2. Análisis de Procesos:

Operaciones Unitarias

¿Qué es un Proceso Químico?Un proceso químico es un conjunto de operaciones químicas y físicas

ordenadas para la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes.

Proceso para la producción de BIODIESEL(metilester o ésteres metílicos de ácidos grasos)

¿Qué es una Operación Unitaria?

Una operación unitaria es cada una de las accionesnecesarias de transporte, adecuación y/o transformación

implicadas en un proceso químico.

Procesos / OperacionesTodo proceso químico puede descomponerse en una serie

ordenada de operaciones unitarias. El número de estas operaciones básicas no es muy grande y generalmente sólo unas cuantas de ellas intervienen en un

proceso determinado.

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 de transferencia:

difusión, en el caso de la transferencia de masa,

gradiente de concentración

controladas por el equilibrio

controladas por la cinética del proceso

conducción, convección y/o radiación, en el caso de transferencia de calor, gradiente de temperatura

rozamiento, en el caso de la transferencia de cantidad de movimiento, gradiente de velocidad

Operaciones Unitarias

Operaciones Unitarias

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Destilación

Propósito

Separación de componentes de una mezcla líquida en base a sus presiones de vapor

Tipos

Simple

Súbita

Rectificación

Extractiva

Azeotrópica

Por arrastre de vapor.

Destilación (cont.)

Esquema básico

Aparatos:

-col. de platos: perforados,campanas, válvulas.

- col. de relleno (packing towers).

Absorción

Propósito

Purificar gas de un componente poniendo en contacto con líquido

Tipos

Desorción (“stripping”) : gas disuelto en

líquido se elimina por arrastre de gas inerte

Absorción (cont.)

Esquema básico

Aparatos:

-similar a destilación-torres de pulverización-absorbedores centrífugos

Extracción

Propósito

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

• líquido – líquido

• sólido – líquido (percolación , lixiviación o lavado)

Tipos

contacto por etapas (simple o contracorriente)

contacto continuo

Extracción (cont.)

A- soluto a extraer

B- sólido

C- disolvente

Esquema básico

Aparatos:

- columnas de relleno- columnas horizontales con placas perforadas- Soxhlet

Adsorción

Propósito

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

Tipos

lecho fijo

cromatografía

Adsorción (cont.)

Aparatos:

- columnas de lecho fijo en paralelo

Esquema básico

Intercambio iónico

Propósito

Sustitución de iones de disolución por otros que están en sólido.

Tipos

resina catiónica

resina aniónica

Intercambio iónico (cont.)

Esquema básico

Aparatos:

-dos columnas para operación y regeneración

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Cuadro de Transmisión de Calor

Operación Conducción Convección Radiación

Aislamiento térmico

Aislantes refractarios

Camisas de vacío Espejos de radiación

Calefacción o refrigeración de fluidos

Intercambiadores de calor

IntercambiadoresPlacas solares

Hornos

Evaporación o condensación

EvaporadoresCondensadores

Intercambiadores de calor (1)

Doble tubo:

•Dos fluidos•Dos tubos concéntricos

Utilizado para pequeños caudales de calor

Intercambiadores de calor (2)

tubos: Carcasa y

•Dos fluidos•Carcasa cilíndrica con cabezal,en el interior haz de tubos de pequeño diámetro, paralelo al eje del cilindro.

Utilizado ampliamente en la industria

Intercambiadores de calor (3)

Grafito:

•Dos fluidos•Fluido circula por agujeros en una masa de grafito.

Utilizado con líquidos muy corrosivos

Intercambiadores de calor (4)

Placas:

•Dos fluidos•Sustituye tubos por superficies planas con rugosidad.

Alto precio

Intercambiadores de calor (5)

Hornos:

•Sólido ó fluido•Combustión calienta por radiación. •Combustible: carbón, fuel, gas.

Ej.: craqueo de nafta

Intercambiadores de calor (6)

Aero refrigerantes:

•Fluido con aire ambiente•Aire circula por ventiladores, tiro inducido o forzado

Ej.: Cuando puede haber corrosión o el agua es cara.

Intercambiadores de calor (7)

Evaporadores:

•Concentrar una disolución•Se combinan evaporadores: múltiple efecto.•Evaporador de película ascendente

Ej.: Concentración de leche, agua desalinizada

Intercambiadores de calor (8)

Condensadores:

•Condensación de vapor mediante líquido frío.•Anteriores o pulverización con agua fría sobre tubos.

Uso extendido en la industria.

Intercambiadores de calor (9)

Acumuladores de calor:

•Recuperar calor de corrientes de gas.

•Apilamientos de materiales como ladrillos, piedras o virutas metálicas.

Ej.: Hornos de fabricación de vidrio.

Intercambiadores de calor (10)

Placas solares:

•Calor del sol calienta agua.

•Radiación atraviesa cristal que incide sobre serpentín.

Operaciones Unitarias

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Acondicionamiento de gases Propósito

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

• el enfriamiento de líquidos tiene la misma base conceptual

Aparatos:

-Torre de enfriamiento

Operación: Pone en contacto aire (sat., no sat.) con agua, o con gas más frío no saturado.

Cristalización Propósito

Formación sólidos cristalinos en disoluciones líquidas sobresaturadas.

Operación: Magma, nucleación y crecimiento. Actúa por sobresaturación o diferencias de temperatura

Aparatos:

-Cristalizadores de tanque-Cristalizadores evaporadores-Cristalizadores de vacío

Operación: Contacto directo (de la fuente de calor con el sólido) ócontacto indirecto (análogo a evaporación).

Aparatos:

-Secadores de bandejas-Secadores rotativos-Secadores de evaporación súbita

Secado Propósito

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

LiofilizaciónPropósito

Eliminación de agua de un sólido por sublimación.

• también se denomina crio deshidratación

Operación: Alto vacío, temperatura por debajo del punto de fusión del agua.

Aparatos:

-Placas planas calientes en bandejas con el material a liofilizar

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Fluidización y transporte neumático Propósito

Circulación de fluido a través de un lecho de sólidos.

Operación: Con alto caudal de fluido el lecho se suspende, la temperatura en todos los puntos es constante.

Aparatos:

-Lecho catalizador-Ciclones-Tornillo

Filtración Propósito

Circulación de fluido a través de un lecho de sólidos: separación sólido líquido y sólido gas.

Operación: Se separa sólido del fluido por retención de partículas en placa filtrante.

Aparatos:

-Filtro prensa-Filtros rotatorios-Filtros centrífugos-Filtros mangas-Electro filtros-Filtros de impacto-Ósmosis inversa

Sedimentación Propósito

Movimiento de sólidos en seno de fluidos: separación sólido - líquido y líquido - líquido.

Operación: Se separan por diferencia de densidad, acción gravitatoria.

Aparatos:

-Sedimentador con espesador y decantador.-Separador de grasas y aceites.

Clasificación hidráulica Propósito

Separación de una mezcla de sólidos.

Operación: Se basa en la diferencia de formas, tamaño y densidad por acción gravitatoria.

Aparatos:

-Se efectúa en medio acuoso en tanques.-Si es en aire, separación neumática

Suspensión

Agua

Agua

Gruesos Finos

Flotación Propósito

Separación sólido - líquido y sólido - sólido.

Operación: Se basa en diferencia de densidades y mojabilidad, entre líquido y sólido recubierto de burbujas de aire.

Aparatos:

-Celda de flotación, se utilizan aditivos (tenso activos)

Espuma

concentrada

Mezcla

sólidos Ganga y

agua

Aire

Centrifugación Propósito

Separación de dos fases de densidad parecida.

Operación: Crea un campo de fuerza centrífuga mediante sistema mecánico de rotación.

Aparatos:

-Centrífuga.-Ciclones-Hidrociclones

Ósmosis Inversa Propósito

Separación líquido soluto (filtración a nivel molecular)

Operación: Se basa en diferencias de presiones.

Aparatos:

-Difusión en membrana semipermeable, tipo radial.

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

Trituración Propósito

Reducción del tamaño de partícula del sólido.

Operación: Grandes trozos se rompen por compresión.

Aparatos:

-Trituradoras: de mandíbula, rotatorias, de rodillos lisos, de rodillos dentados.

MoliendaPropósito

Reducción del tamaño de partícula del sólido.

Operación: Por fricción e impacto con elementos móviles.

Aparatos:

-Molinos de: bolas, barras, martillos, chorros

TamizadoPropósito

Separación por tamaños de partículas de una mezcla sólida.

Operación: Pasan las partículas de menor tamaño por malla de paso definido.

Aparatos:

-Malla con movimiento de vaivén o vibración.

Mezclado de sólidos y pastas

•Equipo: Sólidos: recipiente agitado o vaivénPastas: paletas.

Propósito:

Homogeneizar mezcla sólida.

Almacenaje de materialesPropósito:

Para materias primas, productos intermedios o finales.

Operación: Consideraciones de costo del recipiente, del tipo de material, volatilidad, etc.

Aparatos:

Sólidos: a granel, silos, carga por tolvas.

Líquidos: tanques fijos o techo flotante.

Gases: gasómetros, licuados.

Transferencia de masa

Transferencia de calor

Transferencia simultánea de calor y masa

Transporte de cantidad de movimiento

Operaciones físicas complementarias

Reactores

ReactoresPropósito:

Equipos donde se llevan a cabo las reacciones químicas

Operación: Según el modelo de flujo, reactores de mezcla perfecta –reactores de tanque agitado.

A

B

P

Aparatos:

Reactor Batch

Tanque continuo agitado

Reactor tubular

A

P P

A

B

B