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2. Análisis de Procesos:
Operaciones Unitarias
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¿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)
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¿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.
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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.
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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
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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
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Operaciones Unitarias
Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
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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.
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Destilación (cont.)
Esquema básico
Aparatos:
-col. de platos: perforados,campanas, válvulas.
- col. de relleno (packing towers).
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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
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Absorción (cont.)
Esquema básico
Aparatos:
-similar a destilación-torres de pulverización-absorbedores centrífugos
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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
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Extracción (cont.)
A- soluto a extraer
B- sólido
C- disolvente
Esquema básico
Aparatos:
- columnas de relleno- columnas horizontales con placas perforadas- Soxhlet
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Adsorción
Propósito
Eliminar un componente de fase fluida mediante un sólido que lo retiene.
Tipos
lecho fijo
cromatografía
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Adsorción (cont.)
Aparatos:
- columnas de lecho fijo en paralelo
Esquema básico
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Intercambio iónico
Propósito
Sustitución de iones de disolución por otros que están en sólido.
Tipos
resina catiónica
resina aniónica
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Intercambio iónico (cont.)
Esquema básico
Aparatos:
-dos columnas para operación y regeneración
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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
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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
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Intercambiadores de calor (1)
Doble tubo:
•Dos fluidos•Dos tubos concéntricos
Utilizado para pequeños caudales de calor
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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
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Intercambiadores de calor (3)
Grafito:
•Dos fluidos•Fluido circula por agujeros en una masa de grafito.
Utilizado con líquidos muy corrosivos
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Intercambiadores de calor (4)
Placas:
•Dos fluidos•Sustituye tubos por superficies planas con rugosidad.
Alto precio
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Intercambiadores de calor (5)
Hornos:
•Sólido ó fluido•Combustión calienta por radiación. •Combustible: carbón, fuel, gas.
Ej.: craqueo de nafta
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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.
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Intercambiadores de calor (7)
Evaporadores:
•Concentrar una disolución•Se combinan evaporadores: múltiple efecto.•Evaporador de película ascendente
Ej.: Concentración de leche, agua desalinizada
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Intercambiadores de calor (8)
Condensadores:
•Condensación de vapor mediante líquido frío.•Anteriores o pulverización con agua fría sobre tubos.
Uso extendido en la industria.
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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.
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Intercambiadores de calor (10)
Placas solares:
•Calor del sol calienta agua.
•Radiación atraviesa cristal que incide sobre serpentín.
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Operaciones Unitarias
Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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Ósmosis Inversa Propósito
Separación líquido soluto (filtración a nivel molecular)
Operación: Se basa en diferencias de presiones.
Aparatos:
-Difusión en membrana semipermeable, tipo radial.
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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
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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.
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MoliendaPropósito
Reducción del tamaño de partícula del sólido.
Operación: Por fricción e impacto con elementos móviles.
Aparatos:
-Molinos de: bolas, barras, martillos, chorros
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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.
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Mezclado de sólidos y pastas
•Equipo: Sólidos: recipiente agitado o vaivénPastas: paletas.
Propósito:
Homogeneizar mezcla sólida.
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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.
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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
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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