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Procesos Químicos y Operaciones Básicas

Introducción a la Ingeniería Química

Procesos químicos

Proceso químico: Sucesión ordenada de operaciones físicas y químicas interconectadas con las que se transforman unos productos en otros a escala industrial. Ejemplos:

Fabricación de ácido nítrico

Fraccionamiento del petróleo crudo

Gasificación del carbón

Procesos químicos

Operaciones necesarias para obtener cantidades importantes de productos químicos de interés comercial.

Proceso químico: Implica reacciones químicas y operaciones físicas.

El número de operaciones físicas y químicas implicadas en un proceso químico puede ser considerable.

Procesos químicos

TransformaciónQuímica

OPERACIONES FÍSICAS DE

SEPARACIÓN

OPERACIONES FÍSICAS DE PURIFICACIÓN

Subproductos

Productos de reacción

Recirculación de materias primas

Diseño de un producto químico

FACTOR DE ESTUDIO DEFINE

Posibilidades comerciales Capacidad de producción

Disponibilidad y costo de las materias primas

Selección de la fuente de suministro

Tecnología disponible Elección del procedimiento

Servicios auxiliares necesarios Fuentes de electricidad, vapor de agua

Consideraciones socioeconómicas Disponibilidad y coste de la mano de obra, regulaciones legales, mercado de subroducto

Normativa legal Consideraciones ambientales

Diseño de un producto químicoRentabilidad

Cambio de materias primas (una de mayor disponibilidad o pureza)

Reducción del número de operaciones, cambio de procesos discontinuos a continuos.

Disminución de la formación de subproductos. Utilización de catalizadores adecuados.

Desarrollo de procesos de separación mediante nuevas técnicas.

Otros factores que influyen en los procesos químicos

Posibilidad de generación de sustancias contaminantes. Ejemplo: Gasolina

Bioprocesos

Esfuerzos realizados por químicos de síntesis. Colaboración estrecha entre ciencia e industria.

Actualidad y perspectiva de los procesos químicos

Desde 1950 la industria química ha crecido notoriamente, debido principalmente al sector petrolero.

Los avances en diseño y construcción de equipos y el control automático han permitido un gran avance de la construcción de plantas químicas, cada vez mayores.

La economía de escala permite reducir los costos de producción y abaratar los productos

Perspectivas de desarrollo de proceso químicos

Desarrollo de nuevos productos químicos de elevada pureza con mercados especiales (farmacia y alimentos)

Mejora de los sistemas de reacción y separación. Plantas más compactas y económicas.

Avance en aspectos medioambientales y de seguridad de los procesos.

Desarrollo de tecnologías de control de proceso, gestión y control de la producción.

Los procesos químicos y el medio ambiente

Agotamiento de materias primas y recursos energéticos y deterioro del medio ambiente.

Medidas para alargar las reservas de combustibles fósiles: Reducir el consumo del petróleo como combustible a través del

uso de energías limpias y abundantes. Consecución de mayores eficacias y rendimientos energéticos

mediante la recuperación de calor de otras fases del proceso. Desarrollo de nuevas fuentes energéticas (eólica, solar,

geotérmica, fuentes de energía renovable)


Medidas para alargar las reservas de combustibles fósiles: Aprovechamiento integral de materias primas y productos

residuales. Tecnologías limpias. Diversificación de las fuentes de materias primas actuales. Del

petróleo se obtiene la mayoría de los productos químicos orgánicos básicos o intermedios.

Ejemplo de proceso químicoProducción de ácido acético a partir de

acetaldehído

Ejemplo de proceso químicoProducción de ácido acético a partir de acetaldehído

El ácido acético se puede obtener por oxidación directa del etanol, pero en general, el ácido concentrado se suele preparar a partir de acetaldehído que, a su vez, se ha obtenido por hidratación del acetileno u oxidación del etanol.

Ejemplo de proceso químicoProducción de ácido acético por oxidación en fase

líquida de hidrocarburos

La obtención de ácido acético a partir de acetaldehído es muy costosa. Se encontró que era útil la oxidación directa del butano en fase líquida a ácido acético

Se forma una serie de subproductos oxigenados dentro de los que se incluyen MEK, ácido fórmico y otros aldehídos y ésteres

Ejemplo de proceso químicoProducción de ácido acético por oxidación en fase

líquida de hidrocarburos

Aire

Butano

Compresor

REACTOR DE OXIDACIÓN

Acido fórmico

ACIDO ACÉTICO

COLUMNA DE DESTILACIÓN

CATALIZADOR


ACIDO PROPIÓNICO

CONDENSADOR

CONDENSADOR

Ejemplo de proceso químicoProducción de ácido acético por oxidación en fase líquida de

hidrocarburos

El proceso puede aplicarse a cualquier otra parafina o mezcla de parafinas como la nafta

Sin embargo puede ser más complejo el proceso de separación de los componentes

Ejemplo de proceso químicoCarbonilación del metanol

En 1925 con un rendimiento bajo se había conseguido la producción de ácido acético por reacción de metanol con monóxido de carbono utilizando ácido fosfórico como catalizador.

Sucesivamente se desarrollan nuevos catalizadores Co/I, presiones elevadas 500 – 650 atm y temperaturas de 220 – 250ºC. Conversión de metanol de 90%


En 1969 se descubrió un catalizador homogéneo formado por Rh/I (Monsanto) hizo que se convirtiera en el proceso más importante actualmente. Se trabaja en fase líquida y en condiciones de operación menos severas (150 – 200ºC y 30 –65 atm). Con conversión del 99%.


CO

Metanol

Compresor

REACTOR CATALÍTICO

ACIDO ACÉTICO


CATALIZADOR

COLUMNA DE DESTILACIÓN FLASH Impurezas

CONDENSADORRhI3

EXPANSIÓN

Recirculación del catalizador

Tendencias en los procesos químicos

Uso de materias primas abundantes y baratas con moléculas sencillas

Catalizadores cada vez más activos y selectivos.

Número de etapas más reducido

Condiciones de operación más severas.

Uso de enzimas inmovilizadas y biocatalizadores

Taller

En el tratamiento de aguas residuales se pueden distinguir hasta cuatro etapas que comprenden procesos químicos, físicos y biológicos:

- Tratamiento preliminar, destinado a la eliminación de residuos fácilmente separables y en algunos casos un proceso de pre-aireación.

- Tratamiento primario que comprende procesos de sedimentación y tamizado.

- Tratamiento secundario que comprende procesos biológicos aerobios y anaerobios y físico-químicos (floculación) para reducir la mayor parte de la DBO.

- Tratamiento terciario o avanzado que está dirigido a la reducción final de la DBO, metales pesados y/o contaminantes químicos específicos y la eliminación de patógenos y parásitos.

Taller para la casa

Estudiar y describir el proceso químico de obtención de algún producto. Dibujar su diagrama de flujo

Operaciones Básicas de los Procesos Químicos

Concepto de operación básica

Operación básica o unitaria es cada una de las operaciones o etapas individuales que permiten llevar a cabo un proceso químico industrial.

Las operaciones se repiten en diferentes procesos químicos y se basan en principios científicos comunes y tienen técnicas de cálculo semejantes independientemente de la industria en que se apliquen.

Concepto de operación básica

• Son esencialmente las mismas con independencia del proceso en el que se apliquen.

• Permite estandarizar la educación en ingeniería química: diseño de equipos con el mismo fundamento para procesos distintos.

• Técnica de cálculo similares

• Principios científicos comunes: Transporte de cantidad de movimiento, transmisión de calor y Transferencia de materia

Clasificación en función del modo de operación

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS RESPECTO A LAS DISCONTINUAS

VENTAJAS:

- Economía de escala (grandes producciones)

- Fácil recuperación o aportación de calor

- Reducción de la mano de obra (automatización)

- Eliminación de tiempos muertos (carga y descarga)

- Mayor uniformidad de los productos

- Mayor producción por unidad de volumen

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS RESPECTO A LAS DISCONTINUAS

DESVENTAJAS:

- Se requiere uniformidad de composición de materiasprimas y reaccionantes

- Difícil versatilidad (adaptación de la producción al consumo

- Arranque y parada complicada (grandes instalaciones)

- Equipo de instrumentación y control costoso

Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas

Ejemplos de operaciones continuas son las implicadas en la obtención de productos a gran escala (etileno, benceno, amoníaco, etc.)

Ejemplo de operaciones discontinuas son la filtración en la industria agroalimentaria, la cristalización en la producción de sal, los reactores de fabricación de colorantes y productos farmacéuticos o el templado del acero

Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas

Ejemplo de operaciones semicontinuas son la lixiviación de minerales o el secado de materiales en corriente de aire.

En general es más rentable operar bajo condiciones continuas, sin embargo, gracias a la evolución tecnológica es importante analizar cada caso para evaluar la mejor manera de obtener los productos deseados.

Clasificación en función del contacto entre fases

Un gran número de operaciones unitarias implican la transferencia entre dos o más fases inmiscibles, es decir el paso de algunos componentes de una fase a otro. Son ejemplo de esto la extracción con disolventes y la destilación.


Ejemplos de operaciones de contacto discontinuo son las columnas de platos o pisos.

La mayor parte de las operaciones de separación industriales se desarrollan con contacto continuo. Ejemplos de estas son los reactores de lecho fijo y fluidizado.

Clasificación en función del tipo de circulación

El éxito de muchas operaciones depende de las características de la circulación de la circulación de las fases a través del equipo.

Las operaciones se clasifican en flujo en paralelo, contracorriente y cruzado.

Clasificación en función del tipo de circulación

Clasificación de las operaciones básicas de separación


Operaciones gas-líquidoylíquido-vapor

Absorción-desorción:

Consiste en la transferencia selectiva de uno o más componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente líquido de reducida volatilidad o viceversa.


Rectificación:

En la destilación el contacto se realiza entre unamezcla en faselíquidayunamezcla en fasevaporgeneradaporebullición del líquidoperoque no se encuentraninicialmente en el equilibrio, a consecuencia de ello, la fasevapor se condesaparcialmentey la faselíquida se vaporizatambiénparcialmente de modoquetras el contacto entre ambas el vapor se enriquece en los componentesmásvolátiles de la mezclay el líquido lo hace en los menosvolátiles.


Operaciones de interacción aire-agua: Humidificación y deshumidificación de aire y enfriamiento de agua:

En ellas el vapor de agua (equivalente al componentevolátilpasa de unafase a otra con el consiguienteefectotérmico del elevadocalorlatente de vaporización/condesación.


Evaporación:

Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación es que sólo hay un componente volátil.


Operaciones líquido-líquido:

Extracción: Se ponen en contacto dos mezclas líquidas inmiscibles con objeto de transferir uno o varios componentes de una fase a otra.


Operacioneslíquido-sólido:

Lixiviación: es una extracción líquido-sólido, es la separación de uno o varios solutos contenidos en una fase sólida mediante su contacto con un disolvnte líquido que lso disuelve selectivamente.


Adsorción: esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de una mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie de un sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la absorción donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido aquí los componentes se incorporan slamente a la superficie de la fase receptora.


Intercambio iónico: Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del líquido al sólido son especies iónicas en la fase líquida.

Cristalización: aquí se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la temperatura y/o en la concentración.

Secado: en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por vaporización.

Variables de diseño de las operaciones básicas

Las operaciones básicas de la industria química implicar un un número elevado de variables de diseño (V) Vc: Variables de construcción, características de los elementos que

conforman el sistema. Vi: Variables intensivas (presión, temperatura y concentración, que

son independientes de la cantidad de materia) y Ve: variables extensivas (caudales, que dependen de la cantidad de materia, ej. el volumen. ) caracterizan a las corrientes que entran o salen de dichas etapas.

V=Vi+Ve+Vc


Las variables se encuentran ligadas entre sí por las leyes de equilibrio, las leyes cinéticas y de conservación de materia, energía y cantidad de movimiento.

Esto permite generar un conjunto de ecuaciones independientes (E) cuyo número es normalmente menor que el de las variables a determinar, de modo que el sistema obtenido consta de más incógnitas que ecuaciones.

A algunas variables hay que fijarles el valor. A estas se les denomina variables de diseño (Vd) y las que se calculan a partir de las mismas variables de estado (Ve).


Cálculo del número de variables de diseñoPara una etapa aisladaVD=V-E= (Vi+Ve)-(Ei+Ee)+Vc

=(Vi-Ei)+(Ve-Ee)+Vc

Vi-Ei: se denomina libertades o grados de libertad(L), para un sistema en equilibrio:

L = (C+2)-FC= Número de componentesF= Número de fases que lo integran


Las variables (intensivas) necesarias para describir el sistema son la presión (+1), la temperatura (+1) y las fracciones molares relativas de los componentes en cada fase (+F(C-1)) de cada uno de los componentes de cada fase, eso nos da un número máximo de grados de libertad m = F(C-1)+2 para un sistema cualquiera.

La condición termodinámica importante es que en equilibrio el cambio de la energía libre de Gibbs cuando se producen pequeñas transferencias de masa entre las fases es cero. Esa condición equivale a que el potencial químico de cada componentes sea el mismo en todas las fases, eso impone r = C(F-1) restricciones o ecuaciones más para un sistema en equilibrio.

La regla de Gibbs para el equilibrio afirma precisamente que L = m - r = C - F + 2.

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi?n

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://es.wikipedia.org/wiki/Fracci?n_molar

http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ?a_libre_de_Gibbs

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_qu?mico

Cálculo del número de variables en una etapa de contacto

VL0

LV0

Qneto

VL0

LV0

Qneto

Cálculo del número de variables en una etapa de contacto

Etapa de equilibrio

Letapa= Σlsistemas = 2(C+1)+C=3C+2

Existen 4 corrientes monofásicas, pero con dos de ellas ligadas por las (C+2) relaciones correspondientes

Ve= cuatro caudales de materia y uno de energía: 5

Ee= C, componentes y cantidad de movimiento y energía:

C+2

VD=(3C+2)+(5-(C+2))+0= 2C+5

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