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¿Qué son, y para que sirven ?

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PROCESO QUIMICOConjunto de Operaciones físicas y/o químicas ordenadas para la transformación de unas materias primas iniciales en productos finales diferentes

MATERIAS PRIMAS

PROCESO QUIMICO PRODUCTOTERMINADO

OperacionesFísicas

OperacionesQuímicas

OPERACIONESUNITARIAS

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Objetivos de las Operaciones Unitarias:Objetivos de las Operaciones Unitarias:

Modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia

Tipo de Modificaciones:

Masa o composición

• Separación de fases

• Mezcla

• Reacción química

Nivel o calidad de

Energía que posee

• Enfriamiento

• Vaporización

• Aumento de presión

Condiciones de

Movimiento

• Cambio de dirección o

velocidad

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Leyes conservativas que gobiernan un proceso químico:Leyes conservativas que gobiernan un proceso químico:

Ley de Conservación de la Materia:

Σ masa inicial = Σ masa final

Ley de Conservación de la Energía:

Σ energía inicial = Σ energía final

Ley de Conservación de la Cantidad de Movimiento:

Σ (m1 . V1 + m2 . V2)inicial = Σ (m1 . V1 + m2 . V2) final

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Pasos para obtener un producto en un Proceso Químico:

# Antes# Antes:

generalmente se producen cambios físicos. Las materias primas deben acondicionarse antes de entrar al proceso

# Durante:# Durante:

generalmente hay uno o varios reactores donde suceden las reacciones químicas

# Después: # Después:

los productos obtenidos deben acondicionarse para poder salir al mercadolos productos obtenidos deben acondicionarse para poder salir al mercado

En general las operaciones que producen cambios físicos se denominan: OPERACIONES UNITARIAS.

Las que producen cambios químicos se conocen como:

PROCESOS UNITARIOS

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• Flujo de fluidos

• Transmisión del calor

• Mezclado

• Separación: destilación, extracción, absorción, evaporación, cristalización, filtración, centrifugación, humidificación, secado

• Manejo de sólidos: molienda, tamizado, compresión, fluidización.

1. Combustión

2. Oxidación

3. Reducción

4. Neutralización

5. Electrolisis

6. Calcinación

7. Esterificación

8. Nitración

9. Halogenación

10. Sulfonación

11. Hidrólisis

12. Hidrogenación

13. Alquilación

14. Condensación q.

15. Polimerización

16. Fermentación

17. Pirolisis

18. Aromatización

19. Isomerización

20. Deshidratación

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CONTINUO:Características PrincipalesCaracterísticas Principales

•Condiciones de operación estacionarias

•Gran escala de producción

•Cada equipo realiza una operación especifica

•Calidad de producto constante

•Velocidad de producción constante

•Alta automatización

•Poca mano de obra

DISCONTINUO:

Características PrincipalesCaracterísticas Principales

•Funcionamiento intermitente

•Ciclo de operación

•Pequeña escala de producción

•Plantas flexibles, multiproducto, multipropósito

•Grandes tiempos de procesamiento o residencia

•Reacciones lentas. Flujos pequeños

•Productos que ensucian o corroen los equipos

•Calidad de producto variable

•Velocidad de producción variable

•Mucha mano de obra

•Baja automatización

•Productos de alto valor agregado

•Condiciones de control muy estrictas

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Todo Proceso Químico requiere de servicios periféricos para poder funcionar. Su diseño, selección y localización suele ser tanto o más importante que el proceso mismo. Los mas importantes son:

• AGUAAGUA: para proceso, refrigeración, caldera, limpieza, sanitaria, red de incendio

• VAPORVAPOR: de alta, media o baja presión, seco, saturado, sobrecalentado

• CONDENSADOSCONDENSADOS: usos diversos, recuperación de vapor no utilizado

• COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES: carbón, fuel oil, gasoil, gas natural, otros

• ELECTRICIDADELECTRICIDAD: suministro externo, propia co-generada

• AIRE COMPRIMIDOAIRE COMPRIMIDO: industrial, para instrumentos

• GASES INERTESGASES INERTES: nitrógeno, freón

• FLUIDOS TERMICOSFLUIDOS TERMICOS: aceites, sales

• EFLUENTESEFLUENTES : tratamientos in-situ

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• DIAGRAMA DE BLOQUES (BFD)

• DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESOS (PFD)

• DIAGRAMA DE CAÑERIAS E INSTRUMENTACION (P & Inst D)

• DIAGRAMA ISOMETRICO (cañerías y equipos) (ID)

En general la secuencia de diseño es : BFD PFD P & Inst D

DIAGRAMA DE BLOQUES:DIAGRAMA DE BLOQUES: es la forma mas simple de representar un proceso. Cada bloque representa una etapa principal o un equipo individual, o grupo de equipos interconectados en forma organizada de un proceso.

Los bloques utilizados son usualmente rectángulos ó elipses, siempre del mismo tamaño

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Convenciones para armar un Diagrama de Bloques (BFD)Convenciones para armar un Diagrama de Bloques (BFD)

• Cada operación se representa por un bloque

• Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo

• Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama

• Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama y los líquidos y sólidos hacia la parte inferior separados por densidad

• Se incluye la información critica para entender el proceso

• Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan

Veamos un ejemplo de un típico proceso químico en el cual cada bloque representa una etapa del proceso total para obtener un producto a partir de materias primas.

La complejidad de cada etapa dependerá de la naturaleza del proceso

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Venta del Producto

…de la reacción al diagrama….

Vamos a preparar un diagrama de bloques para la obtención del producto ABC sólido a partir de las materias primas con impurezas según la siguiente reacción:

A ( d , e) + B (f ) AB

AB + C (w ) ABCABC + G

…ejemplo de un típico proceso químico…

AlmacenamientoDe Materias Primas

ETAPA 1

Preparación de la alimentación

ETAPA 2

Reacción

ETAPA 3

SeparaciónDel Producto

ETAPA 4

ETAPA 5

PurificaciónDel producto

AlmacenamientoDel Producto

ETAPA 6

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AA con DD y EE purificador

Impurezas DD y EE

AAREACTOR

BB con FF purificador

Impureza FF

BB

separador

ABAB

REACTORCC con WW purificador CC

Impureza WW separador

purificador GG

residuos

ABCABCpurificadormoliendatamizado

Reciclo de gruesosReciclo de gruesos

Reciclo de finos

residuos

purificador

Reciclo de reactivos A y B sin reaccionar

ABC ABC + GG GG + residuos

ABCABC

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Diagrama de Flujo (PFD)Diagrama de Flujo (PFD)Es el documento clave en el diseño de un proceso. Se usan para mostrar la secuencia de equipos y las unidades de proceso, las conexiones de las corrientes, la cantidad y composición de las corrientes y las condiciones de operación

Es un modelo grafico que:

• Define la tarea y las condiciones de operación de cada sección

• Proporciona una valoración inicial de fuentes potenciales de riesgos

• Forma plantillas para los correspondientes balances de masa y energía.

Convenciones para los diagramas de Flujo de Proceso:

• Se representan todos los equipos junto con su descripción. Cada equipo tiene un nombre y un Nº

• Todas las corrientes de proceso tienen un Nº. Se debe incluir una descripción de las condiciones (T y P), flujos y composición química, ya sea en el diagrama o tabla adjunta

• Se deben representar TODAS las corrientes de servicios

• Se deben representar los “loops” (o reciclos) de control basicos que aseguren la estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación.

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EJEMPLO DE DIAGRAMA DE FLUJOEJEMPLO DE DIAGRAMA DE FLUJO

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EJEMPLO DE DIAGRAMA DE P & IDEJEMPLO DE DIAGRAMA DE P & ID

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Estrategia para resolver problemas de balance de materia (9 pasos)

• Leer el problema varias veces (un problema comprendido es un problema medio resuelto)

• Hacer un dibujo del proceso. Definir el sistema por medio de una frontera. Dibujar flechas para los flujos. Definir los balances locales y el general.

• Rotular con símbolos cada flujo y las composiciones que le corresponde, conocidas o no.

• Indicar los valores conocidos de los caudales

• Elegir una base de calculo unidades en las que se miden (hacer todo en esas unidades o convertir resultados al final)

• Hacer una lista de símbolos correspondientes a las variables cuyo valor se desconoce y contar cuantos son los grados de libertad.

• Plantear las ecuaciones. Debe haber tantas ecuaciones como incógnitas + 1

• Hacer una Matriz de Consistencia de corrientes, flujos y composiciones y tratar de ir llenando cada cuadro con los valores hallados para verificar que las cuentas cierran.

• Verificar las respuestas

Para resolver cualquier problema de Ingeniería Química se cubren los Para resolver cualquier problema de Ingeniería Química se cubren los siguientes pasos:siguientes pasos:

2. Realizar un Balance de Materia para calcular las masas de Reactivos y Productos

3. Realizar un balance de energía. A veces hay que resolver balances combinados 1) y 2)

4. Calcular las velocidades de reacción y de transferencia de masa (cinética y equilibrio químico)

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Desarrollo de un problema ejemplo: la fabricación del azúcar

La caña de azúcar alimenta a un molino donde se extrae el jarabe por trituración; el bagazo resultante contiene 80 % de pulpa. El jarabe que contiene fragmentos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente que contiene 15 % de azúcar y 85 % de agua en peso. Este jarabe se envia a un evaporador que produce un jarabe pesado que es posteriormente enviado a un cristalizador que produce 800 kg/hr de cristales de azúcar.

Datos: 1) Composición de la alimentación: azúcar 16 %, agua 25 %, pulpa 59 %

2) Composición del jarabe sucio: azúcar 13 %, pulpa 14 %

3) Pulpa separada de la malla 95 %

4) Liquido salido del evaporador contiene 40 % de azúcar

Se pide: a) Confección de un diagrama de bloques

b) Cantidad de agua eliminada en el evaporador

c) Las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho

d) El caudal de alimentación de caña de azúcar

e) El % de azúcar que entra con la caña que se pierde en el bagazo.

f) Si la operación resulta eficiente justificando el resultado.

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MOLINO

MALLA

EVAPORADOR

CRISTALIZADOR

CAÑA

Azúcar: 16 %

Agua: 25 %

Pulpa: 59 %

Bagazo con 80 % de pulpaB

CC Azúcar 13 % , pulpa 14 %

DDPulpa 95 %

EE Azúcar 15 %

AguaFF

GGAzúcar 40 %

AguaHH

I

Azúcar cristalizada: 800 kg / hr

A

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROBLEMADIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROBLEMA

AA BBMOLINO

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Solución:

Planteo de ecuaciones con los balances parciales y el global

(lo que entra = lo que sale)

Global:Global: A = B + D + F + H + I

Azúcar: 0,16 x A = azúcar en B x B + azúcar en D x D + 800 kg

Agua: 0,231 x A = agua en B x B + agua en D x D + F + H

Pulpa: 0,601 x A = pulpa en B x B + 0,95 x D = 0,80 x B + 0,95 x D

Balance en el cristalizadorBalance en el cristalizador:

G = H + I = H + 800 Composición de G = 40 % azúcar + 60 % agua

Si el 40 % de azucar es = a 800 kg, el agua H es = 1200 kg G = 2.000 kg

En la corriente E el 15 % de azúcar es = 800 kg E = 5.333,33 kg

Balance en el evaporadorBalance en el evaporador E = G + F F = E – G = 5.333,33 – 2.000 = 3.333,33

a) Balance en la malla:Balance en la malla: C = D + E

b) Azucar 0,13 x C = azucar en D x D + azucar en E x E = azucar en D x D + 800

c) Pulpa 0,14 x C = 0,95 X D C = 0,95/0,14 X D = 6,786 X D

Reemplazando en a) : 6,786 D = D + 5.333,33 D D = 5.333,33/5,786 = 921,7

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C = 6.786 X 921,7 = 6.255 agua en C = (100 – 27) x 6.255 = 4566,15

Azucar en D = (0,13 x 6.255 – 800)/921,7 = 1.42 %

Agua en D = 100 – 95 – 1.42 = 3,58 %

Balance en el molino :

a) A = B + C = B + 6.255

b) Azucar 0.16 x A = azucar en B x B + 0.13 x 6255

c) Pulpa 0.59 x A = 0.80 . B + 0.14 x 6.255 = 0.80 . B + 875,7

Despejando A en c) y reemplazando en a) : B = 13630,8 A = 19885.8

Resumen en respuestas:Resumen en respuestas:

b) F = 3.333,33

c) B: pulpa 0.80 (10.904.6); azúcar 0.17 (2.317,2) , agua 0.03 (408,9)

d) A = 19.885,8 kg/h

e) 74,8 %

f) La operación es totalmente ineficiente dado que se recupera el 25 % de azúcar

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MATRIZ DE CORRIENTES, CAUDALES Y COMPOSICIONES

8001200 20003.333,35.333,3921,76255 13630,8

19.885,8 Caudal

X XX X X875,6 875,710.904,6 11.732,6Pulpa

800X 800 X 800 13813,15 2.368,5 3.181,7Azucar

X 1200 12003.333,34533.3 33.1 4.566,15 357,74.971,45Agua

IHGFEDCBACORRIENTE

Con esta matriz se verifica la consistencia de los resultados.

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CuestionarioCuestionario• Explicar las diferencias entre operaciones unitarias y procesos unitarios

• ¿Qué se entiende por Proceso Químico?

• Enunciar las leyes conservativas que gobiernan un proceso químico

• Describir como se clasifican las Operaciones Unitarias

• Listar 10 Procesos Unitarios donde existe transformación química

• Describir las características de un proceso Continuo

• Describir las características de un proceso Discontinuo

• ¿Qué servicios auxiliares requiere un Proceso Químico?

• Tipos de representaciones de un Proceso Químico

• Describir las 6 etapas típicas de un Proceso Químico

• ¿En que consiste un Diagrama de Bloques y que convenciones se deben utilizar?

• ¿En que consiste un Diagrama de Flujo y que convenciones se deben utilizar?

• Describir los pasos recomendados para resolver problemas de balance de materia

• ¿Para que sirve la Matriz de Consistencia?