Presentación 5

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PROCESOS INDUSTRIALESPROCESOS INDUSTRIALESPROCESOS INDUSTRIALESPROCESOS INDUSTRIALES

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OPERACIONES UNITARIAS

Héctor Fabio Padilla Mesa

Tecnología Industrial Facultad de Ingeniería

Universidad Santiago de Cali

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Proceso Químico

Sistema formado por equipos, interconectados en forma

organizada, que permiten cambios físicos y químicos dando

lugar a un producto de interés.

PROCESO

MATERIAS PRIMAS

INSUMOS

PRODUCTOS

DISEÑO

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Proceso Químico Industrias de Procesos Químicos (Chemical Process

Industries: CPI)

• Alimentos (bebidas, azúcar, jugos, lácteos, vinos, cerveza,

etc.)

• Combustibles (petróleo, carbón, alcohol, gas natural, gasolina)

• lubricantes, y derivados petroquímicos

• Compuestos químicos

• Orgánicos (petroquímicos, solventes, cauchos, etc)

• Inorgánicos ( sales, fertilizantes, etc.)

• Explosivos ( TNT, anfo, etc.)

• Detergentes y jabones.

• Pinturas y pigmentos.

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Proceso Químico Industrias de Procesos Químicos (Chemical Process

Industries: CPI)

• Metalurgia (Acero y aleaciones, metales: Cu, Ag, Au, Re, etc.)

• Tratamiento de agua, efluentes y residuos( gases, y lodos)

• Generación de vapor y energía termo-eléctrica

• Materiales (cemento, asfalto, cerámica, adhesivos, plásticos,

materiales de construcción, vidrio)

• Papel y celulosa

• Pesquera ( harina y aceite de pescado, conservas, etc. )

• Plásticos , Textiles y Fibras sintéticas

• Fármacos

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Proceso Químico Sistema Global de un Proceso Químico

PLANTA DE PROCESOS

QUIMICOS

RED DE INTERCAMBIADORES

DE CALOR

PLANTAS DE SERVICIOSCalderas, Turbinas

Aire comprimidoOxigeno, vacío

Materias

Primas

Insumos

Productos

Electricidad Suministrosy Servicios

Agua

Combustibles

Aire

Corrientes frías

Corrientes calientes

Servicio decalentamiento

Servicio deenfriamiento

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Operaciones Unitarias Una operación unitaria puede definirse como un área del

proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos

o materias primas y ocurre una función determinada.

Son actividades básicas que forman parte del proceso. Por

ejemplo, la producción de pulpa o el descortezado en una

fábrica de papel, o la destilación en un proceso de elaboración

de productos químicos.

Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de

operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son

específicas del proceso considerado, pero en otros, son

operaciones comunes e iguales para varios procesos.

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Operaciones Unitarias Generalmente un proceso puede descomponerse en la

siguiente secuencia:

1.- Materias Primas

2.- Operaciones físicas de acondicionamiento

3.- Reacciones químicas

4.- Operaciones físicas de separación

5.- Productos

MATERIAS PRIMAS

REACCIONES QUIMICAS

PRODUCTOS

Operacionesfísicas de acondicionamiento

Operacionesfísicas de separación

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Operaciones Unitarias

PREPARACIONPURIFICACION

SEPARACIONPURIFICACION

REACCION

M P InsumosInsumos

PRODUCTO

Subproductos

Subproductos

TRATAMIENTO EFLUENTESEFLUENTE

LIMPIO

PRODUCTOSSECUNDARIOS

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Operaciones Unitarias Este concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del

Massachussets Institute of. Technology (M.I.T). La definición

dada entonces, fue la siguiente: "... todo proceso químico

conducido en cualquier escala puede descomponerse en una

serie ordenada de lo que pudiera Llamarse OPERACIONES

UNITARIAS , como pulverización, secado, cristalización,

filtración, evaporación, destilación... El número de estas

operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo

unas cuantas de ellas intervienen en un proceso determinado."

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Operaciones Unitarias Clasificación de las operaciones unitarias:

Cada operación unitaria tiene como objetivo modificar las

condiciones de una determinada cantidad de materia en forma

más útil para nuestros fines.

Este cambio puede hacerse principalmente por tres caminos:

1.- Modificando su masa o composición (separación de fases,

mezcla,...)

2.-Modificando el nivel o cantidad de la energía que posee

(enfriamiento, evaporización, aumento de presión, ...)

3.- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o

disminuyendo su velocidad o su dirección).

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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 medidas 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.

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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 (Destilación, Absorción, Adsorción,

etc.).

- Operaciones unitarias químicas. 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 (Combustión, Hidratación, Hidrogenación,

Saponificación, etc.)

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Operaciones Unitarias Representación de Procesos:

a) Diagrama de Entrada – Salida ( input-output)

Diagrama General Entrada - Salida

ripios

PROCESO

mineral

ácido sulfúrico

agua Industrial

soluciones

subproductos

descartes

cátodos de Cuinsumos energía

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a) Diagrama de Entrada – Salida ( input-output)

• Un solo bloque representa todas las operaciones físicas y

químicas involucradas en el proceso.

• Las líneas con flechas representan el movimiento de

materiales que entran y salen del proceso

• Las materias primas entran por la izquierda

• Los productos salen por la derecha

• Las velocidades de flujo (cantidades) de las materias primas y

los productos pueden ser mostradas.

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b) Diagrama de Bloques ( operaciones principales )

BFD: Block Flow Diagram

Hydrogen

( 8200 Kg / H )

Toluene

( 10000 Kg / H ) Benzene

( 8610 Kg / H )

Still

Mixes gas

( 8610 Kg / H )

Toluene

Gas SeparatorReactor

Mixes LiquidsConversion75% Toluene

Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4

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• Los procesos químicos se representan como un grupo de bloques

conectados.

• Cada unidad de proceso representa una función del proceso

específica en la cual los materiales sufren cambios químicos y/o físicos

• Las líneas con flechas conectan los bloques y representan

corrientes de proceso – entradas (movimiento de material hacia cada

unidad de proceso) y salidas (movimiento de material desde cada

unidad)

• Las materias primas entran por la izquierda

• Los productos salen por la derecha

• Las cantidades o velocidades de flujo de entradas y salidas pueden

indicarse directamente en el diagrama o en una tabla adjunta

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En este diagrama sólo se incluyen cuatro tipos de unidades de

proceso:

Mezcladores: Combinan dos o mas entradas en una sola salida

Reactores: En estos se llevan a cabo las reacciones químicas.

Divisores: Dividen una sola entrada en dos o mas salidas, con la

misma composición de la entrada.

Separadores: Separan una corriente de entrada en dos o mas

salidas, con composiciones diferentes de las de entrada

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c) Diagrama de Flujos ( Flowsheet ) ( Estructura Productiva y

secuencia de equipos )

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• Los procesos químicos se representan como un grupo

conectado de equipos de proceso

• Todas las principales piezas de los equipos de proceso se

dibujan de manera representativa

• Incluyen el equipo que se utiliza para mover material alrededor

(bombas, compresores, bandas transportadoras) y para calentar o

enfriar material (intercambiadores de calor, hornos)

• A cada pieza del equipo se le asigna un número y un nombre

descriptivo

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• Se muestran los servicios auxiliares principales (vapor, aire de

enfriamiento)

• Los equipos se conectan mediante flechas que representan

entradas y salidas

• Se numeran las corrientes del proceso

• Los materiales entran por la izquierda y salen por la derecha

• Por lo general las corrientes de gas se encuentran en la parte

superior, las corrientes líquidas en medio y las corrientes sólidas

abajo.

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Operaciones Unitarias

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Operaciones Unitarias Convenciones para la identificación de equipos

C : Compresoras E : Intercambiadores de calor

P : Bombas H : Calentadores a llama

R : Reactores T : Columnas

TK : Estanq. Almacenam. V : Estanque de proceso

Numeración de los equipos

P – 101 A/B identifica una bomba

P – 101 A/B identifica que la bomba está ubicada en el área N°1 de

la planta

P – 101 A/B identifica que la bomba es la número 01 de las n

existentes en la planta

P – 101 A/B identifica que hay 2 bombas idénticas una de respaldo

(backup )

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Operaciones Unitarias Unidades de medición en Ingeniería

A pesar de los esfuerzos por unificar parámetros, aun subsiste

una gran variedad de unidades de medida.

Existen actualmente tres sistemas de uso común: El sistema

imperial o inglés, el sistema cgs (centímetros, gramos, segundos)

y el sistema mks (metros, kilogramos, segundo). Por último existe

uno que se ha adoptado como el sistema universal que se conoce

como SI sistema internacional, que consta de 7 unidades básicas,

2 suplementarias y algunas unidades derivadas que son

combinaciones algebraicas de las unidades básicas y que por

simplicidad se les ha asignado un nombre.

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Medida Unidad o Nombre Longitud Metro (m) Masa Kilogramo (kg) Tiempo Segundo (s) Corriente eléctrica Amperio (A) Temperatura Kelvin (K) Cantidad de substancia Mol (mol) Intensidad lumínica Candela (cd) Tabla 1. Unidades básicas del Sistema internacional

Medida Unidad o Nombre Origen básico Fuerza Newton (N) 2/ skgm Trabajo y energía Julio (J) 22skgm Potencia Watio (W) Kgm2s3

Presión Pascal (Pa) 2/ mskg Tabla 2. Algunas unidades derivadas del sistema internacional con nombres simples.

Medida Unidad o Nombre Origen básico Flujo de calor Watio por metro

cuadrado (Wm-2) 3/ skg

Capacidad Calorífica Julios por kilogramo kelvin (Jkg-1K-1)

122 / Ksm

Condictividad Térmica Watios por metro Kelvin (Wm-1K-1)

mKW /

Tabla 3. Algunas unidades derivadas del sistema internacional con nombres compuestos.

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