Separación en química: fundamento breve
Combinaciones de estado y operaciones unitarias
Francisco Javier Martínez Rodríguez
ES221104182
Ing. en Tecnología Ambiental, CSBA
Universidad Abierta y a Distancia de México
Actividad 3, Unidad 1
Operaciones Unitarias Ambientales
Separar, en química, es partir una mezcla en sus partes aprovechando que cada una se comporta distinto. Usamos diferencias de tamaño, peso, qué tanto se disuelven o se evaporan, o qué tanto se pegan a superficies. Así limpiamos, concentramos y recuperamos cosas, generando menos residuos.
- Basada en diferencias de propiedades y contacto entre fases o métodos físico‑mecánicos.
- En ambiente y agua guía la remoción de contaminantes y la recuperación de recursos.
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GAS–LÍQUIDO
Gas conoce a Líquido (y le “roba” moléculas)
Separación gas–líquido ocurre cuando un componente migra entre ambas fases por diferencia de concentración. En absorción, el gas se disuelve en el líquido; en stripping, sale del líquido al gas. Bandejas o empaques aumentan el área de contacto y aceleran la transferencia.
Burbujeamos el gas en agua: los que se disuelven o reaccionan con el líquido se quedan; los que no, pasan de largo. Enfriar, presionar y agitar ayuda a atraparlos más.
- Intercambio de componentes por diferencia de concentración.
- Absorción (gas → líquido) y stripping (líquido → gas).
- Empaques/placas para maximizar área de contacto.
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Aireación de agua para quitar gases disueltos
Bloques:
→
🫧 Torre/pozo de aireación
→
Burbujeo aire para sacar gases disueltos poco solubles (stripping). Más burbujas y contacto = mejor remoción; el agua queda con menos olor y CO₂.
- 🥤💨 Destapar un refresco: el CO₂ escapa del líquido (stripping natural).
- 🐟🫧 Aireador de pecera: mete aire, expulsa CO₂/H₂S disueltos.
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VAPOR–LÍQUIDO
Volatilidad manda
En vapor–líquido separamos por volatilidad y calor. La destilación alterna evaporación y condensación para enriquecer el componente más volátil; la evaporación solo concentra eliminando solvente. El equilibrio líquido‑vapor y el suministro de energía gobiernan el rendimiento y el consumo.
Calientas la mezcla: el más volátil se va como vapor; lo enfrías y vuelve separado. Es hervir, condensar, repetir, hasta aislar lo que te interesa.
- Destilación/condensación para diferencias de volatilidad.
- Evaporación: concentrar disoluciones removiendo solvente.
- Intercambio simultáneo de calor y masa.
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Agua “destilada casera” (demo potable)
Bloques:
Evaporo, condenso y recojo agua; la sal queda atrás.
- 🍲💧 Gotas en la tapa de la olla: vapor que condensa (mini destilación).
- 🍅🔥 Espesar una salsa hirviendo: evaporas agua para concentrar.
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LÍQUIDO–LÍQUIDO
“No te mezclas conmigo”
En líquido–líquido, dos líquidos inmiscibles se ponen en contacto para extraer un soluto. El solvente elegido “se lo lleva” y luego las fases se separan por densidad en un decantador. El desempeño depende de selectividad, relación de fases y etapas.
Juntas dos líquidos que no se mezclan. Uno tiene más afinidad por el soluto y se lo lleva. Luego reposas y separas capas, como aceite y agua.
- Extracción con solvente inmiscible.
- Decantación por densidad tras reposo.
- Clave: selectividad, relación de fases, etapas.
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Derrame aceitoso en agua (pre‑tratamiento)
Bloques:
Separas por diferencia de densidades: el aceite flota, el agua limpia sigue el proceso.
- 🫙🫧 Vinagreta reposada: aceite y agua se separan en capas.
- 🍽️🛢️ Trampa de grasas de cocina: retiene aceites que flotan.
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SÓLIDO–LÍQUIDO
Partículas… ¡a su casa!
Para sólido–líquido hay dos enfoques: remover sólidos dispersos del agua (sedimentación y filtración) o extraer un componente del sólido con un disolvente (lixiviación). Velocidad de sedimentación, tamaño de poro y agitación controlan eficiencia y calidad del clarificado.
Para limpiar agua: dejas que las partículas caigan (sedimenten) o las atrapas en un filtro. O al revés: mojas un sólido para extraerle algo útil.
- Sedimentación (gravedad) y filtración (medio poroso).
- Lixiviación: el líquido extrae del sólido.
- Membranas micro/ultra para sólidos finos.
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Tren básico de potabilización
Bloques:
Bajas turbiedad en el sedimentador; capturas remanentes en el filtro. Listo para desinfección.
- 🍝🧺 Colar pasta/arroz: filtro separa sólido del agua.
- ☕📄 Café de filtro: extraes y retienes partículas en el papel.
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SÓLIDO–GAS
Polvos al filtro (o al carbón)
En sólido–gas, el objetivo es capturar moléculas o partículas del gas usando un sólido. La adsorción fija compuestos en superficies de alto área específica (p. ej., carbón activado); los colectores separan polvos por inercia o filtración. Presión, humedad y temperatura influyen.
Pasas aire sucio por un sólido que atrapa olores/gases o por equipos que retienen polvo. Como el carbón del refri, pero industrial.
- Filtros de mangas / ciclones (polvo).
- Adsorción en sólidos (COVs, H₂S).
- Alta área superficial = mayor captura.
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Tratamiento de olores en cárcamo
Bloques:
→
⚫️🧱 Cama de carbón activado
→
Compuestos se adhieren a la superficie del carbón. Cuando se satura, se cambia o se regenera.
- 🏠🌬️ Filtro de aire (mini‑split/auto): atrapa polvo del aire.
- 🧊⚫️ Carbón en el refri: adsorbe olores del aire interno.
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GAS–GAS
Rara pero real
Separar gas–gas implica discriminar especies gaseosas similares. Se logra con membranas (permean unas más que otras) o adsorción por cambio de presión (PSA) donde un sólido retiene selectivamente y luego se regenera. Diferencias de tamaño, solubilidad y afinidad son la clave.
Del aire, dejas pasar más fácil un gas que otro con “coladores” moleculares o trampas que se abren y cierran con presión. Así concentras el que necesitas.
- Membranas selectivas o PSA.
- Basado en tamaño/afinidad/solubilidad.
- Típico: enriquecer O₂/N₂ del aire.
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Concentrador de oxígeno (PSA) para clínica
Bloques:
→
🔷🧱 Lecho de zeolita (adsorbe N₂)
→
🫁✨ Corriente O₂ enriquecido
↘ ⏬ Despresurización → libera N₂ (columna hermana en paralelo)
El sólido atrapa N₂ a alta presión y lo suelta a baja presión, dejando una corriente rica en O₂.
- 🫁🏠 Concentrador de oxígeno doméstico: separa O₂ del aire por PSA.
- 🥤🍺 Generadores de N₂ para bebidas y empaques: obtienen N₂ del aire.
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SÓLIDO–SÓLIDO
Aquí manda lo mecánico
A nivel sólido–sólido casi no hay transferencia de masa útil; por eso se separa por tamaño, forma, dureza o propiedades magnéticas. Operaciones típicas: trituración, tamizado, separación magnética y densimétrica. Sirve para preparar corrientes antes de reciclar, compostar o valorizar.
No hay química: separas por tamaño, peso o magnetismo. Trituras, pasas por cribas y quitas metales con imanes.
- Tamizado, trituración, imanes.
- Clasificación por densidad o forma.
- Pretratamiento para reciclaje/valorización.
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Pretratamiento de residuos
Bloques:
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🔀 Flujos separados (orgánico, metal, etc.)
Primero haces piezas más pequeñas; luego separas por tamaño y quitas metales. Dejas listas corrientes limpias.
- 🍞🧺 Tamizar harina: separas por tamaño de partícula.
- 🧲🔩 Imán para recoger tornillos/clips de una mezcla.
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¿Qué me llevo a planta?
- La combinación de estados sugiere la operación y el equipo.
- A más área de contacto y diferencia de concentración/volatilidad, mejor separo.
- En agua y ambiente: remoción simple → transferencia de masa → reacciones si conviene.
Mantra: ¿Qué dos fases tengo? → elijo operación → dibujo bloques → ¡a separar!
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Referencias
- Geankoplis, C. J. (1993). Transport processes and unit operations (3. ed). PTR Prentice Hall.
- McCabe, W. L. (2007). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V.
- UnADM. (2024). Programa de la asignatura: Operaciones Unitarias Ambientales. Unidad 1.
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