Alberto Bouzas Blanco - Bases d'enginyeria ambiental

–Operacions basades en el transport de la quantitat de moviment.

–Operacions basades en el transport d’energia.

–Operacions basades en el transport de matèria.

Tot seguit es descriuen les operacions unitàries més representatives de cada tipus.

1.3.1 Operacions unitàries basades en el transport de la quantitat de moviment

Aquestes operacions corresponen fonamentalment al transport de fluids i es poden classificar en dos grans grups:

a)De flux intern, és a dir, el fluid circula per l’interior de conduccions.

–L’estudi de la circulació de fluids en conduccions s’ocupa del càlcul de la pèrdua de pressió del fluid per determinar el diàmetre de la conducció o la potència de la bomba o del compressor necessari per fer-lo-hi circular.

b)De flux extern, és a dir, un sòlid es desplaça al si d’un fluid.

–Filtratge: operació de separació d’un sòlid en suspensió en un fluid en fer passar la mescla per un medi permeable al fluid i impermeable al sòlid.

–Sedimentació: separació sòlid-líquid per acció de la gravetat. El líquid es deixa en repòs de forma que el sòlid, amb una densitat major, cau al fons per gravetat.

–Centrifugació: separació de dues fases de densitat semblant mitjançant l’ac­ció d’un camp de força centrífuga originada per un sistema mecànic de rotació.

1.3.2 Operacions unitàries basades en el transport d’energia

La transmissió d’energia en forma de calor pot ocórrer en molts processos, però només en alguns la velocitat de transmissió de calor és l’etapa que controla el procés. Algunes d’aquestes operacions amb interès per a l’enginyeria ambiental són:

–Bescanviadors de calor (figura 1.3). L’operació consisteix en la transmissió de calor entre dos fluids a diferents temperatures, separats per una paret metàl·lica o d’algun material d’alta conductivitat tèrmica, és a dir, que oferisca poca resistència a la transmissió de calor. L’operació es pot dur a terme amb canvi de fase o sense (l’elevada calor latent de vaporització de l’aigua fa que normalment s’empre vapor d’aigua com a fluid calefactor).

Aquesta operació s’utilitza en la digestió anaeròbia que s’ha plantejat en l’exemple de la figura 1.2. El procés es du a terme a una temperatura superior a l’ambiental, per la qual cosa cal escalfar el sistema mitjançant un bescanviador de calor (es pot emprar com a fluid calefactor el vapor d’aigua que s’obté a partir de la recuperació energètica del metà que produeixen les transformacions biològiques desenvolupades en la digestió).

–Evaporació. Consisteix en l’eliminació del dissolvent d’una solució per augmentar la concentració de solut (figura 1.4). La calor cedida pel vapor s’empra per fer bullir la solució diluïda, de la qual s’evapora el dissolvent. Aquesta operació pot ser econòmicament viable enfront dels tractaments biològics per tractar aigua amb matèria orgànica: si la concentració de matèria orgànica és baixa (entre 50 i 4.000 mgDQO/l), la millor alternativa és el tractament biològic aerobi; per a concentracinos més altes (entre 4.000 i 50.000 mgDQO/l), el tractament biològic anaerobi, i per a aigües amb una presència de contaminants orgànics molt elevada (> 50.000 mgDQO/l), la millor alternativa sol ser l’evaporació.

1.3.3 Operacions unitàries basades en el transport de matèria

En aquest apartat es consideren les operacions unitàries en les quals l’etapa que controla el procés és la transferència de matèria. Tenen per objecte separar components o grups de components d’una fase, generalment homogènia. La figura 1.5 mostra un esquema general d’aquest tipus d’operació. Quan l’agent separador (matèria o energia) interacciona amb el corrent d’alimentació es generen dos o més corrents d’eixida de diferent composició, la qual cosa permet de separar o concentrar determinats agents contaminants d’un determinat corrent. Tot seguit se’n mostren alguns exemples.

–Absorció. L’absorció consisteix en la separació dels components d’una mescla gasosa mitjançant un líquid que absorbeix preferentment un dels components (figura 1.6). Per exemple, l’eliminació de SO2 de gasos de combustió mitjançant solucions bàsiques per evitar emetre’l a l’atmosfera. L’aireig en els processos biològics aerobis també consisteix en una absorció en la qual es posa en contacte aire amb la mescla de reacció amb la finalitat de transferir l’oxigen al medi de reacció.

–Destil·lació-rectificació. La destil·lació consisteix a separar dos o més com­­ponents d’una mescla líquida a partir de les diferències entre les seues pressions de vapor. La mescla líquida, en entrar en ebullició, produeix un vapor que és més ric en els components més volàtils que la mescla original. El líquid que resta s’empobreix en aquests components més volàtils. En la rectificació es produeix la separació d’una mescla líquida o gasosa per contacte amb un vapor o líquid produïts per l’escalfament o el refredament de la mescla original. Les dues fases són el vapor a la temperatura de condensació i el líquid a la temperatura d’ebullició. Es produeix la transferència de matèria en els dos sentits: la fase gasosa s’enriqueix en els components més volàtils i la fase líquida en els menys volàtils. Aquestes operacions són típiques per separar components amb la finalitat de reutilitzar-los en un determinat procés industrial.

–Assecament. Consisteix a reduir el contingut d’un líquid, generalment aigua, que impregna un sòlid, mitjançant un gas, generalment aire. En aquesta operació es produeix una transferència de matèria de l’interior del sòlid fins a la interfície per difusió i, en sèrie, una evaporació des de la interfície al si de l’aire circumdant (figura 1.7). Aquesta operació se sol utilitzar en estacions depuradores d’aigües residuals per a la deshidratació dels fangs digerits mitjançant eres d’assecament per contacte directe amb l’aire atmosfèric.

–Separació per membranes (figura 1.8). Els processos de separació per mem­branes constitueixen un grup d’operacions bàsiques relativament noves en comparació amb les clàssiques de transferència de matèria (absorció, destil·lació, etc), però són cada vegada més importants quant a les seues aplicacions. Un exemple característic n’és l’osmosi inversa, que separa un solut d’una dissolució tot forçant el dissolvent a fluir a través d’una membrana mitjançant l’aplicació d’una pressió major que l’osmòtica (la pressió osmòtica és la que es dóna quan s’equilibren una solució concentrada i una diluïda a través d’una membrana tot passant el dissolvent de la diluïda a la concentrada). Així, amb l’osmosi inversa s’aconsegueix, a partir d’una determinada solució, una de més concentrada i una altra de més diluïda. Una aplicació típica és l’obtenció d’aigua potable a partir d’aigua marina (planta de dessalació).