en ningún momento, el proceso se llama sublimación. La sublimación no difiere de la destilación en ningún aspecto importante, excepto en el cuidado especial que se requiere para impedir que el sólido obstruya el aparato.

La rectificación de dichos materiales es imposible. El yodo se purifica por sublimación.

Cuando se calienta una Aplicaciones: sustancia a una Carbón temperatura elevada, Alquitrán descomponiéndose en Gas varios productos valiosos, y Amoniaco esos productos se separan Madera por fraccionamiento en la Ácido Etanoico misma operación.

Propanona Metanol

20

Ante todo agradecerle a Dios por permitirme llegar al sitio donde me encuentro, su sabiduría, su entendimiento y sobre todo la salud que gozo para llevar a cabo cada una de mis metas, a mi madre, hijas, hermana y la Prof. Alicia Pérez por brindarme su apoyo incondicional, su conocimiento en el área de Ingeniería Química, la cual es muy útil al momento de realizar esta edición especial.

Dándole muchas gracias a todos colaboración, paciencia y entendimiento…..

por

su

Robert Carvajal…..

21

Elaborado por: Robert Carvajal C.I. 17.293.237 22