Quiz 2 Procesos Quimicos

Página 1. Operaciones unitarias en los procesos químicos

OPERACIONES UNITARIAS: Estas tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa (reactivos) para conseguir una finalidad (productos).

Esta modificación se puede conseguir:

- Modificando su masa o composición.

- Modificando su nivel o cantidad de energía.

- Modificando las condiciones de movimiento: velocidad.

El estado de un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas la cantidad de materia y composición, cuando conocemos su energía y cuando conocemos las componentes de la velocidad con las que dicho cuerpo está en movimiento; Estas magnitudes están determinadas por la ley de conservación de la materia, energía y cantidad de movimiento. Para transformar una cantidad de materia se producen transformaciones simultáneas de dos o más de estas propiedades, estas propiedades aunque se den simultáneamente, por lo general es una de ellas la que predomina sobre las otras.

De este modo para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que predomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos:

- Operaciones unitarias físicas.

- Operaciones unitarias químicas.

Operaciones unitarias físicas: Tienen estas transferencias básicas;

- De transferencia de materia.

- De transferencia de energía.

- De transferencia simultánea de materia y energía.

- De transferencia de cantidad de movimiento.

- Complementarias.

En todas las operaciones unitarias hay en común el concepto de fuerza impulsora, la cantidad de la propiedad transferida por unidad de tiempo y por superficie, la cual es igual a la fuerza impulsora iniciado por la resistencia que se opone.

Vamos a estudiar la fuerza impulsora para los tres tipos de propiedades. Materia: la fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones... en el seno del fluido que estemos estudiando.

Energía: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la masa.

Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre dos zonas del fluido.

Operaciones unitarias químicas: La fuerza impulsora hay que considerarla en relación al aspecto termodinámico (lo que nos indica el avance de la reacción es G<0). En relación con el aspecto cinético, la velocidad de la reacción química depende de la temperatura y de las concentraciones de los reactivos.

Operaciones Unitarias físicas regidas por transferencia de materia: Están basadas en un fenómeno denominado difusión en donde las masas se ponen en movimiento o intentan mezclarse como consecuencia de que existen en el fluido gradientes de concentración; Cuando se colocan dos fases que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinado componente lo que ocurre es que dicho componente se transfiere de una a otra intentando alcanzar el equilibrio. Aprovechando el fenómeno de la difusión se ponen en contacto fases distintas y lo que sucede es que los componentes van a intentar igualarse y se realiza el diseño de aparatos para lograr dicha separación, esta separación puede tener dos objetivos:

- Separar una sustancia que esté impurificando un fluido.

- Separar un compuesto que tenga un valor intrínseco mayor estando por libre.

También es posible la separación basándonos en la diferencia de velocidades de difusión a través de una membrana porosa, es necesario realizarlo en repetidas ocasiones y no siempre es más corriente la separación por transferencia entre fases.

Página 2. Operaciones unitarias en los procesos químicos_1

Destilación

Es la operación unitaria más utilizada en ingeniería química y consiste en separar 2 o más componentes de una mezcla líquida aprovechando sus diferencias en cuanto a la presión de vapor; Se supone una sustancia líquida a una determinada temperatura, parte de las moléculas de esta sustancia debido a que no todas tienen la misma velocidad, rompen la atracción de las moléculas del líquido y pueden pasar a la fase gaseosa; En la fase gas no todas las moléculas van a tener la misma energía, aquellas moléculas de las fase gaseosa con menor energía podrán ser atrapadas por el líquido y tendremos una situación de equilibrio entre el líquido y el gas; El manómetro no va a variar e indica la cantidad máxima de moléculas del líquido que podemos tener en la fase de vapor, existe la misma velocidad en las moléculas de líquido a vapor como de vapor a líquido.

La presión de vapor depende de la temperatura a que trabaje, de la naturaleza de la sustancia, las sustancias con menor tendencia a pasar a gas son menos volátiles, la cantidad máxima de moléculas en fase gas viene dada por la presión de vapor.

La mezcla líquida conseguirá separar los compuestos por su volatilidad, la presión de vapor es muy dependiente de la temperatura, a mayor temperatura mayor presión de vapor, hasta que esta se iguale con la presión exterior (1 atmósfera), en este punto el líquido comienza a ebullir, sí la mezcla está constituida por 2 componentes se llama mezcla binaria, sí hay más de 2 componentes se denomina mezcla multicomponente.

Destilación simple: Cuando el líquido está contenido en un recipiente denominado calderín, calentamos el líquido en su parte inferior, al calentar el líquido este se va evaporando y este vapor es expulsado; Es una destilación Discontinua.

Cuando tenemos una destilación simple continua, donde constantemente introducimos líquido en el calderín. También se calienta, pero en este caso también sale líquido además de vapor. El líquido que queda en el calderín se mantiene constante.

Destilación súbita o flash : el alimento se introduce a temperatura elevada, se le da calor externamente y se mantiene a una presión elevada pero sin que llegue a ebullición, entonces se pasa el líquido regulando la entrada en la columna con una válvula; Dentro de la columna se produce una expansión de los componentes más volátiles, y también una fase líquida más rica en los compuestos más volátiles, en este caso no existe caldera, estarán en equilibrio los componentes de vaporización y líquido dependiendo de las condiciones de entrada.

Regla de las fases: Enunciada por Josiah Willard Gibbs en el siglo XIX dice la relación que existe entre el número de componentes independientes, el número de fases y el de posibilidades de variación de un sistema en equilibrio.

- Componentes:C; número mínimo de sustancias que hay en el sistema y que son suficientes para definirlo.

- Fase:F; parte homogénea con las mismas propiedades y composición.

- Libertades:L; número de factores que pueden influir en el equilibrio y que pueden ser variables sin que se altere dicho equilibrio (P, T, composición).

F + L = C + 2

Disoluciones ideales: Dos componentes se ponen en contacto y no se produce intercambio de calor (disolución ideal). Un soluto con poca tendencia a pasar a vapor y un disolvente con tendencia a pasar a vapor. Se puede predecir la presión correspondiente a la disolución:

P1 = P1° X1

X1 = n1/nT

Rectificación: La destilación con reflujo se llama rectificación; la condensación se realiza por medio de agua fría o serpentín, primero se ponen en contacto el vapor ascendente con el líquido descendente, a medida que vamos subiendo los vapores van siendo más ricos en el componente más volátil mientras que en el calderín, a medida que bajamos, el líquido es más rico en el componente menos volátil.

Alimentación = Destilado + Residuo

Por el serpentín del calderín se hace pasar una corriente que se encuentre a mayor temperatura de manera que se de la vaporización, La alimentación se coloca directamente en el calderín y se va consumiendo de manera que desaparece todo en forma de destilado.

D. extractiva y D. azeotrópica: Se añade un tercer componente que en el caso de la extractiva separa los dos componentes al formar un residuo con uno de los componentes y el otro queda como destilado; En el caso de la destilación azeotrópica, el tercer componente forma un azeótropo con uno de los otros dos, disminuye la presión de vapor de uno de ellos saliendo como residuo o destilado. Estos métodos requieren de una posterior separación.

Destilación por arrastre de vapor: Se inyecta vapor de agua recalentado a la mezcla binaria que se quiere separar, sobre todo cuando uno de los componentes se degrada con el vapor; Este vapor reduce la presión parcial de los componentes a destilar con lo que la temperatura de vaporización es menor, el agua no llega a condensar y por lo tanto sale de la columna acompañando al destilado y por lo tanto se requiere una posterior separación del destilado del agua.

Aparatos empleados en la destilación

- Columnas de destilación : recipientes cilíndricos, verticales, con una entrada lateral por la que se introduce la alimentación, en la parte superior tiene una salida para extraer los vapores que posteriormente se van a condensar dando el destilado, en la parte inferior existe otro orificio por el cual se retira el residuo que va quedando de la destilación, en algunas columnas también existen diversas entradas laterales para introducir la alimentación a distintas alturas, el alimento que se introduce en muchas ocasiones suele estar precalentado para no tener que calentar mucho el calderín, en la columna pretendemos poner en contacto lo más posible el líquido y el vapor.

- Columnas de platos (contacto por etapas) : los platos retienen una cierta cantidad de líquido en su superficie de manera que se hace borbotear el vapor que procede de la caldera y así se produce un buen intercambio, en el plato no se encuentra en equilibrio el líquido y el vapor. De ese borboteo se produce un vapor más rico en el componente más volátil y el líquido cada vez es más rico en el componente menos volátil, Este proceso se produce repetidas veces. Los platos más corrientes suelen tener un rebosadero en la parte lateral, el paso de vapor tiene lugar por medio de los borboteadores (de válvula o de campana); La eficacia de estos platos no alcanza el 100% y por tanto se puede medir en una instalación industrial.

- Columnas de relleno: es una forma alternativa de poner en contacto el vapor con el líquido. Para ello suele tener una pequeña relación diámetro-altura. Colocamos una serie de superficies con orientación arbitraria. Las características de los sólidos que se colocan en el interior de la columna son:

- Peso pequeño.

- Gran superficie de contacto.

- No se compacta.

- Buena resistencia mecánica.

- Resistente a la corrosión.

Aplicaciones de la destilación

- Industria petroquímica.

- Recuperación de disolventes.

- Fabricación de bebidas alcohólicas.

Absorción

Es una operación unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto un gas con líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas.

Desorción

Operación continúa a la absorción y en ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del líquido inicial. En algunas ocasiones la desorción también se emplea para determinar la destilación súbita.

La transferencia de materia tiene lugar porque la presión parcial del componente gaseoso en la fase líquida es menor que la presión que tendría una disolución en fase líquida con ese gas. Esto se basa en la ley de Henry que nos indica la máxima solubilidad de un gas en líquido.

Los aparatos empleados en estas técnicas son columnas en las que no se requiere caldera y tampoco hace falta colocar ningún refrigerante. Dos tipos:

- Columnas de relleno.

- Columnas de platos.

Se diferencian de las anteriores en que se colocan dispositivos para facilitar el contacto entre las fases. Se colocan en la parte superior torres de pulverización. También se hace pasar el líquido a presión por la parte superior. El gas se introduce por la parte inferior y se dice que líquido y gas van a contracorriente. También hay unos absorbedores especiales, los centrífugos, en los que se aplica una energía cinética adicional por rotación al líquido.

Los procesos químicos en los que se aplica la absorción es la eliminación de gases ácidos; secado del cloro (con H2SO4).

Extracción

Está basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla en un disolvente selectivo. La mezcla puede ser líquida o sólida:

- Extracción líquido-líquido: Se requiere que los dos líquidos que se ponen en contacto sean inmiscibles. Representa una solución ventajosa con relación a la destilación porque permite extraer varias sustancias que tengan un grupo funcional parecido. Para no utilizar la destilación con arrastre de vapor se emplea este método.

- Extracción sólido- líquido: también llamada lavado, lixiviación, percolación... Si pretendemos un componente no deseado de un sólido se denomina lavado. Lixiviación se emplea cuando se desea extraer un componente valioso. Percolación se emplea para indicar que existe el vertido de un líquido sobre un sólido.

El fundamento de la extracción líquido-líquido requiere que los dos líquidos no sean miscibles, por ello la extracción depende del coeficiente de reparto. Cuando un soluto se disuelve en dos líquidos no miscibles en contacto entre si, dicho soluto se distribuirá en cada uno de los líquidos en proporción a la solubilidad en cada uno de ellos.

Utensilios de extracción líquido-líquido

- Columnas de relleno: han de utilizarse en contracorriente. Por arriba alimentación y por abajo disolvente.

- Columnas pulsadas: dotadas de movimiento de agitación, es decir, columnas girando alrededor de ellas.

- Columnas pulsadas horizontales: suelen tener placas perforadas (fig.7).

- Tanques agitadores: mezcladores combinados con decantadores que se colocan a continuación.

Aplicaciones de la extracción

La extracción líquido-líquido se utiliza en la industria del petróleo para la extracción del asfalto mediante propano líquido.

La extracción sólido-líquido tiene las siguientes aplicaciones: obtención de aceites y grasas animales y vegetales, obtención de extracto de materia vegetal y animal. Industria minera (lixiviación), obtención de azúcar a partir de la remolacha.

Adsorción

Operación unitaria física regida por la transferencia de materia. Consiste en la eliminación de algún componente de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. El fluido puede ser un líquido o un gas. La adsorción es un fenómeno de superficie. En la superficie del sólido se dan interacciones que hacen que las moléculas del fluido queden retenidas. Si son retenidas mediante un enlace químico fuerte se denomina quimisorción. Si son retenidas mediante una interacción débil se denomina fisisorción. El fenómeno contrario a la adsorción se denomina desorción .

Los sólidos empleados han de tener una gran superficie de adsorción como es el caso del carbón activo, gel de sílice, alúmina activada. Para que por ejemplo se de la adsorción tenemos 1 gramo de carbón activo que presenta una superficie de 1000 m ².

En algunos casos la adsorción se denomina percolación ya que tengo una fase fluida y un sólido, pues este nombre se usa cuando el fluido es un líquido.

Colocamos el sólido en el interior de la columna formando el lecho fijo, a medida que se hace circular el gas o el líquido a través del sólido se va absorbiendo una determinada sustancia hasta el punto de saturación, en ese punto se dice que se ha llegado a la colmatación. Entonces el sólido ya no puede absorber mayor cantidad del fluido, por ello necesito regenerar este sólido, esto hace que la operación de adsorción se realice en forma semicontinua, es decir, hemos de colocar 2 columnas en paralelo (con sus lechos), y alternativamente hago pasar el fluido primero por una, hasta llegar a la colmatación y luego por la otra.

Mientras la columna está parada se realiza la desorción con agua, disolvente, gas inerte o aire. De esta forma el sólido vuelve a tener capacidad para la adsorción.

Esta forma de actuar es el fundamento de la cromatografía: la mayor o menor tendencia de un sólido a retener un fluido. A nivel industrial se emplea para secar corrientes de gases de su humedad. Se emplea un lecho de gel de sílice. También se emplea en la eliminación de olores, decoloración de líquidos. Para recuperar disolventes contaminantes.

Intercambio iónico

Es una operación unitaria física regida por transferencia de materia que consiste en la sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros que inicialmente forman parte de la llamada resina de intercambio iónico.

En toda operación que hay intercambio iónico hay reacción química, una reacción química lo suficientemente rápida que lo que rige la velocidad del proceso es la diferencia de concentraciones entre los componentes (difusión). Las resinas son neutras y formadas por iones; al ponerse en contacto con el fluido se produce un intercambio iónico que produce dos tipos de resinas:

- Resinas catiónicas: el anión es fijo e intercambian el catión.

- Resinas aniónicas: el catión es fijo e intercambian el anión.

Se emplean en el tratamiento de aguas: para ablandar el agua se sustituyen Mg ²+, Ca ²+. La resina en este caso debe ser catiónica con catión Na + que es más soluble que los otros dos lo que facilita su eliminación.

Para regenerar la resina empleamos cloruro sódico y lo hacemos pasar por la disolución.

También se emplea en la desionización o desmineralización de aguas: se colocan 2 columnas (catiónica y aniónica) consecutivas. La catiónica hará el intercambio con protones, la aniónica lo hará con los aniones dando OH-. La resina catiónica se regenera con HCl y la aniónica se regenera con NaOH. Al final se añade un tampón para que el agua sea neutra.

Fenomenos de transferencia de calor.

Operaciones Unitarias físicas regidas por transferencia de calor: Son solo una parte de aquellas que están regidas por un intercambio de energía.

- Aislamiento térmico.

- Calentamiento (o enfriamiento) de fluidos: intercambio de calor sin cambio de fase.

- Evaporación, condensación, sublimación (liofilización), solidificación (cristalización): intercambio de calor con cambio de fase. La sublimación y la solidificación se engloban dentro de las O.U.F. regidas por transferencia simultánea de materia y calor.

Mecanismos de transferencia de calor

Siempre se realiza cuando existe una diferencia de temperatura y el mecanismo de esta transferencia de calor se divide en:

Conducción: Para que haya conducción se requiere un medio material continuo que no esté vacío, sí existe un gradiente de temperatura, el calor fluye en un sentido decreciente de mayor a menor temperatura; Esto no implica que existe simultáneamente ningún desplazamiento de materia a nivel macroscópico. Este fenómeno recibe el nombre de conducción molecular. Si el medio material son gases o líquidos, puede producirse un desplazamiento a nivel molecular de moléculas individuales. En el caso de que sean sólidos metálicos, a nivel molecular se produce por electrones libres. Si son iones sólidos se produce por la vibración de los iones o moléculas que constituyen el sólido.

Convección: Un fluido, como consecuencia de tener una masa y una velocidad, puede transportar una cantidad de movimiento. Además, en virtud de su temperatura, es capaz de portar una energía. Estrictamente hablando la convección es el transporte de energía por movimiento del medio.

En ingeniería hay una explicación más general del término convección. Convección se emplea con el fin de incluir la transferencia de calor desde una superficie a un fluido que se encuentra en movimiento. A este fenómeno se le denomina transferencia de calor por convección. Esta convección puede ser natural o forzada.

En el caso de la natural solo actúan fuerzas de flotación en el fluido, las cuales están generadas por las diferencias de densidades que aparecen en el fluido. Las forzadas aparecen cuando ponemos dispositivos mecánicos que comunican al fluido energía poniéndole en movimiento; los dispositivos mecánicos pueden ser bombas, agitadores...

Un sólido solo puede recibir o transmitir calor por conducción. En la conducción se requería una transmisión de calor a nivel molecular, mientras que en la convección está basada en el movimiento del fluido.

Radiación: La emisión por radiación se realiza por ondas electromagnéticas. Si la radiación se realiza en el vacío, no se transformará en calor ni en ninguna otra forma de energía. Pero si la radiación incide sobre un medio material, y es absorbida por él, la radiación se transforma en calor y estará suministrando energía al medio material pudiendo producir reacciones fotoquímicas o cualquier otro fenómeno.

Se estudia separadamente de la conducción y convección. El fenómeno de la radiación solo tiene importancia a nivel industrial a elevadas temperaturas.

Aparatos utilizados en la transferencia de calor

Los aparatos que se utilizan tienen que ver con el aislamiento térmico, calentamiento o enfriamiento de fluidos y con la evaporación y condensación y con los mecanismos que se utilizan.

OPERACIONES CONDUCCION CONVECCION RADIACION

aislamiento térmico aislantes refractarios camisas de vacío espejos de radiación

calentamiento o enfriamiento de fluidos intercambiadores de calor placas solares hornos

evaporación evaporadores

condensación condensadores

Los que tienen mayor aplicación son los intercambiadores de calor, que son aparatos cuyo objetivo es crear una corriente de fluido a una determinada temperatura. Para lograr esto se calienta o refrigera dicha corriente.

Los fluidos (líquido, gas) circulan a través de una superficie en la cual intercambian el calor. Dentro de una instalación, en los intercambiadores de calor se dan varios procesos a la vez como consecuencia de que se emplea la refrigeración de unos para el calentamiento de otros (se minimiza el gasto de energía),Se emplean en refrigeraciones petroquímicas.

Los factores que se deben considerar en la elección de un intercambiador de calor son:

- Temperatura a la que se trabaja.

- Estado del fluido (vapor o líquido).

- Presión a la que se someten los fluidos.

- Pérdidas de presión en los intercambiadores.

- Caudal del fluido (vol. /s).

- Acción corrosiva del fluido tratado.

- Posibilidad del sistema de ensuciarse, que supone pérdida de calor.

- Tamaño posible de la instalación.

Tipos de intercambiadores de calor

1. Intercambiadores de calor de doble tubo:Constituidos por dos tuberías concéntricas, por cada una de ellas circula un fluido. El intercambio de calor tiene lugar a través de la pared que pone en contacto a ambos fluidos. Esto solo se utiliza cuando se requiere poco intercambio de calor.

2. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos: Son los más utilizados, están compuestos por una superficie, dentro de la cual hay muchos tubos de menor diámetro que se encuentran en paralelo al eje del cilindro que constituye la carcasa.

Los tubos concéntricos están unidos entre si y además hacemos circular un fluido por el interior de los tubos, mientras que un segundo fluido está bañando a los tubos con lo que el intercambio de calor es más efectivo que en el caso anterior.

Los tubos están formados por materiales metálicos, pero si queremos transportar fluidos corrosivos se sustituyen por materiales plásticos polifluorados.

Los tubos se sustituyen por superficies planas con rugosidades cuando se pueden formar precipitados.

3. Intercambiadores de calor por grafito: Se emplean para líquidos muy corrosivos. Están constituidos por carbono grafito taladrado. Sobre la superficie del grafito es donde se produce el intercambio de calor. El grafito suele estar prensado.

Hornos: Son dispositivos en los que un sólido o un fluido se calientan básicamente por radiación mediante la combustión en un recinto cerrado de un combustible cualquiera. Puede ser carbón, un líquido (fuel-oil), o un gas (gas natural).

Condensadores: Tienen el objetivo de condensar un vapor mediante un líquido frío. Los aparatos son muy parecidos a los intercambios de calor, en los que el agua que sirve para refrigerar se suele introducir por medio de una pulverización que cae sobre los tubos.

Evaporadores: También hay intercambio de calor que conlleva un cambio de fase. El objetivo es concentrar una disolución y también obtenerse vapor del disolvente. A nivel industrial tienen una doble finalidad:

- Obtener el líquido condensado: leche condensada.

- Obtener el vapor: desalinizadores.

Se concatenan evaporadores para ahorrar energía al aprovechar el calor del vapor para calentar el alimento del siguiente.

Placas solares: Conjugan las tres maneras de conducción de calor.

El serpentín ha de estar pintado de negro para poder absorber la radiación. La radiación atraviesa el cristal sin ningún efecto, incide sobre el serpentín y aumenta el calor produciendo el efecto invernadero. La radiación absorbida no puede salir por el cristal, por ello aumenta la temperatura, produciéndose una transmisión de calor al líquido que va atravesando el serpentín. Esta transmisión de calor se produce de una forma combinada de conducción y convección.

Hay 3 formas de perder calor en este sistema:

- A través del cristal: cesión por conducción.

- Por medio del contacto con el aire exterior: por convección.

- Pérdida por conducción en el soporte

Operaciones Unitarias Fisicas regidas por transferencia simultánea de Q y materia (contacto entre fases y directo): Puede darse que al poner en contacto 2 fases entre si se de un intercambio de materia y calor en sentidos contrarios.

Acondicionamiento de gases o enfriamiento de líquidos: El gas suele ser el aire y el líquido el agua pero el fundamento es universal. Es la operación unitaria que tiene por objeto modificar las condiciones de humedad y temperatura de una corriente de aire por interacción directa con otra corriente de agua. También se suele hablar de humidificar el aire, deshumidificar el aire, enfriamiento del agua.

La humidificación se consigue poniendo en contacto aire no saturado con una corriente de agua a unas temperaturas en las que el aire aumente su contenido en humedad.

La deshumidificación se conseguirá al poner en contacto aire húmedo con un líquido más frío; de esta manera conseguiremos que se condense el agua que había en el aire y por lo tanto disminuya su contenido en agua inicial. De esta manera obtendremos un valor deseado de humedad absoluta. A continuación el aire lo puedo calentar al valor que deseemos y este es el funcionamiento de los acondicionadores de aire que se utilizan actualmente.

A nivel industrial se emplea el enfriamiento de agua colocando una cantidad muy grande de maderas en las que se pulveriza el agua por la parte superior y el aire se introduce a presión por unas toberas. El Problema que tiene es que se producen pérdidas de agua en el gas húmedo, por lo que hay que suministrar ese caudal.

Tenemos una disolución con una cierta presión de vapor que está en contacto con aire con una cierta humedad. Puede ocurrir que la presión de vapor del agua de la disolución sea mayor o menor que la del aire. Dependiendo esto tendremos un fenómeno u otro.

Si la presión de vapor de la disolución es mayor que la del aire entonces pasa agua al aire; la disolución se hace más concentrada al haber menos disolvente. Llega un momento que al bajar la presión de vapor de la disolución se iguala a la del aire y se obtiene el fenómeno.

Si la presión de vapor del aire es mayor que la de la disolución, el agua del aire condensa en la disolución y esta se hace más diluida y la presión de vapor de la disolución aumenta hasta igualarse con el aire.

Delicuescencia: Sustancias sólidas que tienen una elevada solubilidad en agua. Tenemos un sólido en contacto con humedad. En la superficie del sólido se forma una película que absorbe agua hasta que se satura. Si la disolución es saturada tendrá una presión de vapor muy pequeña y atraerá mayor cantidad de agua del aire. Esas nuevas moléculas van a seguir disolviendo el sólido y llegará un momento en que todo el sólido pasa a líquido (disolución). El sólido llega a convertirse en líquido.

Higroscopía: Sustancias que tienen tendencia a coger moléculas de agua pero sin llegar a disolverse. Todas las sustancias delicuescentes son higroscópicas pero no al revés.

Eflorescencia: Sólidos con moléculas de agua de cristalización, en atmósfera seca parte de las moléculas pasan al aire.

Cristalización: Formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. Desde el punto de vista industrial la cristalización más importante es la que conlleva la formación de cristales a partir de disoluciones líquidas sobresaturadas. Sus objetivos son:

- Formar sustancias con presentación más agradable.

- Grado de pureza.

Características:

- Tamaño.

- Forma.

- Uniformidad.

- Pureza.

Las tres primeras son propias de la cristalización. La pureza depende además de la disolución en el disolvente, es decir, recristalización.

En toda formación de cristales hay que considerar dos etapas:

Nucleación: formación de los primeros iones a partir de los iones o moléculas que se encuentran en el seno de la disolución. Puede ser que estos primeros cristales que se forman, se destruyan debido a un proceso inverso a la nucleación.

Crecimiento : formación de la estructura cristalina.

Es fundamental el estudio de la variación de las curvas de la temperatura frente a la concentración (solubilidad).

Si colocamos un cristal en una zona no saturada, se destruye. Para disolver un sólido hay que administrar calor normalmente, por lo tanto la temperatura bajará un poco.

Si ponemos un cristal en una zona de sobresaturación, el cristal crece mucho pero no se forman nuevos cristales.

Si trabajamos en la zona metaestable (lo más cerca posible de la sobresaturación) se forman nuevos cristales. El Problema es que la curva de sobresaturación no está bien definida.

Cristalizadores:

- Tanque: la sobresaturación se produce por enfriamiento de la disolución. Se emplea cuando la solubilidad de la sustancia a cristalizar varían mucho con la temperatura.

- Evaporadores: se produce la cristalización por medio de la evaporación, se utiliza cuando la solubilidad de la sustancia varía poco con la temperatura.

- De vacío: se combina la evaporación con el enfriamiento. Se emplea cuando se quiere trabajar a baja temperatura y con rapidez.

Cuando tengo una sal disuelta en agua (considero solo el líquido y el sólido) y bajo la temperatura, se produce la aparición de un precipitado hasta un momento en el cual toda la disolución pasa a fase sólida (mezclas eutécticas). Este punto es característico de cada mezcla; por debajo de la temperatura eutéctica no se encuentra fase líquida. Estos diagramas eutécticos son muy similares a los de las aleaciones pero en estas últimas ocurre al contrario pero en este caso es al contrario.

Secado:Operación unitaria física regida por la transferencia simultánea. Su objetivo es reducir el contenido de agua de un sólido. En algunas ocasiones es el punto final para conseguir un producto listo para el envasado.

Si tengo un sólido con mucha agua intento eliminarla mediante medios mecánicos y esto es previo al secado pero no es el secado. El término secado indica la disminución de la humedad del sólido. Toda el agua del sólido no tiene las mismas características. Un sólido tendrá mayor o menor cantidad de agua según la hidroscopía que presente este sólido.

Agua ligada: suponemos que la presión de vapor ligada al sólido es menor a la que corresponde a cuando está libre.

Agua libre: si presenta una presión de vapor determinada para la temperatura a la que trabajo.

Pongo en contacto el sólido con aire húmedo y vemos que nunca consigo quitar el agua ligada del sólido.

operaciones unitarias químicas.

Operación unitaria química: Tiene por objetivo distribuir de una forma distinta los átomos de una molécula para dar otra, es decir, el paso de los reactivos a los productos. Se da en los reactores químicos; para el diseño de estos se deben estudiar estas características:

- Asegurarnos de que el modo de fluir de los reactivos sea total, para conseguir la mezcla deseada.

- Proporcionar el tiempo de contacto necesario entre las sustancias y el catalizador (si lo hay) hasta lograr la extensión deseada de la reacción.

- Permitir que se adquieran las condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el modo y la velocidad deseadas, para lo cual hay que atender a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

Modelos de flujo: Son las formas en que se ponen en contacto los fluidos en el reactor químico. Existen dos grandes tipos de modelos de flujos que son ideales, en la realidad nunca se dan pero sirven de referencia:

- Modelo de mezcla perfecta: lo que se consigue es que exista una homogeneidad perfecta en la reacción, todos los puntos han de tener la misma temperatura y presión, consiguiendo que toda la mezcla que se extraiga tendrá idénticas condiciones a la que está en el interior del reactor.

- Modelo de flujo en pistón (de flujo tapón): se basa en que el fluido entra sin haber cambios de concentración a lo largo del eje en que se mueven los reactivos. El tiempo de permanencia en el reactor es el mismo para todos los componentes. En cada uno de los cambios los reactivos tienen la misma temperatura y composición en cada punto a lo largo del reactor.

Todos los modelos que se diseñan de reactores químicos están basados en uno de estos dos modelos de flujo.

El modelo de mezcla perfecta da lugar a un reactor de tanque agitado .

El modelo de pistón o tapón da lugar a un reactor tubular .

En el reactor de tanque agitado es muy difícil obtener la homogeneidad en el interior ya que aparecen caminos preferentes. En el reactor tubular las interacciones con todas las zonas es muy difícil ya que hay reacciones radiales.

Reactores químicos: Los más importantes son los anteriormente citados. Dentro de los reactores de tanque agitado en los que se puede trabajar de forma continua o discontinua obteniendo producciones pequeñas y medianas ya que la velocidad no es muy grande, se puede trabajar en un amplio rango de temperatura y presión, y permiten trabajar con o sin reflujo. Son un recipiente donde se encuentra un fluido (reaccionante) y se eliminan del sistema, se puede controlar la presión y la temperatura del sistema. Para regular la temperatura:

- Colocación de camisas de vapor.

- Colocando un serpentín.

- Método de la recirculación exterior del líquido. Colocando un calentador que hace circular un líquido que recircula una vez que se ha enfriado.

Estos reactores se emplean para reacciones homogéneas de líquido, también cuando los reactivos son líquidos y dan lugar a un sólido. También se emplean cuando los reactivos son líquidos menos uno que es un gas que se hace borbotear en el líquido.

Los reactores tubulares se emplean cuando trabajo con reactivos en fase gaseosa. En ellos es frecuente la presencia de catalizadores que normalmente se encuentran en fase sólida. Tenemos una catálisis heterogénea. El diseño de estos reactores depende de la exotermicidad del proceso y también del tiempo de residencia necesario en el interior del reactor.

- Reactores tubulares calentados a fuego directo : consiste en tubos colocados en un horno, la reacción tiene lugar en el interior de los tubos y va catalizada.

- Reactores tubulares de carcasa y tubos : son similares a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, la reacción tiene lugar en el interior de los tubos y circulando por el intermedio un refrigerante o un calefactor para conseguir la temperatura adecuada, también pueden usar catalizadores.

- Reactores tubulares de lecho : (fijo, móvil, fluilizado).

a. El catalizador es fijo ya que ocupa una posición dada en el espacio. Lo normal es colocar varias capas de catalizadores a diferentes alturas y entre ellas existen intercambiadores de calor.

b. En los de lecho móvil las partículas se mueven continuamente del reactor a un recipiente anexo donde se limpia y regenera el catalizador. Se emplea cuando hay reacciones muy exotérmicas también se emplean cuando la reacción da productos no deseados que contaminan el catalizador e inhiben su acción.

c. En los de lecho fluilizado las partículas del catalizador tienen un movimiento mucho más libre, son menos compactas. Se emplean en la industria petroquímica. Suele haber varias capas y en medio existe refrigeración o calefacción.

- Reactores de hornos rotatorios : se emplean en la industria del cemento. Son una variante de los tubulares. El sólido avanza por el tubo gracias a una cierta inclinación. Todos los componentes son sólidos. La inclinación va acompañada de una rotación. Se emplean altas temperaturas.

- Reactores biológicos : intervienen organismos vivos. Base de la biotecnología. Dentro de ellos tenemos los autoclaves o fermentadores (reactores tanque agitado).

- Reactores electroquímicos : la energía se da en forma de corriente eléctrica continua, en los electrodos se obtienen los productos de reacción.

PROCESOS QUÍMICOS: Se consideran los procesos químicos de las materias primas para dar productos útiles y benéficos, estos productos se emplean como bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones químicas y físicas en la elaboración de productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la producción total de sustancias químicas se utiliza en la manufactura de otras, de modo que la industria química es única por ser la mejor cliente de sí misma.

Esta visión global de las industrias procesadoras es útil para entender su situación actual, la ingeniería química y la química industrial deben ocuparse, con sentido crítico, de las utilidades, ya que sin éstas un negocio no puede operar. La industria química se caracteriza por cambios rápidos en los métodos, que responden en la actualidad a grandes alteraciones en los costos de energía; sin embargo, siempre que el costo de una sustancia química aumenta, aunque sólo sea 1%, en muchos casos dicha sustancia se expone a ser reemplazada, tanto como si se tratara de una nueva sustancia.

Las operaciones físicas necesarias para la manufactura de productos químicos se denominaron "operaciones unitarias" (transferencia de calor, flujo de fluidos, destilación, filtración, etc.). Aunque originalmente fueron muy descriptivas, estas operaciones unitarias fueron objeto de un intenso estudio y ahora pueden utilizarse con procedimientos matemáticos adecuados para emitir predicciones sobre el diseño de las plantas. Alrededor de 1930, Groggins sugirió un enfoque semejante para clasificar las operaciones químicas como "procesos unitarios". Tales procesos incluyen la nitración, sulfonación, oxidación, cloración, etc. Este concepto no ha resultado tan provechoso como la idea de operaciones unitarias, ni sus conceptos han sido reducidos a procedimientos matemáticos, pero se emplean con frecuencia.

La química básica se expone junto con algunos estudios sobre el equipo en el que se llevan a cabo las reacciones. Se considera el costo de los materiales de reacción, de la energía aplicada en el proceso y el efecto de la eficiencia. esto es, los problemas relacionados con alcanzar una operación eficiente y redituable. Esto, desde luego, no tan científica ni tan cuantitativamente formulada como las operaciones unitarias, las cuales no se analizan aquí. Hay un número considerable de opiniones en el sentido de que los estudios de este tipo tienen poco valor debido a que la naturaleza del enfoque aplicado a las soluciones de los procesos químicos varia constantemente, pero precisamente por esta razón, los procesos químicos deben ser estudiados en un sentido amplio, puesto que las alteraciones en un sector de la industria química afectan con rapidez a todos los sectores. El desarrollo actual en la fabricación del jabón puede variar considerablemente la formulación de una pintura el día de mañana. Debido a la diversidad y complejidad del procesamiento químico, un estudio extenso proporciona un enfoque poderoso de amplia utilidad para el diseño de nuevos procesos de manufactura.

Las características de las conversiones químicas aplicadas a la fabricación de productos químicos puede resumirse como sigue:

1. Cada conversión química pertenece a una familia de numerosas reacciones individuales que son similares en variaciones de energía, presión y temperatura de reacción, tiempo de reacción, equilibrio o materias primas.

2. Con frecuencia existe una separación en la planta cuando un edificio o una sección se dedica a la preparación de muchos productos diferentes, por medio de un solo tipo de conversión química, como hidrogenación, nitración o diazotación. El dar protección contra peligros semejantes para la seguridad o la toxicidad puede simplificarse con frecuencia por medio de la aplicación de dichos procedimientos.

3. Es frecuente que exista una relación cercana entre los tipos de equipo usados para hacer muchos productos diferentes por medio de un solo tipo de conversión química. Por ejemplo, un reactor bien agitado con buenos serpentines de enfriamiento se usa, en general, para nitraciones con mezclas de ácidos sulfúrico y nítrico, y se conoce comúnmente como nitrador. El mismo equipo puede emplearse para nitrar benceno, tolueno, naftaleno o productos aromáticos sustituidos para dar los productos deseados, como nitrobenceno, trinitrotolueno. nitronaftalenos o cloronitrobifenilos (productos intermedios).

Conversiones Químicas

4. En lugares donde la producción es pequeña o los productos son variables, el equipo puede ser transferido en forma conveniente y económica de la manufactura de un producto químico a la de otro que esté basado en la misma conversión química. El objetivo de un gerente de producción es mantener todo el equipo en uso constante. Para lograr esto, con frecuencia es necesario fabricar primero un producto químico, y después otro, en el mismo rector general; por ejemplo, un sulfonador. Esta aplicación múltiple de los equipos se administra fácilmente con la separación de la conversión química las plantas especializadas en producción a gran escala están totalmente dedicados a un producto y la duplicación de usos no es posible en lo que compete a la economía.

5. La clasificación de las conversiones químicas permite que un fabricante de productos químicos pase del rendimiento de un grupo al de un nuevo producto químico individual, en la clase relacionada. Es necesario saber y recordar principios más que rendimientos específicos. Este método de enfoque, que rara vez se puntualiza en los cursos de química orgánica e inorgánica, facilita mucho la manufactura de cualquier producto químico, al tener disponibles conocimientos anteriores respecto a los datos generalizados de una conversión específica.

6. Puesto que la base de la clasificación de las conversiones químicas es química, se hace hincapié en la reacción química. A pesar de los grandes aumentos en los costos de energía, los materiales siguen siendo sustancialmente más caros que la energía, por lo que pequeñas mejorías en el rendimiento químico incrementan las ganancias de la secuencia de manufactura. Los ahorros en energía o en potencia pueden resultar menos lucrativos.

7. Con frecuencia. el diseño de equipo puede simplificarse por las generalizaciones emanadas de un arreglo de conversión química similar, más que por considerar cada reacción como única. Lo que la experiencia ha indicado para cierto número de reacciones reunidas bajo una conversión química semejante es guía excelente para una nueva reacción en el mismo grupo. Al manejar las conversiones químicas, cuanto más se entienda acerca de la fisicoquímica subyacente y de la cinética, mejor será la concepción de la planta. En general, las condiciones que incrementan la velocidad de una reacción, disminuyen la conversión de equilibrio. Esta relación entre equilibrio y velocidad con frecuencia representa el mayor problema de diseño. Por ejemplo. en la fabricación del ácido sulfúrico por el proceso de contacto, el convertidor de dióxido de azufre consta de dos partes (a veces de más), una parte caliente de tamaño pequeño, en la que la reacción procede rápidamente para aproximarse a un equilibrio desfavorable, lo que resulta en una conversión incompleta al dejar algo de SO, sin reaccionar.

DATOS QUÍMICOS BASICOS

La química es la ciencia básica en la que se apoyan las industrias químicas. La función del ingeniero industrial es conocer la aplicación de la química en un proceso en particular a través de la aplicación de principios coordinados científicos y de ingeniería. Para hacer esto de manera efectiva, el ingeniero debe desarrollar los resultados del químico en el laboratorio de investigación dentro de un proceso químico económico. El factor individual más importante en el caso es generalmente el rendimiento, el cual debe ser cuidadosamente diferenciado de la conversión .

El rendimiento es la fracción de materia prima recuperada como producto principal (o deseado).

La conversión es esa fracción cambiada en otra cosa, subproductos o productos. Conversión se aplica también en forma libre para indicar la cantidad cambiada por un solo paso a través de un aparato, cuando se usan múltiples pasos. Por ejemplo, en la síntesis del amoniaco. el rendimiento se halla con frecuencia por encima de 38%. mientras que la conversión está limitada por el equilibrio hasta cerca de 14% (por paso), lo que significa que el 86% de la carga no reacciona y debe ser recirculada. La meta del ingeniero químico. Siempre preocupado por el costo, es lograr que la conversión iguale al rendimiento. Debido a las bajas conversiones, las plantas de síntesis de metano1 y de amoniaco son de 4 a 5 veces más grandes que lo que podría esperarse si la conversión igualara al rendimiento.

Al cambiar las condiciones de operación, el equilibrio puede ser desplazado y la conversión incrementada. Al elevar la presión de operación mejoran los rendimientos del amoniaco y del metanol, pero los costos de operación y de equipo aumentan. Al prolongar el tiempo de reacción se permite un acercamiento más estrecho al equilibrio (pero se requiere de un equipo más grande y más costoso); los catalizadores mejorados pueden acortar el tiempo de reacción, pero el equilibrio no se ve afectado.

PROCESOS INTERMITENTES CONTRA PROCESOS CONTINUOS

Los primeros procesos químicos se hacían generalmente de manera intermitente, y muchos continúan haciéndose de ese modo. Los lotes pueden medirse de manera más fácil (p. ej., se puede añadir 1 ml de una solución al 1% a 100 000 L. cantidad muy rápidamente duplicada), pero el control de temperatura puede ser difícil. Casi sin excepción, los procesos continuos requieren equipo mucho más pequeño y menos costoso tienen mucho menos material en proceso (y por tanto, tienen menos oportunidad de perderse grandes cantidades) y tienen condiciones de operación más uniformes, así como productos más uniformes que los procesos intermitentes. Los procesos continuos requieren controles más rápidos de flujos y de condiciones, los que serían imposibles sin una instrumentación de buena calidad. El control por computadora ha sido de gran valor.

Es común fabricar pequeñas cantidades de productos químicos por medio de operaciones intermitentes, pero cuando el mercado aumenta, deben cambiarse a un proceso continuo. La reducción en el costo de la planta por unidad de producción es, por lo general. la mejor razón para el cambio. A medida que el volumen de producción aumenta. el ingeniero químico calcula el punto en el que los gastos de mano de obra, investigación, instrumentación y equipo en continuo, justifican un proceso continuo, con su inversión unitaria más baja, costos de operación y calidad más uniforme. Cada vez hay más plantas pequeñas automáticas en continuo, como un primer paso. Cuando el proceso intermitente resulta imposible o no deseable.

DIAGRAMAS DE FLUJO

Existen muchos tipos de diagramas de flujo, los cuales se usan para diversos propósitos. Los bloques simples muestran con frecuencia sólo flujos de material y de energía, así como las condiciones de operación. Los más elaborados muestran todo en un proceso y se vuelven extremadamente complicados. Los especializados muestran detalles como líneas contra incendio. sistemas instrumentales y de control, líneas de aire, drenajes, etc. La mayoría coordina la secuencia de las operaciones y los procesos unitarios, indican el punto de entrada de las materias primas y de cualquier energía necesaria, así como los puntos de remoción de los productos y de los subproductos.

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