Introducción a la Ingeniería Química – 2do sem 2010 1

3. Análisis de Procesos:

Operaciones Unitarias

Las operaciones unitarias son cada una de las

acciones necesarias de transporte, adecuación y/o

transformación.

Operaciones Unitarias

El número de estas operaciones básicas no es muy

grande y generalmente sólo unas cuantas de ellas

intervienen en un proceso determinado.

Los procesos químicos siempre pueden subdivirse en

unidades básicas llamadas operaciones unitarias…

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Tipos de Operaciones

Unitarias

Transferencia de Masa

Absorción

Destilación

Extracción

Adsorción

IntercambioIónico

Transferencia de Calor

Intercambiadorde Calor

Hornos

Aerorrefrigerante

Evaporadores

Condensadores

Acumuladores de calor

Placas solares

Transferencia de Calor y Masa

simultáneamente

Cristalización

Secado

Liofilización

Torres de enfriamiento

Transporte de flujidos

Compresores

Bombas

Fluidización y transporteneumático

Separación

Filtración

Sedimentación

Clasificaciónhidráulica

Flotación

Centrifugación

Ósmosis inversa

Operacionesfísicas

complementarias

Trituración

Molienda

Tamizado

Mezclado

Almacenajemateriales

Reactores

Procesos / Operaciones

reactores intercambiadores bombas separadoresmezcladores

Las operaciones unitarias mas comunes se producen en:

las cuales existen en una variedad de formas distintas.

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En cada proceso / operación unitaria se cambian las condiciones de

una determinada cantidad de materia de una o más de las siguientes

formas:

modificando su masa o composición

modificando el nivel o calidad de la energía que posee

modificando sus condiciones de movimiento

Procesos / Operaciones

Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un

gradiente en alguna propiedad, que da cuenta del mecanismo

principal de transferencia:

Operaciones Unitarias

CASO MECANISMOGRADIENTE

IMPULSOR

transferencia de masa difusión concentración

transferencia de calorconducción, convección

y/o radiacióntemperatura

transferencia de

cantidad de movimientorozamiento velocidad

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Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Operaciones Unitarias

Definición Operación Aparatos Ejemplos

Destilación Separar mezcla liq. por dif.en volatilidad.

simple, súbita, rectificación, extractiva.

-col. de platos:- col. de relleno (packing towers).

Petróleo, solventes, licores.

Absorción Purificar gas de un comp. por contacto con líq.

- similar destilación- torres - centrífugos

Eliminación de gases ácidos de corrientes.

Extracción(lixiviación o lavado)

Mezcla (liq-liq o sol-liq) en disolvente selectivo.

-contacto por etapas - contacto continuo

-columnas -- Soxhlet

Petróleo, extracción de aceites, lixiviado de minerales.

Adsorción Eliminar comp. de fase fluida mediante sólido que lo retiene.

- lecho fijoAlumina, silica gel, carbón

- columnas de lecho fijo en paralelo

Secar gases, olor, solventes..

Intercambio iónico

Sustitución de iones de disolución por otros en sólido.

- resina catiónica- resina aniónica

- dos columnas para operación y regeneración

Ablandar agua, desminera-lización.

Transferencia de masa

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Destilación

Separación de componentes de una mezcla líquida en base a su diferente volatilidad (presiones de vapor)

Absorción

Purificar gas de un componente poniendo en contacto con solvente líquido

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Extracción

Disolución de un componente de una mezcla (liq.-liq. o sol.-liq.) en disolvente selectivo.

Adsorción

Eliminar un componente de fase fluida mediante un sólido que lo retiene.

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Intercambio iónico

Sustitución de iones de disolución por otros con la misma carga que están en sólido.

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Operaciones Unitarias

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Hornos Sólido o fluído Radiacion. Comb.: carbón, fuel, gas.

Craqueo de nafta.

Definición Operación Ejemplos

Intercambiador de calor

Intercambio entre fluidos

Tubos concéntricosCarcasa y tubosPlacas

Uso extendido en la industria

Aerorrefrigerantes

Fluído con aire ambiente

Ventiladores, tiro inducido o forzado.

Con corrosión o el agua es cara.

Evaporadores Concentrar una disolución

Simple y múltiple efecto.

Conc. de leche, agua desanilizada

Condensadores Condensación de vapor por líquido frío.

Idem Anteriores Uso extendido en la industria.

Acumuladores de calor

Recuperar calor de corrientes de gas.

Apilamientos de materiales como ladrillos, piedras o virutas metálicas.

Hornos de fabricación de vidrio.

Placas solares Calor del sol calienta agua

Radiación atraviesa cristal que incide sobre serpentín.

Transferencia de calor

Intercambiadores de calor (1)

Doble tubo:

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Intercambiadores de calor (2)

Carcasa y tubos:

Intercambiadores de calor (3)

Placas:

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Hornos

Aerorefrigerantes

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Evaporadores

Acumulador de calor

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Placas solares

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Operaciones Unitarias

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Definición Operación Aparatos Ejemplo

Acondicionamiento de gases o

enfriamiento de líquidos.

Modifica humedad / temperatura de aire o agua.

Pone en contacto aire con agua, o con gas no sat.

Torres de enfriamiento.

Central térmica

Cristalización Formación cristal sólido en sol. líq. sobresaturada.

Actúa por sobresaturado o diferencias de temp.

cristalizadores - de tanque- evaporadores- de vacío

Purificar productos obtener cristales.

Secado Reducción de contenido de líq. en sólido.

Contacto - directo- continuo

- de bandejas- rotativos- evap. súbita

Uso extendido industrial.

Liofilización criodeshidrataci

ón

Eliminación de agua de sólido, sublimación.

Alto vacío, temp. Menor al PF del agua.

-Placas planas calientes,bandejas

Café soluble, fármacos.

Transferencia simultánea de calor y masa

Acondicionamiento de gases

Modificar humedad y temperatura de corriente de aire o de agua.

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Enfriamiento de Líquidos

Modificar humedad y temperatura de corriente de aire o de agua.

Cristalización Separación de un componente mediante la formación de sólidos cristalinos

en disoluciones líquidas sobresaturadas.

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Secado

Reducción de contenido de líquido (en general agua) en un sólido.

Liofilización

Eliminación de agua de un sólido por sublimación.

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Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Operaciones Unitarias

Circulación de fluidos: bombas

Definición Aparatos

Conducciones Transporte desde y hasta lasoperaciones del proceso.

- Canales abiertos- Sección circular: tuberías- Sección cuadrada

Compresores Incrementar la presión, pormedio del suministro deenergía mecánica.

-alternativos- rotativos- axiales

Bombas Impulsar líquidos, por medio del suministro de energía mecánica

-Centrifugas - Desplazamiento positivo:

- alternativas o de pistón- rotatorias (engranajes, aletas, excéntricas)- peristálticas- tornillo

Válvulas Regular el caudal de fluidopor una conducción

Rozamiento adicional al sistema

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Conducciones

Transporte desde y hasta las distintas operaciones del proceso.

Bombas

Impulsar líquidos, por medio del suministro de energía mecánica

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Compresores

Incrementar la presión, por medio del suministro de energía mecánica.

Válvulas

mariposa esférica (de bola)

de asiento de compuerta de retención

Regular el caudal de fluido por una conducción

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Definición Operación Aparatos Ejemplo

Fluidización y transporte neumático

Circulación de fluído por lecho sólidos

Temperatura en todos los puntos es cte.

Lecho de catalizador, ciclones.

CatalizadorTostación minerales

Filtración Separación sólido líquido y sólido gas.

Retención de partículas en placa filtrante.

- prensa/ placas- rotatorios- centrífugos etc

Aprovechar sólido, turbidez.

Sedimentación Separación sólido líquido ylíquido líquido

Diferencia de densidad, gravedad

- sedimentador- separador de grasas y aceites

Tratamiento de efluentes.

Clasificación hidráulica

Separación de una mezcla de sólidos

Diferencia de formas, tamaño y densidad .

- Tanques.- Separación neumática

Uso extendido industrial

Flotación Separación sólido líquido y sólido sólido

Diferencia de densidades y mojabilidad.

- Celda de flotación, tensoactivos.

Mineral

Centrifugación Separación de fases densidad parecida

Sistema mecánico de rotación.

- centrífugas- ciclones- hidrociclones

Uso extendido, petróleo

Transporte de cantidad de movimiento

Fluidización y transporte neumático

Circulación de fluido a través de un lecho de sólidos.

Introducción a la Ingeniería Química – 2do sem 2010 20

Filtración Circulación de fluido a través de un lecho de sólidos:

separación sólido líquido y sólido gas.

Sedimentación

Movimiento de sólidos en seno de fluidos:

separación sólido - líquido y líquido - líquido.

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Clasificación hidráulica

Suspensión

Agua

GruesosFinos

Agua

Separación de una mezcla de sólidos.

Flotación

Espumaconcentrada

Mezclasólidos

Ganga yagua

Aire

Separación sólido - líquido y sólido - sólido

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Centrifugación

Separación de dos fases de densidad parecida.

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Operaciones Unitarias

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Operaciones físicas complementarias

Definición Operación Aparatos Ejemplo

Trituración Reducción del tamaño de partícula

Grandes trozos se rompen por compresión.

Mandíbulas, rotatorias, de rodillos

Uso extendido industrial.

Molienda Reducción del tamaño de partícula.

Fricción e impacto con móviles.

Molinos de: bola, martillo, barra, chorro.

Uso extendido industrial.

Tamizado Separación por tamaños de partículas.

Pasan las partículas de menor tamaño por malla.

Malla con movimiento de vaivén o vibración.

Uso extendido industrial.

Mezclado de sólidos y pastas

Recipiente agitado vaivénPastas: paletas.

Uso extendido industrial.

Almacenaje de materiales

Para materias primas, prod. Intermedios o finales

Costo del recipiente, del material, volatilidad, etc

- A granel, silos, tolvas.-Tanques fijos techo flotante.- Gasómetros, licuados.

Trituración

Reducción del tamaño de partícula del sólido.

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Molienda

Reducción del tamaño de partícula del sólido.

Tamizado

Separación por tamaños de partículas de una mezcla sólida.

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Mezclado de sólidos y pastas

Homogenización de una mezcla sólida.

Almacenaje de materiales

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Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Operaciones Unitarias

Reactores

Propósito:

Equipos donde se llevan a cabo las reacciones químicas

Aparatos:

Reactor Batch

Reactor Continuo Agitado (RCA)

Reactor Tubular Flujo Pistón (RTFP)

Operación:

Según el modelo de flujo, reactores de mezcla perfecta – reactores de

flujo de pistón.

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Reactores

A

B

P

A

P

B

Reactor Batch

RCARTFP