Este documento describe los procesos y operaciones químicas, incluyendo procesos químicos que transforman materias primas en productos finales a través de operaciones unitarias y procesos unitarios. También explica los tipos de procesos químicos continuos y discontinuos, así como las representaciones comunes como diagramas de bloques y flujo para modelar procesos.

1. PROCESOS Y OPERACIONES QUIMICAS ¿Qué son, y para que sirven ?

2. PROCESO QUIMICO Conjunto de Operaciones físicas y/o químicas ordenadas para la transformación de unas materias primas iniciales en productos finales diferentes MATERIAS PRIMAS PROCESO QUIMICO PRODUCTO TERMINADO Operaciones Físicas Operaciones Químicas OPERACIONES UNITARIAS

3. 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

4. Leyes conservativas que gobiernan un proceso químico: Ley de Conservación de la Materia :   masa inicial =  masa final Ley de Conservación de la Energía :   energía inicial =  energía final Ley de Conservación de la Cantidad de Movimiento :   m1 . V1 + m2 . V2 ) inicial =  (m1 . V1 + m2 . V2) final

5. Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios Pasos para obtener un producto en un Proceso Químico: # Antes : generalmente se producen cambios físicos. Las materias primas deben acondicionarse antes de entrar al proceso # Durante: generalmente hay uno o varios reactores donde suceden las reacciones químicas # Después: los 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

6. Clasificación de las Operaciones Unitarias Flujo de fluidos Transmisión del calor Mezclado Separación: destilación, extracción, absorción, evaporación, cristalización, filtración, centrifugación, humidificación, secado Manejo de sólidos: molienda, tamizado, compresión, fluidización. Clasificación de los Procesos Unitarios Combustión Oxidación Reducción Neutralización 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

7. Tipos de Procesos CONTINUO : Características 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 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

8. SERVICIOS DE UN PROCESO QUIMICO 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: AGUA : para proceso, refrigeración, caldera, limpieza, sanitaria, red de incendio VAPOR : de alta, media o baja presión, seco, saturado, sobrecalentado CONDENSADOS : usos diversos, recuperación de vapor no utilizado COMBUSTIBLES : carbón, fuel oil, gasoil, gas natural, otros ELECTRICIDAD : suministro externo, propia co-generada AIRE COMPRIMIDO : industrial, para instrumentos GASES INERTES : nitrógeno, freón FLUIDOS TERMICOS : aceites, sales EFLUENTES : tratamientos in-situ

9. TIPOS DE REPRESENTACIONES DE UN PROCESO QUIMICO 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: 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

10. 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

11. 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 )  ABC + G … ejemplo de un típico proceso químico… Almacenamiento De Materias Primas ETAPA 1 Preparación de la alimentación ETAPA 2 Reacción ETAPA 3 Separación Del Producto ETAPA 4 ETAPA 5 Purificación Del producto Almacenamiento Del Producto ETAPA 6

12. A con D y E purificador Impurezas D y E A REACTOR B con F purificador Impureza F B separador AB REACTOR C con W purificador C Impureza W separador purificador G residuos ABC purificador molienda tamizado Reciclo de gruesos Reciclo de finos residuos purificador Reciclo de reactivos A y B sin reaccionar ABC + G G + residuos ABC

13. 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.

14. EJEMPLO DE DIAGRAMA DE FLUJO

15. EJEMPLO DE DIAGRAMA DE P & ID

16. 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 siguientes pasos: Realizar un Balance de Materia para calcular las masas de Reactivos y Productos Realizar un balance de energía. A veces hay que resolver balances combinados 1) y 2) Calcular las velocidades de reacción y de transferencia de masa (cinética y equilibrio químico)

17. 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.

18. MOLINO MALLA EVAPORADOR CRISTALIZADOR CAÑA Azúcar: 16 % Agua: 25 % Pulpa: 59 % Bagazo con 80 % de pulpa B C Azúcar 13 % , pulpa 14 % D Pulpa 95 % E Azúcar 15 % Agua F G Azúcar 40 % Agua H I Azúcar cristalizada: 800 kg / hr A DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROBLEMA A B MOLINO

19. Solución: Planteo de ecuaciones con los balances parciales y el global (lo que entra = lo que sale) 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 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 evaporador E = G + F  F = E – G = 5.333,33 – 2.000 = 3.333,33 a) 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 = 5.333,33/5,786 = 921,7

20. 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: 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

21. MATRIZ DE CORRIENTES, CAUDALES Y COMPOSICIONES Con esta matriz se verifica la consistencia de los resultados. 800 1200 2000 3.333,3 5.333,3 921, 7 6255 13630,8 19.885,8 Caudal X X X X X 875,6 875,7 10.904,6 11.732,6 Pulpa 800 X 800 X 800 13 813,15 2.368,5 3.181,7 Azucar X 1200 1200 3.333,3 4533.3 33.1 4.566,15 357,7 4.971,45 Agua I H G F E D C B A CORRIENTE

22. Cuestionario 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?