1. Operaciones Unitarias Procesos Químicos

Tecnologa de Procesos

Qumicos

Operaciones Unitarias.

Descripcin y Fundamentos.

1. Operaciones Unitarias 1.1 Concepto de Operacin Unitaria

1.2 1 Clasificacin Op. U. 1.2.1 Transferencia de materia

1.2.2 T. de energa calorfica

1.2.3 T. de energa mecnica

1.3 2 Clasificacin Op. U. 1.3.1 Continuas

1.3.2 Discontinuas

1.3.3 Semicontinua

1.4 Diseo de Op. U. 1.4.1 Variables de diseo

1.4.2 Flujo en paralelo, contracorriente y cruzado

1.4.3 Fases inmiscibles

Indice

EL PROCESO QUMICO-INDUSTRIAL

MATERIAS

PRIMAS

PRODUCTOS

Un proceso qumico es una sucesin ordenada de operaciones fsicas y qumicas interconectadas con las que se transforman unos productos en otros a escala industrial.

PLANTA QUMICA

- Parte de una empresa qumica dedicada a la produccin.

- Constituida por varios procesos qumicos

Operaciones Unitarias

Operaciones Unitarias Modelizacin

Operaciones Unitarias. Diagrama de bloques Ec. Complementarias

Modelizacin

Materias

primas

CAMBIOS

FSICOS CAMBIOS

QUMICOS

CAMBIOS

FSICOS

Productos

Subproductos

Residuos

Recirculacin

ETAPAS DE UN PROCESO QUIMICO-INDUSTRIAL:

1) Acondicionamiento de las materias primas (preparacin de los reaccionantes)

2) Reaccin qumica

3) Separacin y purificacin de los productos obtenidos

(1) (2) (3)

Operaciones Unitarias

Clasificacin de Operaciones Unitarias

Operacin unitaria: modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma ms til a nuestros fines.

Modificando masa o composicin (separacin de fases, mezcla, reaccin)

Op. U. de transferencia de materia

Modificando el nivel o calidad de la energa que posee (enfriamiento, vaporizacin)

Op. U. de transferencia de energa calorfica (calor)

Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o direccin)

Op. Unitaria de transferencia de energa mecnica

Clasificacin de Op. Unitarias

Generalmente se producen varios fenmenos de transporte pero el diseo se realiza atendiendo a la propiedad que se transfiere a menor velocidad, cuyo flujo controla la velocidad global proceso

Clasifican segn la propiedad que se transfiera en la Op. U. y sea ms relevante en la misma

Transferencia materia dos subgrupos:

Sin reaccin qumica fsicas Con reaccin qumica: biorreactores fermentadores

Transferencia energa mecnica cantidad de movimiento

Balance macroscpico Transferencia a nivel macroscpico

Balance microscpico Estudio de variables a nivel microscpico

OP. UNITARIAS EN LAS QUE INTERVIENE LA TRANFERENCIA DE MATERIA

MECANISMO OPERACIN BSICA

Transferencia de materia

Absorcin/desabsorcin

Destilacin

Adsorcin/desorcin

Extraccin (L-L)

Difusin

Intercambio inico

Lixiviacin

Transferencia de materia +

Transmisin de calor

Humidificacin/deshumidificacin

Secado

Cristalizacin

Liofilizacin


Transferencia de materia +

Reaccin qumica Reactores/Biorreactores

OP. UNITARIAS CONTROLADAS POR LA TRANFERENCIA DE CALOR

Intercambiadores de calor

Evaporadores

Condensadores

Casi todos los procesos qumicos industriales transcurren con intercambio de calor.

Ejemplos de aplicaciones industriales de intercambio de calor:

Calentamiento o enfriamiento de un fluido.

Recuperacin mxima del calor: optimizacin energtica del proceso.

Produccin de calor en hornos y calderas

Aislamiento trmico de equipos: condiciones adiabticas.

Cambio de estado de agregacin


OP. UNITARIAS CONTROLADAS POR EL TRANSPORTE DE ENERGA MECANICA

Transporte de fluidos en el interior de conducciones tuberas

Operaciones en las que el fluido circula alrededor de cuerpos

sumergidos en el seno de fluidos. Circulacin externa de fluidos.

Operaciones de separacin ej.: filtracin


Operaciones slido-fluido basadas en el flujo externo

Operacin Principales Fluido habitual

fuerzas que actan

Filtracin Gravedad Lquido o gas

Sedimentacin Gravedad Lquido

Rozamiento

Centrifugacin Centrfuga Lquido o gas

Fluidizacin Gravedad Lquido o gas

Rozamiento

Inercia

Transporte Gravedad Gas

neumtico Rozamiento

Inercia

Clasificacin Gravedad Lquido

hidrulica Rozamiento

Inercia

Flotacin

Flotacin Gravedad Lquido

Flotacin

Clasificacin Op. Unitarias

2 Clasificacin Op. Unitarias

Continuas

Proceso estacionario

Entrada y salida continua de

las corrientes

El tiempo no es una variable

En la prctica industrial: alteraciones no deseadas de las variables (fluctuaciones), debido a deterioros,

ensuciamientos, etc. valores promedio de las variables


Discontinuas Proceso no estacionario No hay ni entrada ni salida continua de

corrientes

El tiempo es una variable

Todos los procesos no estacionarios responden a un mecanismo general que comprende alguno de los siguientes conceptos:

un estado inicial (o de partida) algo que entra (flujo de entrada) algo que sale (flujo de salida) una posible diferencia entre la entrada y la salida algo que cambia dentro

Importancia: Arranques y paradas de plantas. Procesos Batch o por cargas. Control de procesos: correccin de la desviacin de alguna variable

de operacin de sus condiciones de diseo en rgimen estacionario


Semicontinuas Proceso no estacionario Entrada y/o salida no continua de alguna corriente

El tiempo es una variable

Importancia:

Arranques y paradas de plantas.

El tratamiento matemtico de operaciones discontinuas y semicontinuas es ms complejo


VENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS:

- Economa de escala (grandes producciones)

- Fcil recuperacin o aportacin de calor

- Mayor automatizacin (reduccin de costes)

- Eliminacin de tiempos muertos (carga y descarga)

- Mayor uniformidad de los productos

- Mayor produccin por unidad de volumen

DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS:

- Se requiere uniformidad de composicin de materias primas y reaccionantes

- Arranque y parada complicada (grandes instalaciones)

- Equipo de instrumentacin y control costoso

Variables de diseo

Valores que son necesarios conocer y controlar

Variables de construccin: dimensionado de Op. U. volumen, dimetro

Variables de proceso: caracterizan a las corrientes que entran y salen de las Op. U.

presin, temperatura, concentraciones, caudales

Ligadas por ecuaciones termodinmicas, cinticas y de transferencia (materia y energa)

Diseo de Op. Unitarias

OPERACIONES

BSICAS FISICAS

PROCESOS QUMICOS

UNITARIOS

Transferencia de las tres propiedades extensivas fundamentales: - Materia

- Energa calorfica

- Energa mecnica (cantidad de movimiento)

Cintica (bio)qumica

Termodinmica

Ecuaciones complementarias

Termodinmica:

estudio de las leyes de conservacin,

relaciones de equilibrio, y

estimacin de propiedades fsico-qumicas

Cintica bioqumica:

estudio de velocidad de reacciones bioqumicas Diag. Bloques

Diseo Op. Unitarias

Tipos de flujo

a) Flujo paralelo. Contacto ininterrumpido o diferencial.

b) Flujo contracorriente. Contacto ininterrumpido o diferencial.

c) Flujo cruzado. Contacto ininterrumpido o diferencial.

d) Flujo contracorriente. Contacto intermitente.

Diseo Op. Unitarias

Reactor de flujo pistn

Intercambiador de calor

carcasa tubos

Diseo Op. Unitarias

Tipos de flujo

Fases inmiscibles

Transferencia de materia entre 2 ms fases inmiscibles

Difusin (S-L)

Destilacin (L-V)

Contacto ntimo entre las fases (equilibrio) y posteriormente dejar que las dos fases resultantes se separen y conducirlas a otra etapa similar

Diseo Op. Unitarias

1. Operaciones Unitarias Procesos Químicos

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