OPERACIONES INDUSTRIALES I

Facultad de Ingeniera UCASAL Ctedra: OPERACIONES INDUSTRIALES I

Apuntes*: Ing. Amrico Andrs Flandorffer (2013 2015)Anexo Introductorio para fijar conceptos de Operaciones y Procesos Unitarios

Introduccin: En una planta industriales de procesos qumicos, para obtener un producto final deseado, el proceso se realiza en varias etapas, que podran ser las siguientes: a) recepcin de las materias primas, b) preparacin de las mismas, mezcla de los reactantes y catalizadores (si hubiera) en las proporciones adecuadas, c) reaccin propiamente dicha, d) separacin de los productos obtenidos para el producto final deseado, purificacin del mismo, etc. Como se ve, la metodologa utilizada es muy similar a la obtencin de un producto en el laboratorio. En trminos generales un proceso puede descomponerse en cincosecuencias o etapas: 1 Materia prima 2 Operacin fsica de acondicionamiento 3 reaccin qumica - 4 Operacin fsica de separacin 5 ProductosLas etapas en donde se producen cambios netamente fsicos se denominan operaciones unitarias y las etapas donde se produce una reaccin qumica se llaman procesos unitarios.Las operaciones unitarias(fenmenos fsicos) normalmente se dividen en dos grandes ramas, queson las siguientes: Operaciones unitarias difusionales Operaciones unitarias no difusionales.

Las operaciones unitarias difusionales son todas aquellas en donde se establece un equilibrio dinmico entre fases, ya sea lquido vapor, lquido lquido o lquido slido.Las operaciones unitarias no difusionales son aquellas en donde no se establece un equilibrio entre fases.En nuestra carrera de ingeniera Industrial de UCASAL las primeras se estudian en Operaciones Industriales I y las segundas en Operaciones Industriales II

En el cuadro siguiente se describen algunas de las operaciones unitariasdifusionalesOperacin UnitariaObjetivoEjemplo

DestilacinSeparar dos (o ms) lquidos voltiles (es decir que tienen sus puntos de ebullicin a temperaturas relativamente bajas) en sus componentes puros, o obtener cortes de un determinado rango de temperatura de ebullicin. Se establece un equilibro lquido vapor (L V)Destilacin del petrleo para obtener nafta, fueloil gasoil, etc.Destilacin de una mezcla de alcohol agua para obtener alcohol de 96.

Evaporacin

Concentrar una solucin diluida de un soluto no voltil (que tenga un punto de ebullicin muy elevado) a fin de obtener una solucin concentrada por ebullicin de la solucin eliminado as el solvente voltil. Se establece un equilibrio L V.Obtencin de solucionesconcentrada de NaOH, ClNa, ClK, etc a partir de soluciones salinas diluidas.

Cristalizacin

Obtener a partir de una solucin concentrada de un soluto no voltil y un solvente voltil, el cristal ms o menos puro del soluto, por enfriamiento de la solucin o por eliminacin del solvente voltil. Se establece un equilibrio S L.Obtencin de cristales de brax o de azcar a partir de sus soluciones.

Secado

Eliminar de un slido algn lquido voltil que lo embeba, hacindole pasar un gas sobre el slido. Es un equilibrio L V.

Secado de las arcillas moldeadas para ladrillos, Secado de granos ocereales, o de carne para charqui.

Extraccin lquido -lquido

Extraccin de un soluto (lquido slido)disuelto en un determinado solvente por mediode otro solvente (insoluble o parcialmentesoluble en el primero) en donde el soluto es mssoluble. Se establecen equilibrios L -LRecuperar Acetona de una disolucin acuosa con monoclorobenceno. Separacin de difenilexano de una mezcla con docosano. Separar Ac. Actico de una disolucin acuosa con ter isoproplico

Extraccin slido lquido

Extraccin de un soluto lquido disuelto en un solvente slido por medio de un solvente lquido. Se establecen equilibrios S - L

Obtencin de aceitesvegetales a partir de distintas semillas (girasol, soja, etc.) por medio de un solvente orgnico.

Acondicionamientode aireCalentamiento o enfriamiento de aire.Se establecen equilibrios S V o G-VSecado de granos o enfriamiento de una cmara de un frigorfico.

HumidificacinTransferir vapor a slidos o gasesSe establecen equilibrios S V o G-VProcesamiento de la hoja de tabaco.

AbsorcinSeparacin de uno o ms componentes de una mezcla gaseosa por disolucin en un lquido. Se establecen equilibrios L V o G-LRecuperacin del NH3Recuperacin del SH2 o SO2 del aire o del gas natural

AdsorcinContacto una mezcla fluida con un slido, un componente del fluido queda retenida por la superficie del slido Se establecen equilibrios S V o G-SDesecacin y purificacin de gases; refinacin de productos de destilacin de petrleo.

Entre las operaciones unitarias no difusionales se pueden nombrar a las siguientes:Trituracin y Molienda, Tamizado, Sedimentacin, Filtracin, Centrifugado, Agitacin y Mezcla, Transporte de slidos, Flujo de fluidos,etc.Como se coment anteriormente, si en una etapa se produce alguna reaccin qumica, esta se denomina proceso unitario. Un proceso unitario puede ser cualquiera de las reacciones que se presentan a continuacin:Alcohlisis, Alquilacin, Aminacin por reduccin, Amonilisis, Aromatizacin o ciclizacin, Calcinacin, Carboxilacin, Causticacin, Combustin (oxidacin no controlada), Deshidratacin, Deshidrogenacin, Diazoacin y acoplamiento, Electrlisis, Esterificacin, Fermentacin, Formacin de silicatos, Halogenacin, Hidroformilacin (oxo), Hidrogenacin, hidrogenlisis, Hidrlisis e hidratacin, Intercambio inico, Isomerizacin, Neutralizacin, Nitracin, Oxidacin (controlada), Pirolisis o desintegracin, Polimerizacin, etc.Lo ms importante de un proceso unitario no es el equipo en s (que es un reactor) si no el mecanismo de la reaccin, la velocidad de la misma o el equilibrio que se puede alcanzar; esto se estudia enQumica para ingenieros I y II (que es Qumica General e Inorgnica, Qumica Orgnica y/o Fsico Qumica).En general, todos los equipos utilizados en las operaciones unitarias tienenalgn tipo de equivalencia con los aparatos utilizados en el laboratorio (destilacin, evaporacin, cristalizacin, filtracin, etc.) pero a escala comercial.

Una operacin unitaria o un proceso unitario tambin se pueden dividir de la siguiente forma:1. Continuos (o flow): en este caso, en cada etapa las materias primas o los reactantes entran en forma continua al equipo y los productos tambin lo hacen de la misma forma.2. Discontinuos (o batch): en este caso, el equipo se carga con la alimentacin, se realiza la operacin o el proceso y luego se descarga el producto.Una operacin o proceso unitario continuo puede operar de dos formas:a) En estado estacionario: cuando todos los parmetros que definen las corrientes que llegan o salen del equipo, como as tambin los quecontrolan el equipo (temperatura, presin, caudal, pH, etc.) no varan con eltiempo.b) En estado no estacionario: cuando los parmetros mencionadosanteriormente varan con el tiempo. Esta situacin normalmente sucede cuando se pone en marcha (o se para) una planta o un equipo determinado.En una operacin o proceso unitario que trabaja en estado estacionario sepueden dar dos casos:1) Que el caudal msico de las materias primas o los reactantes sea igual al caudal msico de los productos obtenidos, con lo cual se dice que est trabajando sin acumulacin.2) Que el caudal msico de las materias primas o los reactantes no sea igual al caudal msico de los productos obtenidos con lo cual se dice que se est trabajando con acumulacin positiva (cuando en el equipo o en la planta el caudal de los reactantes es mayor que la de los productos) o acumulacin negativa (en forma inversa).

En general, en las plantas industriales qumicas, todos los equipos que forman parte de las operaciones unitarias son muy similares entre s; por ejemplo, un intercambiador de calor o una bomba centrfuga utilizados en una planta alimenticia o en una petroqumica son muy iguales entre s (pueden variar el material de construccin) por lo que las operaciones unitarias se estudian operacin por operacin y no equipos de cada proceso industrial.Como se dijo anteriormente, una planta industrial est constituida por varias etapas que se denominan operaciones unitarias o procesos unitarios; si la planta est trabajando en forma continua, estas etapas tendrn que estar conectadas entre s por medio de corrientes que transporten los productos de una etapa a la otra. Estas corrientes se denominan corrientes de pasos (o tambin corrientes de procesos) y pueden transportar productos al estado slido, lquido o gaseoso. Si una planta industrial se la quiere representar grficamente, normalmente se hace por medio de un flow-sheet (diagrama de flujos) donde cada operacin (o proceso) se representa por medio de un smbolo o por un simple rectngulo, estando cada etapa unida por lneas que representan las corrientes. Los diagramas de flujo tienen la ventaja que permiten la reunin y el examen de una cantidad de informacin en un espacio pequeo. Hay gran nmero de tipos de diagramas de flujo: algunos muestran flujos simples, otros balances de materiales, y unos cuantos son tan completos que incluyen drenajes, lneas contra incendios y lneas especiales de arranque. Los diagramas de flujo que se muestran aqu a su mxima simplicidad estn destinados a expresar principios ms que detalles.Por ejemplo, en la Figura 1 se representa un flow-sheet sencillo de una planta para producir etilenglicol.

Figura 1

En la Figura 2 se presenta un diagrama de flujo de una planta para producir mono cloro decano, donde se indica con un circulo y flecha diagonal la eliminacin de temperatura.

Figura 2

Normalmente, al estudiar alguna planta qumica (o alguna etapa de ella), ya sea para realizar el clculo de los equipos, desarrollar un balance de materia y energa, un clculo econmico, etc. la seccin a estudiar se delimita con una lnea generalmente punteada (o un rectngulo) que se denomina lmites del sistema (ver fig.3). Las corrientes que entran a esa etapa en estudio y cruzan los lmites del sistema se denominan afluentes; las que salen del sistema, efluentesEntre todas las corrientes que se utilizan en un sistema determinado, se destacan las siguientes: corrientes de recirculacin, de purga y de bypass.A manera de ejemplo, la corriente de recirculacin se utiliza cuando en un reactor (que se alimenta con determinados reactantes) la reaccin no se llega a completar totalmente (la reaccin alcanza a su punto de equilibrio) con los cual el efluente del reactor no solamente contiene los productos deseados sino tambin reactantes. Esta corriente se enva a algn tipo de separador que separa los productos deseados de los reactantes, que son devueltos al reactor.Por ejemplo, el mtodo para obtener amonaco consiste en hacer reaccionar directamente N2 con H2 a alta presin y a una temperatura determinada sobreun catalizador metlico:N2 + 3 H2 2 NH3Esta reaccin llega a un equilibrio dinmico (que depende de la temperatura ypresin de trabajo). La corriente de salida del reactor (que contiene NH3, H2 y N2) se enva a un separador que devuelve el H2 y N2 al reactor (corriente de recirculacin) y recupera el NH3 limpio.Para ejemplificar la corriente de purga se puede utilizar el mismo proceso de obtencin del NH3 visto anteriormente. El H2 para producir esta reaccin se puede obtener de varias maneras (una es por va electroltica) pero casi siempre este tiene un alto grado de pureza; el N2 normalmente se obtiene por destilacin del aire, con lo cual casi siempre arrastra algo de argn (hay que tener en cuenta que el aire est compuesto por un 21 % de oxgeno, 78 % de nitrgeno y casi el 1 % de argn). Si se utiliza este nitrgeno para producir NH3, el efluente del reactor ahora contendr NH3, N2, H2 y Ar. El separador dividir esta corriente en otras dos, una que contiene N2, H2 y Ar y otra con NH3. Como se deduce el argn entra al sistema y permanece en ella, comenzndose a acumular en el medio (si no se toma ninguna medida).En la Figura 3 se muestra un flow-sheet simplificado de una planta de NH3 donde se ejemplifican las corrientes de recirculacin y purga. Al acumularse argn en el sistema, la conversin de los reactantes comienza a disminuir, con lo cual llegar un momento en que la operacin se hace antieconmica por la disminucin de la conversin. A fin de evitar esto, se realiza una purga en el sistema (que normalmente es continua) para disminuir la cantidad de argn en el sistema (porque resulta muy oneroso separarlo del H2 y N2), se traduce en una prdida de reactantes.

Figura 3Como se observa en los flow-sheetque se muestran, todas las etapas que integran una planta qumica estn conectadas entre s por medio de corrientes (que en estos diagramas se representan por medio de simples lneas rectas, con una punta de flecha que indica la direccin de circulacin). De todas maneras, dependiendo de qu tipo de corrientes se trate, reciben distintas denominaciones.En la Figura 4 se muestra un diagrama de flujo de una planta para producirdodecil benceno sulfonato de sodio (la materia prima utilizada para la fabricacin de detergentes) en donde cada equipo ahora se muestra con un smbolo y a su vez han sido codificados con un cdigo alfanumricocomo tambin en fig. 6.

Figura 4La corriente de by-pass se puede ejemplificar en la Figura 5de la siguiente manera: supngase que se quiere calentar un determinado fluido desde una temperatura t1hasta t2por medio de un intercambiador de calor.Operacin sta se podra hacer de dosformas: una es utilizar un simple intercambiador de calor que eleve la temperaturade toda la corriente a la deseada o sino dividir la corriente en otras dos, enviar una a un intercambiador ms chico, que eleve su temperatura a un valor t3mayor que t2y luego mezclarla con la corriente que no pas por el intercambiador (y que est a la temperatura t1) para que despus de la mezcla se llegue a la temperatura t2. La corriente que no pasa por el intercambiador se denominacorriente de by-pass. Utilizar uno u otro sistema para realizar este proceso depende de un clculo econmico previo.

Figura 5Es comn, tambin, presentar los diagramas de flujo en donde se incluyen no solo los equipos y corrientes sino tambin los instrumentos de control. Estosdiagramas se denominan P&I Piping and Instrument (conductos e instrumentos). Un diagrama de este tipo semuestra en la Figura 6.

Figura 6

*Recopilados de UTN Facultad Regional de Rosario Departamento de Ingeniera Quimica Cartedra: Integracin II 5