PROCESOS DE SEPARACION

5.1 SEPARACION POR MEMBRANAS.

1. Difusión de gas en un sólido poroso. En este caso, una fase gaseosa está presente en ambos lados de la membrana, que es un sólido microporoso. Las velocidades de difusión molecular de las numerosas moléculas de gas dependen del tamaño de los poros y de los pesos moleculares. Este tipo de difusión en la región molecular, de transición y de Knudsen se analizó con detalle en la sección 7.6. 0

2. Permeación de gas a través de una membrana. En este proceso, la membrana generalmente es un polímero como caucho, poliamida u otro, y no es un sólido poroso. El gas soluto primero se disuelve en la membrana y luego se difunde en el sólido hacia la otra fase gaseosa. Esto se estudió a fondo en la sección 6.5 para los solutos que siguen la ley de Fick y se vuelve a considerar en la sección 13.3 para el caso en que haya resistencias presentes. Algunos ejemplos son la difusión de hidrógeno a través de caucho y el helio que se separa de gas natural por permeación a través de un ‘polímero de fluorocarbono. La separación de una mezcla gaseosa ocurre porque cada tipo de molécula se difunde a una rapidez diferente a través de la membrana.

3. Permeación de un líquido o diálisis. En este caso los solutos pequeños de una fase líquida se difunden fácilmente debido a las diferencias de concentración a través de una membrana porosa hacia la segunda fase líquida (o fase gaseosa). El paso de las moléculas grandes a través de la membrana

es más difícil. Este proceso de membrana se ha aplicado en separaciones de procesos químicos como en la separación del H2S04 de los sulfatos de níquel y cobre en solución acuosa, en el procesamiento de alimentos y en los xinones artificiales, y se estudia en detalle en la sección 13.2. En la electrodiálisis, la separación de iones ocurre al imponer una diferencia de fem (fuerza electromotriz) a través de la membrana.

4. ósmosis inversa.

Entre la solución de soluto y disolvente y un disolvente puro se coloca una membrana que impide el paso del soluto de bajo peso molecular. El disolvente se difunde hacia la solución por ósmosis. En la ósmosis inversa se impone una diferencia de presión inversa que ocasiona que el flujo del disolvente se invierta como en la desalinización del agua de mar. Este proceso también se usa para separar otros solutos de bajo peso molecular, como sales, azucares y ácidos simples de un disolvente (generalmente agua). Este proceso se analiza en detalle en las secciones 13.9 y 13.10.

5. Proceso de membrana de ultrafiltración. En este proceso se utiliza la presión para lograr una separación de moléculas mediante una membrana polimérica semipermeable (M2). La membrana distingue los diferentes tamafios moleculares, formas o estructuras químicas y separa los solutos de peso molecular relativamente alto, como proteínas, polímeros, materiales coloidales como minerales, etc. La presión osmótica suele ser despreciable debido a los altos pesos moleculares. Esto se analiza en la sección 13.11.

6. Cromatografía por permeación en gel. El gel poroso retarda la difusión de los solutos de alto peso molecular. La fuerza impulsora es la concentración. Este proceso es sumamente útil para analizar soluciones químicas complejas y purificar componentes muy especializados o valiosos.

Tipos de membranas y permeabilidades para la separación de gases

1. Tipos de membranas.

Las primeras membranas eran de uso limitado debido a su baja selectividad para separar dos gases y a los flujos de permeación muy bajos. Este problema de bajo flujo se debía al hecho de que las membranas eran relativamente gruesas (1 mil o l/lOOO de pulgada o mayores) para evitar los diminutos hoyos que reducían la separación permitiendo el flujo viscoso o de Knudsen de la alimentación. El desarrollo de polímeros de silicón (de 1 mil de grosor) aumentó la permeabilidad por factores de 10 a 20, aproximadamente.

Algunas membranas asimétricas modernas incluyen una piel muy delgada pero densa en un lado de la membrana sostenida por una subestructura porosa (Rl). La piel densa tiene un espesor de cerca de 1000 Ay el soporte poroso lo tiene de cerca de 25 a 100 p. El aumento de flujo de estas membranas es miles de veces mayor que el de las membranas originales de 1 mil de ancho. Algunos materiales

comunes de las membranas actuales son una combinación de polisulfona recubierta con caucho de silicón, acetato de celulosa y acetatos modificados de celulosa, poliamidas aromáticas o polimidas aromáticas y copolímeros de silicón-policarbonato en un soporte poroso.

2. Permeabilidad de las membranas.

La predicción exacta de la permeabilidad de los gases a través de las membranas no es posible en general, y se necesitan valores experimentales. Los datos experimentales para ciertos gases comunes en algunas membranas típicas se dan en la tabla 13.3-1. Nótese que existen grandes diferencias entre las permeabilidades de varios gases en una membrana dada. El caucho de silicón exhibe permeabilidades muy altas para los gases de la tabla.

Para el efecto de la temperatura Ten K, el In PÁ es aproximadamente una función lineal de l/T y aumenta con T. Sin embargo, la operación a altas temperaturas a menudo degrada las membranas. En una mezcla de gases, con frecuencia ocurren reducciones de la permeabilidad de un componente individual de hasta el 10%. En algunos casos se han observado reducciones mucho mayores (Rl). Por

consiguiente, cuando se use una mezcla de gases se deben obtener datos experimentales para determinar si existe alguna interacción entre ellos. La presencia de vapor de agua ejerce efectos similares sobre las permeabilidades, y también es capaz de dañar las membranas.

Tipos de equipo para los procesos con membrana para permeación de gases

1.Membranas planas.

Las membranas planas se usan principalmente de forma experimental para caracterizar la permeabilidad de la membrana. Los módulos son fáciles de fabricar y usar y las áreas de las membranas están bien definidas. En algunos casos los módulos se apilan juntos como una multicapa o como un filtro prensa de plato y marco. El principal inconveniente de este tipo de membrana es que el área de membrana por volumen separador unitario es muy pequeña.

Se usan pequeñas membranas planas comerciales para producir aire enriquecido con oxígeno para aplicaciones médicas individuales.

2. Membranas enrolladas en espiral.

Esta configuración conserva la sencillez de fabricación de las membranas planas pero aumenta marcadamente el área de membrana por volumen de separador unitario hasta más de 100 pie2/pie3 (328 m2/m3) y al mismo tiempo disminuyen las caídas de presión (Rl). El ensamble es una superposición de cuatro hojas envueltas alrededor de un centro formado

por un tubo colector perforado. Las cuatro hojas constan de una hoja superior que es una rejilla separadora abierta para el canal de alimentación, una membrana, un refuerzo de fieltro poroso para el canal de la sustancia per-meada y otra membrana, como se muestra en la figura 13.3-l. El elemento enrollado en espiral mide de 100 a 200 mm de diámetro y de 1 a 1.5 m de largo en la dirección axial.

Las hojas planas antes de enrollarse miden aproximadamente de 1 a 1.5 m por 2 a 2.5 m. El espacio entre las membranas (rejilla abierta para la alimentación) es de aproximadamente 1 mm y el grosor del refuerzo poroso (para la sustancia permeada) es de alrededor de 0.2 mm. El elemento enrollado en espiral completo se localiza dentro de una envoltura metálica. El gas de alimentación entra por el extremo izquierdo de la envoltura al canal de alimentación y fluye por él en sentido axial de la espiral hacia el extremo derecho del dispositivo (Fig. 13.3-1). Luego el gas residual sale de la envoltura en ese punto. La corriente del canal de alimentación se permea perpendicularmente a través de la membrana. Esta sustancia permeada fluye luego a través del canal en una dirección perpendicular a la corriente de alimentación hacia el tubo colector perforado, donde sale del aparato por un extremo. Esto se ilustra en la figura 13.3-2, donde se muestran las trayectorias del flujo de gas local para un pequeño elemento del dispositivo.

3. Membranas de fibras huecas.

Estas membranas tienen forma de fibras huecas de diámetro diminuto. El diámetro interior de estas fibras es de 100 a 500 Pm y exterior de 200 a 1000 m, con una longitud de hasta 3 a 5 m. El módulo se parece aun intercambiador de calor de coraza y tubos. Miles de finos tubos están unidos en los extremos y forman una hoja de tubos rodeada de una envoltura metálica, con diámetro de 0.1 a 0.2 m, de modo que el área de la membrana por volumen unitario es de más de 10000 m2/m3, como se ve en la figura 13.3-3.

Comúnmente, la alimentación a alta presión

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