Operaciones Unitarias y Reacciones Qumicas

Las operaciones unitarias (O. U.) estudian principalmente la transferencia y los cambios de energa, la transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios fsicos, pero tambin por medios fisicoqumicos.

1. Flujo de fluidos: Estudia los principios que determinan el flujo y el transporte de cualquier fluido de un punto a otro. 2. Transferencia de calor: Concierne a los principios que gobiernan la acumulacin y transferencia de calor y de energa de un lugar a otro.

3. Evaporacin: Caso especial del anterior que estudia la evaporacin de un disolvente voltil, de un soluto no voltil que se encuentra en solucin. 4. Secado: Separacin de lquidos voltiles, por lo regular agua, de materiales slidos.

5. Destilacin: Separacin de los componentes de una mezcla lquida por medio de la ebullicin basada en la diferencias de presiones de vapor. 6. Absorcin: Mediante este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un lquido.

7. Separacin de membrana: Este proceso implica separar un soluto desde un fluido a otro, mediante la difusin de aqul a travs de la barrera de una membrana semipermeable. 8. Extraccin lquido-lquido: Aqu, el soluto de una solucin lquida se separa ponindolo en contacto con otro disolvente lquido que es relativamente inmiscible en la

9. Adsorcin: En este proceso, un componente de una corriente lquida o gaseosa es removido mediante la adsorcin a un adsorbente slido. 10. Lixiviacin lquido-slido: Consiste en el tratamiento de un slido finamente molido con un lquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el slido.

11. Cristalizacin: Se refiere a la extraccin de un soluto de una solucin por precipitacin de dicho soluto. 12. Separacin fsico-mecnica: Implica la separacin de slidos, lquidos o gases por medios mecnicos como filtracin, sedimentacin o reduccin de tamao.

Las O. U. tienen ciertos principios bsicos comunes que permiten una clasificacin ms fundamental: 1. Transferencia de momento lineal: Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento: flujo de fluidos, sedimentacin y mezclado.

2. Transferencia de calor: En este proceso fundamental se considera el calor que fluye de un punto a otro. Se presenta en las O.U. de transferencia de calor, secado, evaporacin, destilacin y otros.

3. Transferencia de masa: En este caso, la masa es transferida de una fase a otra y el mecanismo bsico es el mismo ya sea que las fases sean slidas, lquidas o gaseosas. Se presenta en destilacin, absorcin, extraccin lquido-lquido, separacin por membranas, adsorcin y lixiviacin.

La Ingeniera de las Reacciones Qumicas, junto con los procesos de separacin es uno de los dos campos de la Ingeniera Qumica. La gran variedad de reacciones qumicas y reactores y los mtodos generales de anlisis disponibles para el diseo de reactores, proporcionan muchas posibilidades para la creatividad.

El mecanismo de reaccin junto con el desempeo del reactor determinan muchas otras condiciones del proceso: a.naturaleza, cantidad y pureza de la alimentacin, b.temperatura y presin de operacin, c.catalizadores, d.factores de seguridad y e.requerimientos de separacin y purificacin de productos.

Una reaccin qumica es un proceso unitario que tiene por objeto distribuir de forma distinta los tomos de ciertas molculas (reactantes) para formar otras nuevas (productos).

Factores a considerar al desarrollar una reaccin qumica: Condiciones de presin, temperatura, y composicin necesarias para que los materiales entren en estado de reaccin. Caractersticas termodinmicas y cinticas de la reaccin. Las fases (slido, lquido, gaseoso)

Formas de cambios qumicos: Descomposicin: Divisin de una molcula en molculas ms pequeas, tomos o radicales. Combinacin: Una molcula, tomo o radical se une con otra especie para formar un compuesto nuevo. Isomerizacin: Cambio de configuracin interna sin descomposicin externa o adicin a

Reacciones

Homogneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya sea gaseosa, slida, o lquida. Reacciones Heterogneas: Cuando se requiere la presencia de al menos dos fases para que tenga lugar la reaccin a una velocidad deseada. Reacciones Enzimticas: Utilizan catalizadores biolgicos (protenas con alto peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas

Reacciones

Catalticas: Son aquellas reacciones que requieren de una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para modificar la velocidad de reaccin. Sin la presencia de esta sustancia, la reaccin qumica ocurre muy lentamente o no ocurre. Reacciones No Catalticas: Los materiales reactantes no necesitan ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reaccin qumica.

Reacciones

Autocatalticas: En esta reaccin, uno de los productos formados acta como catalizador, participando en otra etapa del proceso donde la velocidad de reaccin es mayor que en la primera. Reacciones Endotrmicas: Son aquellas que absorben calor del exterior. Reacciones Exotrmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el exterior.

Un reactor qumico es una unidad procesadora diseada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones qumicas.

Funciones principales: Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque para conseguir una mezcla apropiada. Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensin deseada de la reaccin.

Permitir

condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que la reaccin tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinmicos y cinticos de la misma.

Es posible clasificar los reactores qumicos de muchas formas distintas: por aspectos geomtricos, qumicos, tipos de reacciones, apariencia, tipo de catalizador, forma de operacin, fases que manejan, etc.

Reactor por lotes: Los reactivos se cargan al inicio y se someten a mezclado. Se usan en bajas producciones y reacciones muy lentas. La mezcla de reaccin no es removida durante el perodo de reaccin. Se supone un mezclado perfecto: todo el contenido del reactor est a la misma temperatura y concentracin durante el proceso. La composicin cambia con el tiempo.

Reactor continuo de tanque agitado (CSTR): Diseado para estado estacionario: los flujos de entrada y salida y las condiciones del reactor permanecen inalteradas. La alimentacin y descarga del reactor se realiza constantemente. Se supone mezclado perfecto: la temperatura y concentracin dentro del reactor son las mismas que el flujo de salida. Para conversiones de hasta 95% se requieren cinco o ms reactores conectados en serie para aproximarse a un reactor tipo flujo tapn.

Reactor ideal de flujo tapn (PFR): Es un reactor tubular en el que el flujo reaccionante se mueve a lo largo del tubo sin retromezclado o gradientes radiales de concentracin. Las condiciones de estado estacionario suponen que la concentracin y el perfil de tempratura a lo largo del reactor no cambian con el tiempo.

La distribucin del reactor obedece a las necesidades de una situacin particular. Los reactores ms utilizados en la industria son: a). REACTOR DISCONTINUO. Los materiales se introducen al principio del proceso, se llevan a las condiciones de presin y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido.

b) REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reaccin qumica al interior del reactor, ste se alimenta constantemente de material reactante, y tambin se retira ininterrumpidamente los productos de la reaccin.

c) REACTOR SEMICONTINUO: Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reaccin, se va retirando productos y tambin incorporando ms material de manera casi continua.

d) REACTOR TUBULAR. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro. Su operacin es continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una direccin espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningn intento por inducir al mezclado.

e) TANQUE CON AGITACIN CONTINUA. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitacin del contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante circulacin y as producir una mezcla uniforme.

f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde intervengan un slido y un fluido (generalmente un gas). La corriente de gas se hace pasar a travs de las partculas slidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas. Con el movimiento rpido de partculas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formacin de zonas calientes.

g) REACTOR DE LECHO FIJO. Consisten

en uno o ms tubos empacados con partculas de catalizador. Las partculas catalticas pueden variar de tamao y forma: granulares, cilndricas, esfricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metlicos como el platino, ste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho est constituido por un conjunto de capas de este material.

h) REACTOR DE PELICULA DESCENDENTE. Aqu, una delgada capa desciende por la pared de un tubo entrando en contacto con un gas fluyendo a contracorriente. La delgada capa de lquido permite controlar la temperatura con cierta precisin. i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MVIL. Una fase fluida pasa hacia arriba a travs de un lecho formado por slidos. El slido se alimenta por la parte superior del lecho, se mueve hacia abajo y se saca por la parte inferior de la columna .

j) REACTOR DE BURBUJAS. Permiten

hacer burbujear un reactivo gaseoso a travs de un lquido con el que puede reaccionar, porque el lquido contiene un catalizador disuelto, no voltil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa.

k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN

SUSPENSIN. Son similares a los reactores de burbujeo, pero la fase lquida esta formada por una suspensin de lquidos y partculas finas del catalizador slido.

l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posicin, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reaccin es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeo en comparacin con el tiempo de permanencia en el reactor. En la prctica se lleva a cabo cuando la mezcla es poco viscosa y est bien

m) REACTORES DE RECIRCULACIN. CON DISPOSITIVO SEPARADOR: parte de la corriente de salida se lleva directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR: cuando en la salida se separan productos y reactivos y stos se recirculan de nuevo al reactor.

n) REACTORES DE MEMBRANA. Combinan la reaccin y la separacin en una sola unidad. La membrana selectivamente remueve una (o ms) de las especies reactantes o productos. Se aplica cuando los rendimientos de la reaccin estn limitados por el equilibrio; removiendo selectivamente una (o ms) especies intermedias (o ayudando a mantenerlas en una concentracin baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interfase controlada entre dos o ms reactantes.

o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una sopa espesa que contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricacin de antibiticos como la penicilina.

p) REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de lquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partculas slidas catalticas, las caractersticas de las partculas slidas y de su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarn el rgimen de flujo del reactor y tambin sus propiedades fluido-dinmicas.

Tambin se pueden mencionar los reactores ISOTRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y tambin los reactores ISOBRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presin constante.

A)Tubular fixed bed reactors B)Adiabatic fixed-bed reactor C)Multitube fixed-bed reactor D)CSTR

E) Fluidized-bed reactor with catalyst recirculation F) Slurry CSTR reactor G) Packed bubble column slurry reactor H), I) Discontinuos batch reactors

Un factor clave en muchos procesos qumicos es el uso de catalizadores. Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de reaccin sin alterar el equilibrio y sale del proceso sin sufrir cambios.

Un catalizador apropiado puede: 1.Reducir los tiempos requeridos de reaccin, 2.Incrementar la selectividad hacia un producto deseado y por lo tanto 3.Reducir costos de inversin y operacin.

La mayora de los procesos en catlisis utilizan catalizadores slidos. Estos slidos, de composicin altamente compleja (de 10 o ms elementos en su frmula), pueden describirse en base a tres componentes elementales: la fase activa, el soporte y el promotor.

La fase activa, es la directamente responsable de la actividad cataltica. Puede ser una sola fase qumica o un conjunto de ellas. Se caracteriza porque ella sola puede llevar a cabo la reaccin en las condiciones establecidas.

La fase activa puede tener un costo muy elevado: metales nobles (platino, paladio, rodio, etc.). Puede ser muy sensible a la temperatura: sulfuros de molibdeno y cobalto. Se requiere de un soporte para dispersarla, estabilizarla y proporcionarle buenas propiedades

El soporte es la matriz sobre la cual se deposita la fase activa y el que permite optimizar sus propiedades catalticas. Este soporte puede ser poroso y por lo tanto presentar un rea superficial por gramo elevada

La forma fsica de este soporte tambin est definida por las condiciones de reaccin (diseo del reactor) y puede ser en forma de esferas, palitos, anillos, mallas, hojuelas e inclusive monolitos en forma de panal.

Algunos de los soportes ms utilizados son:

Algunos de los soportes ms utilizados son: alminas slicas carbn zeolitas slice-alminas

El promotor es aquella substancia que incorporada a la fase activa o al soporte en pequeas proporciones, permite mejorar las caractersticas de un catalizador en cualquiera de sus funciones de actividad, selectividad o estabilidad. Se conocen dos tipos de promotores: texturales los que contribuyen a dar mayor estabilidad a la fase activa, y electrnicos, los que aumentan la actividad.

Los casos ms conocidos como promotores son el potasio (electrnico) y la almina (textural) en el catalizador de hierro para la sntesis del amoniaco.

No existe un camino simple para hallar el catalizador apropiado. La seleccin del catalizador depende de experimentacin por prueba y error y de anlisis cientfico. Las caractersticas ms importantes de un catalizador es su consistencia qumica.

Usualmente, un elemento o compuesto es la especie clave en el desempeo de un catalizador. Platino, paladio y rutenio catalizan reacciones de oxidacin e hidrogenacin de hidrocarburos. Zinc y sus cloruros catalizan la clorinacin de compuestos orgnicos. cidos fuertes en solucin acuosa catalizan la formacin de fenol y acetona a partir de bisfenol A. Zeolitas y aluminosilicatos cristalinos catalizan el cracking de fracciones de petrleo.

Una vez seleccionada la naturaleza del catalizador, la siguiente es su forma fsica: a. Lquidos y soluciones lquidas para reacciones en fase lquida. b. Slidos para reacciones gaseosas. c. Slidos en solucin lquida o suspensin la mejor opcin.

La siguiente etapa es seleccionar la concentracin y el soporte del catalizador. La estructura fsica de un catalizador slido es muy importante pues la sustancia cataltica se localiza en la superficie del slido. Se requieren grandes reas superficiales de slido para exponer el catalizador a los reactantes.

Se usan reas del orden de 100 m2/g cat. Esto se logra con el uso de slidos conteniendo microporos y mesoporos del orden de nanmetros. La especie activa del catalizador, se deposita sobre partculas slidas hechas de material inerte tales como almina, slica y aluminosilicatos.

El rea especfica es una de las propiedades ms importantes de los catalizadores ya que sta establece la distribucin de los sitios activos presentes en la superficie interna del catalizador. El tamao, el volumen, el rea superficial, la forma y la distribucin del poro se determinan experimentalmente mediante la

Los poros en estos tipos de materiales juegan un papel importante porque condicionan muchas de las propiedades del catalizador.

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