Presentacion Gabby

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Presentacion Gabby

  1. 1. Procesos Químicos y Operaciones Básicas Introducción a la Ingeniería Química
  2. 2. Procesos químicos <ul><li>Proceso químico: Sucesión ordenada de operaciones físicas y químicas interconectadas con las que se transforman unos productos en otros a escala industrial. </li></ul><ul><ul><li>Ejemplos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fabricación de ácido nítrico </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fraccionamiento del petróleo crudo </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Gasificación del carbón </li></ul></ul></ul>
  3. 3. Procesos químicos <ul><li>Operaciones necesarias para obtener cantidades importantes de productos químicos de interés comercial. </li></ul><ul><li>Proceso químico: Implica reacciones químicas y operaciones físicas. </li></ul><ul><li>El número de operaciones físicas y químicas implicadas en un proceso químico puede ser considerable. </li></ul>
  4. 4. Procesos químicos Transformación Química OPERACIONES FÍSICAS DE SEPARACIÓN OPERACIONES FÍSICAS DE PURIFICACIÓN Subproductos Productos de reacción Recirculación de materias primas
  5. 5. Diseño de un producto químico FACTOR DE ESTUDIO DEFINE Posibilidades comerciales Capacidad de producción Disponibilidad y costo de las materias primas Selección de la fuente de suministro Tecnología disponible Elección del procedimiento Servicios auxiliares necesarios Fuentes de electricidad, vapor de agua Consideraciones socioeconómicas Disponibilidad y coste de la mano de obra, regulaciones legales, mercado de subroducto Normativa legal Consideraciones ambientales
  6. 6. Diseño de un producto químico Rentabilidad <ul><li>Cambio de materias primas (una de mayor disponibilidad o pureza) </li></ul><ul><li>Reducción del número de operaciones, cambio de procesos discontinuos a continuos. </li></ul><ul><li>Disminución de la formación de subproductos. Utilización de catalizadores adecuados. </li></ul><ul><li>Desarrollo de procesos de separación mediante nuevas técnicas. </li></ul>
  7. 7. Otros factores que influyen en los procesos químicos <ul><li>Posibilidad de generación de sustancias contaminantes. Ejemplo: Gasolina </li></ul><ul><li>Bioprocesos </li></ul><ul><li>Esfuerzos realizados por químicos de síntesis. Colaboración estrecha entre ciencia e industria. </li></ul>
  8. 8. Actualidad y perspectiva de los procesos químicos <ul><li>Desde 1950 la industria química ha crecido notoriamente, debido principalmente al sector petrolero. </li></ul><ul><li>Los avances en diseño y construcción de equipos y el control automático han permitido un gran avance de la construcción de plantas químicas, cada vez mayores. </li></ul><ul><li>La economía de escala permite reducir los costos de producción y abaratar los productos </li></ul>
  9. 9. Perspectivas de desarrollo de proceso químicos <ul><li>Desarrollo de nuevos productos químicos de elevada pureza con mercados especiales (farmacia y alimentos) </li></ul><ul><li>Mejora de los sistemas de reacción y separación. Plantas más compactas y económicas. </li></ul><ul><li>Avance en aspectos medioambientales y de seguridad de los procesos. </li></ul><ul><li>Desarrollo de tecnologías de control de proceso, gestión y control de la producción. </li></ul>
  10. 10. Los procesos químicos y el medio ambiente <ul><li>Agotamiento de materias primas y recursos energéticos y deterioro del medio ambiente. </li></ul><ul><li>Medidas para alargar las reservas de combustibles fósiles: </li></ul><ul><ul><li>Reducir el consumo del petróleo como combustible a través del uso de energías limpias y abundantes. </li></ul></ul><ul><ul><li>Consecución de mayores eficacias y rendimientos energéticos mediante la recuperación de calor de otras fases del proceso. </li></ul></ul><ul><ul><li>Desarrollo de nuevas fuentes energéticas (eólica, solar, geotérmica, fuentes de energía renovable) </li></ul></ul>
  11. 11. Los procesos químicos y el medio ambiente <ul><li>Medidas para alargar las reservas de combustibles fósiles: </li></ul><ul><ul><li>Aprovechamiento integral de materias primas y productos residuales. Tecnologías limpias. </li></ul></ul><ul><ul><li>Diversificación de las fuentes de materias primas actuales. Del petróleo se obtiene la mayoría de los productos químicos orgánicos básicos o intermedios. </li></ul></ul>
  12. 12. Los procesos químicos y el medio ambiente
  13. 13. Ejemplo de proceso químico Producción de ácido acético a partir de acetaldehído
  14. 14. Ejemplo de proceso químico Producción de ácido acético a partir de acetaldehído <ul><li>El ácido acético se puede obtener por oxidación directa del etanol, pero en general, el ácido concentrado se suele preparar a partir de acetaldehído que, a su vez, se ha obtenido por hidratación del acetileno u oxidación del etanol. </li></ul>
  15. 15. Ejemplo de proceso químico Producción de ácido acético por oxidación en fase líquida de hidrocarburos <ul><li>La obtención de ácido acético a partir de acetaldehído es muy costosa. Se encontró que era útil la oxidación directa del butano en fase líquida a ácido acético </li></ul><ul><li>Se forma una serie de subproductos oxigenados dentro de los que se incluyen MEK, ácido fórmico y otros aldehídos y ésteres </li></ul>
  16. 16. Ejemplo de proceso químico Producción de ácido acético por oxidación en fase líquida de hidrocarburos Aire Butano Compresor REACTOR DE OXIDACIÓN Acido fórmico ACIDO ACÉTICO COLUMNA DE DESTILACIÓN CATALIZADOR COLUMNA DE DESTILACIÓN ACIDO PROPIÓNICO CONDENSADOR CONDENSADOR
  17. 17. Ejemplo de proceso químico Producción de ácido acético por oxidación en fase líquida de hidrocarburos <ul><li>El proceso puede aplicarse a cualquier otra parafina o mezcla de parafinas como la nafta </li></ul><ul><li>Sin embargo puede ser más complejo el proceso de separación de los componentes </li></ul>
  18. 18. Ejemplo de proceso químico Carbonilación del metanol <ul><li>En 1925 con un rendimiento bajo se había conseguido la producción de ácido acético por reacción de metanol con monóxido de carbono utilizando ácido fosfórico como catalizador. </li></ul><ul><li>Sucesivamente se desarrollan nuevos catalizadores Co/I, presiones elevadas 500 – 650 atm y temperaturas de 220 – 250ºC. Conversión de metanol de 90% </li></ul>
  19. 19. Ejemplo de proceso químico Carbonilación del metanol <ul><li>En 1969 se descubrió un catalizador homogéneo formado por Rh/I (Monsanto) hizo que se convirtiera en el proceso más importante actualmente. Se trabaja en fase líquida y en condiciones de operación menos severas (150 – 200ºC y 30 –65 atm). Con conversión del 99%. </li></ul>
  20. 20. Ejemplo de proceso químico Carbonilación del metanol CO Metanol Compresor REACTOR CATALÍTICO ACIDO ACÉTICO COLUMNA DE DESTILACIÓN CATALIZADOR COLUMNA DE DESTILACIÓN FLASH Impurezas CONDENSADOR RhI 3 EXPANSIÓN Recirculación del catalizador
  21. 21. Tendencias en los procesos químicos <ul><li>Uso de materias primas abundantes y baratas con moléculas sencillas </li></ul><ul><li>Catalizadores cada vez más activos y selectivos. </li></ul><ul><li>Número de etapas más reducido </li></ul><ul><li>Condiciones de operación más severas. </li></ul><ul><li>Uso de enzimas inmovilizadas y biocatalizadores </li></ul>
  22. 22. Taller <ul><li>En el tratamiento de aguas residuales se pueden distinguir hasta cuatro etapas que comprenden procesos químicos, físicos y biológicos: </li></ul><ul><li>- Tratamiento preliminar, destinado a la eliminación de residuos fácilmente separables y en algunos casos un proceso de pre-aireación. </li></ul><ul><li>- Tratamiento primario que comprende procesos de sedimentación y tamizado. </li></ul><ul><li>- Tratamiento secundario que comprende procesos biológicos aerobios y anaerobios y físico-químicos (floculación) para reducir la mayor parte de la DBO. </li></ul><ul><li>- Tratamiento terciario o avanzado que está dirigido a la reducción final de la DBO, metales pesados y/o contaminantes químicos específicos y la eliminación de patógenos y parásitos. </li></ul>
  23. 24. Taller para la casa <ul><li>Estudiar y describir el proceso químico de obtención de algún producto. Dibujar su diagrama de flujo </li></ul>
  24. 25. Operaciones Básicas de los Procesos Químicos
  25. 26. Concepto de operación básica <ul><li>Operación básica o unitaria es cada una de las operaciones o etapas individuales que permiten llevar a cabo un proceso químico industrial. </li></ul><ul><li>Las operaciones se repiten en diferentes procesos químicos y se basan en principios científicos comunes y tienen técnicas de cálculo semejantes independientemente de la industria en que se apliquen. </li></ul>
  26. 27. Concepto de operación básica <ul><li>Son esencialmente las mismas con independencia del proceso en el que se apliquen. </li></ul><ul><li>Permite estandarizar la educación en ingeniería química: diseño de equipos con el mismo fundamento para procesos distintos. </li></ul><ul><li>Técnica de cálculo similares </li></ul><ul><li>Principios científicos comunes: Transporte de cantidad de movimiento, transmisión de calor y Transferencia de materia </li></ul>
  27. 28. Clasificación en función del modo de operación
  28. 29. Clasificación en función del modo de operación
  29. 30. Clasificación en función del modo de operación
  30. 31. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS RESPECTO A LAS DISCONTINUAS <ul><li>VENTAJAS: </li></ul><ul><li>Economía de escala (grandes producciones) </li></ul><ul><li>Fácil recuperación o aportación de calor </li></ul><ul><li>Reducción de la mano de obra (automatización) </li></ul><ul><li>Eliminación de tiempos muertos (carga y descarga) </li></ul><ul><li>Mayor uniformidad de los productos </li></ul><ul><li>Mayor producción por unidad de volumen </li></ul>
  31. 32. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS RESPECTO A LAS DISCONTINUAS <ul><li>DESVENTAJAS: </li></ul><ul><li>Se requiere uniformidad de composición de materiasprimas y reaccionantes </li></ul><ul><li>Difícil versatilidad (adaptación de la producción al consumo </li></ul><ul><li>Arranque y parada complicada (grandes instalaciones) </li></ul><ul><li>Equipo de instrumentación y control costoso </li></ul>
  32. 33. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas <ul><li>Ejemplos de operaciones continuas son las implicadas en la obtención de productos a gran escala (etileno, benceno, amoníaco, etc.) </li></ul><ul><li>Ejemplo de operaciones discontinuas son la filtración en la industria agroalimentaria, la cristalización en la producción de sal, los reactores de fabricación de colorantes y productos farmacéuticos o el templado del acero </li></ul>
  33. 34. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas <ul><li>Ejemplo de operaciones semicontinuas son la lixiviación de minerales o el secado de materiales en corriente de aire. </li></ul><ul><li>En general es más rentable operar bajo condiciones continuas, sin embargo, gracias a la evolución tecnológica es importante analizar cada caso para evaluar la mejor manera de obtener los productos deseados. </li></ul>
  34. 35. Clasificación en función del contacto entre fases <ul><li>Un gran número de operaciones unitarias implican la transferencia entre dos o más fases inmiscibles, es decir el paso de algunos componentes de una fase a otro. Son ejemplo de esto la extracción con disolventes y la destilación. </li></ul>
  35. 36. Clasificación en función del contacto entre fases
  36. 37. Clasificación en función del contacto entre fases
  37. 38. Clasificación en función del contacto entre fases <ul><li>Ejemplos de operaciones de contacto discontinuo son las columnas de platos o pisos. </li></ul><ul><li>La mayor parte de las operaciones de separación industriales se desarrollan con contacto continuo. Ejemplos de estas son los reactores de lecho fijo y fluidizado. </li></ul>
  38. 39. Clasificación en función del tipo de circulación <ul><li>El éxito de muchas operaciones depende de las características de la circulación de la circulación de las fases a través del equipo. </li></ul><ul><li>Las operaciones se clasifican en flujo en paralelo, contracorriente y cruzado. </li></ul>
  39. 40. Clasificación en función del tipo de circulación
  40. 41. Clasificación en función del tipo de circulación
  41. 42. Clasificación en función del tipo de circulación
  42. 43. Clasificación de las operaciones básicas de separación
  43. 44. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Operaciones gas-líquidoylíquido-vapor </li></ul><ul><li>Absorción-desorción: </li></ul><ul><li>Consiste en la transferencia selectiva de uno o más componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente líquido de reducida volatilidad o viceversa. </li></ul>
  44. 45. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Rectificación : </li></ul><ul><li>En la destilación el contacto se realiza entre unamezcla en faselíquidayunamezcla en fasevaporgeneradaporebullición del líquidoperoque no se encuentraninicialmente en el equilibrio, a consecuencia de ello, la fasevapor se condesaparcialmentey la faselíquida se vaporizatambiénparcialmente de modoquetras el contacto entre ambas el vapor se enriquece en los componentesmásvolátiles de la mezclay el líquido lo hace en los menosvolátiles . </li></ul>
  45. 46. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Operaciones de interacción aire-agua : Humidificación y deshumidificación de aire y enfriamiento de agua: </li></ul><ul><li>En ellas el vapor de agua (equivalente al componentevolátilpasa de unafase a otra con el consiguienteefectotérmico del elevadocalorlatente de vaporización/condesación. </li></ul>
  46. 47. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Evaporación: </li></ul><ul><li>Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación es que sólo hay un componente volátil. </li></ul>
  47. 48. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Operaciones líquido-líquido: </li></ul><ul><li>Extracción : Se ponen en contacto dos mezclas líquidas inmiscibles con objeto de transferir uno o varios componentes de una fase a otra. </li></ul>
  48. 49. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Operacioneslíquido-sólido: </li></ul><ul><li>Lixiviación : es una extracción líquido-sólido, es la separación de uno o varios solutos contenidos en una fase sólida mediante su contacto con un disolvnte líquido que lso disuelve selectivamente. </li></ul>
  49. 50. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Adsorción : esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de una mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie de un sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la absorción donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido aquí los componentes se incorporan slamente a la superficie de la fase receptora. </li></ul>
  50. 51. Clasificación de las operaciones básicas de separación <ul><li>Intercambio iónico : Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del líquido al sólido son especies iónicas en la fase líquida. </li></ul><ul><li>Cristalización : aquí se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la temperatura y/o en la concentración. </li></ul><ul><li>Secado : en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por vaporización. </li></ul>
  51. 52. Variables de diseño de las operaciones básicas <ul><li>Las operaciones básicas de la industria química implicar un un número elevado de variables de diseño (V) </li></ul><ul><ul><li>Vc: Variables de construcción, características de los elementos que conforman el sistema. </li></ul></ul><ul><ul><li>Vi: Variables intensivas (presión, temperatura y concentración, que son independientes de la cantidad de materia) y Ve: variables extensivas (caudales, que dependen de la cantidad de materia, ej. el volumen. ) caracterizan a las corrientes que entran o salen de dichas etapas. </li></ul></ul><ul><ul><li>V=Vi+Ve+Vc </li></ul></ul>
  52. 53. Variables de diseño de las operaciones básicas <ul><li>Las variables se encuentran ligadas entre sí por las leyes de equilibrio, las leyes cinéticas y de conservación de materia, energía y cantidad de movimiento. </li></ul><ul><li>Esto permite generar un conjunto de ecuaciones independientes (E) cuyo número es normalmente menor que el de las variables a determinar, de modo que el sistema obtenido consta de más incógnitas que ecuaciones. </li></ul><ul><li>A algunas variables hay que fijarles el valor. A estas se les denomina variables de diseño (Vd) y las que se calculan a partir de las mismas variables de estado (Ve). </li></ul>
  53. 54. Variables de diseño de las operaciones básicas <ul><li>Cálculo del número de variables de diseño </li></ul><ul><ul><li>Para una etapa aislada </li></ul></ul><ul><ul><li>V D =V-E= (Vi+Ve)-(Ei+Ee)+Vc </li></ul></ul><ul><ul><li>= (Vi-Ei)+(Ve-Ee)+Vc </li></ul></ul><ul><ul><li>Vi-Ei: se denomina libertades o grados de libertad(L), para un sistema en equilibrio: </li></ul></ul><ul><ul><li>L = (C+2)-F </li></ul></ul><ul><ul><li>C= Número de componentes </li></ul></ul><ul><ul><li>F= Número de fases que lo integran </li></ul></ul>
  54. 55. Variables de diseño de las operaciones básicas <ul><li>Las variables (intensivas) necesarias para describir el sistema son la presión (+1), la temperatura (+1) y las fracciones molares relativas de los componentes en cada fase (+F(C-1)) de cada uno de los componentes de cada fase, eso nos da un número máximo de grados de libertad m = F(C-1)+2 para un sistema cualquiera. </li></ul><ul><li>La condición termodinámica importante es que en equilibrio el cambio de la energía libre de Gibbs cuando se producen pequeñas transferencias de masa entre las fases es cero. Esa condición equivale a que el potencial químico de cada componentes sea el mismo en todas las fases, eso impone r = C(F-1) restricciones o ecuaciones más para un sistema en equilibrio. </li></ul><ul><li>La regla de Gibbs para el equilibrio afirma precisamente que L = m - r = C - F + 2. </li></ul>
  55. 56. Cálculo del número de variables en una etapa de contacto V L 0 L V 0 Q neto V L 0 L V 0 Q neto
  56. 57. Cálculo del número de variables en una etapa de contacto Etapa de equilibrio <ul><li>Letapa= Σlsistemas = 2(C+1)+C=3C+2 </li></ul><ul><li>Existen 4 corrientes monofásicas, pero con dos de ellas ligadas por las (C+2) relaciones correspondientes </li></ul><ul><li>Ve= cuatro caudales de materia y uno de energía: 5 </li></ul><ul><li>Ee= C, componentes y cantidad de movimiento y energía: </li></ul><ul><li>C+2 </li></ul><ul><li>V D =(3C+2)+(5-(C+2))+0= 2C+5 </li></ul>

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