operaciones unitarias 2015

Prof. Miguel Pereira S.

540-440

Procesos individuales en que puede dividirse un proceso cualquiera

para facilitar su estudio. Generalmente estn referidos a etapas

definidas por un equipo en particular. Las operaciones unitarias se

basan en la aplicacin de fenmenos fsicos tales como la

transferencia de materia y calor para la separacin o mezclas de

compuestos, preaparicin de reactivos, acondicionar productos, etc.

Las reacciones qumicas son operaciones unitarias especficas cuyo

estudio esta relacionado a la cintica de las reacciones qumicas o

ingeniera de las Reacciones qumicas

PROCESOMATERIAS

PRIMASPRODUCTOS

ENERGA

RESIDUOS

INSUMOS

Remolacha AZUCARMelaza

Coseta

ENERGA

RESIDUOS

Agua

Otros Insumos

DIAGRAMA DE PROCESO FABRICACIN DE AZUCAR

Recepcin y preparacin

de remolachaEXTRACCIN

PurificacinEvaporacin

(Concentracin)

CRISTALIZACIN Secado y envasado

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO

CosetasCosetasCosetas

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO

GAS DE

LIMPIO

GAS DE

SNTESIS

GAS NATURAL

COMO

COMBUSTIBLE

GAS DE

PURGA

FUEL OIL

AGUA ,TRAZAS

ORGNICAS

METANOL CRUDO

LIMPIEZA

REFORMACION

SNTESIS

PURIFICACIN

GAS NATURAL

METANOL

GRADO AA

PROCESO DE

OBTENSIN DE METANOL

Agua

Vapor

Agua

Aire

FormalinaMetanol

E-1A

E-2A

HX-2A

HX-1A

V-3A

HX-3A

Transporte de materiales.

Procesos de separacin.

Procesos de mezclado.

Reacciones Qumicas.

Reduccin de tamao.

ETC.

De acuerdo al tipo de proceso De acuerdo al fenmeno fsico que predomina

Operaciones de Transferencia de masa

Operaciones de Transferencia de Calor

Operaciones de mecnica de fluidos

Operaciones con reacciones qumicas

Operaciones con reacciones Bioqumicas

Operaciones con partculas slidas

2.2.- PRINCIPALES OPERACIONES UNITARIAS (OO.UU)

1. Equipos para transporte de fluidos

2. Agitacin y mezclado

3. Equipos para transferencia de calor

4. Evaporacin

5. Secado

6. Destilacin

7. Absorcin

8. Adsorcin

9. Separacin por membranas

10.Lixiviacin y Extraccin

11.Cristalizacin

12.Separaciones fsico mecnicas13.OO.UU Qumicas

Principios y mecanismos bsicos

comunes:

Transferencia de momentum Transferencia de materia Transferencia de calor

2.3.- OPERACIONES UNITARIAS DE MECNICA DE FLUIDOS.

Dinmica de fluidos

Esttica de fluidos

Conceptos bsicos:

Fluido

Presin

Densidad

Miscibilidad

2.3.- Operaciones unitarias de mecnica de fluidos.

1. Movimiento de fluidos

Transporte Lquidos Bombas.

Transporte Gases y vapores Compresores, ventiladores, Sopladores.

Movimiento de partculas slidasTransporte neumticoTransporte hidrulico o en suspensinFluidizacin

1. Movimiento de fluidos

Agitacin y Mezclado

Centrifugacin separaciones mecnicas (Ciclones)

ETC.

2.3.- Operaciones unitarias de mecnica de fluidos.

Transporte de fluidos

2.3.- EQUIPOS PARA TRANSPORTE DE FLUIDOS

1. Bombas Centrfugas, fllujo axial, flujo mixto, recprocas, dedesplazamiento positivo, peristlticasentre muchas otras.

2. Ventiladores

3. Compresores

Bombas centrfugas

Son utilizadas ampliamente en la industria

de procesos para transportar fluidos de

baja viscosidad (< 50 cP)

Alcanzan capacidades de ~400 l/s.

Principio de accin: Adicin de presin a

un lquido mediante el aumento de

velocidad al pasar por el cuerpo de la

bomba.

Transporte de aire y gases

Transporte neumtico

2. AGITACIN Y MEZCLADO

Agitacin Movimiento inducido de un material especfico confinado en unrecipiente (modelo circulatorio).

Objetivos 1. Suspensin de partculas slidas2. Mezclado de lquidos miscibles

3. Dispersin de un gas o un lquido inmiscible

4. Promocin de la transferencia de calor o materia

Equipo Estanque abierto o cerrado, fondoredondeado para evitar los puntos muertos, el rodete

se instala en un eje.

Rodete crea el modelo de flujo al interior del sistema

(axial y radial).

Tipos Hlice: 400-600 RPM Y 1100 1800 RPM,Palas: 20 150 RPM (50 a 80% del Dtanque)Turbina: Amplio rango de viscosidades (30 a

50% del Dtanque)

Parmetros: Dimetro tanque y agitador, velocidad de

giro, altura de lquido, bafles entre otros.

Mezcladores

Mezclado Distribucin al azar de dos o mas fases inicialmente separadas.


Operacin compleja de modelar.

Se define una constante de mezcla, k. Donde:

k= f( Re, d, D, H, tipo de rodete)

En un proceso, cuando se mezclan dos o ms corrientes, debe tenerse en cuenta

que la (las) corrientes resultantes podrn tener las mismas sustancias pero con

composiciones diferentes a las originales.

Objetivo Lograr la distribucin mas regular de los componentes de la mezcla..

Operaciones unitarias de mecnica de fluidos.

2. Esttica de fluido

Separacin de fase

Sedimentacin o decantacin

Centrifuga

2.4- OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conceptos bsicos:

Siendo T1 > T2

T1 T2Q: Calor

Conduccin

Conveccin

radiacin

2.4.- TRANSFERENCIA DE CALOR: CONCEPTOS BSICOS

Transferencia de calor Transferencia de energa por diferencia de temperatura.

Mecanismos de Td C

Conduccin Conveccin Radiacin

Calor : Forma de Energa

Conductividad trmica

Capacidad calrica

W / (m K)

kJ / (kg K)

2

2

s

kgmJouleQ

Aire Seco

Vapor de Agua


1. Transferencia de calor con cambio de fase

EvaporacinCondensacinFusin

Congelacinsublimacin

2. Transferencia de calor sin cambio de fase

Calentamiento

Enfriamiento


2.5.- . EQUIPOS PARA TRANSFERENCIA DE CALOR

Intercambiadores de calor Dispositivo para transferir calor de una corriente aotra. Si hay cambio de fase, se habla de condensadores o evaporadores

segn corresponda.

Clasificacin Forma de contacto (Co y contracorriente, flujo cruzado) yForma fsica (Estanque agitado, tubos concentricos, tubo y carcaza, placas,

espirales)

Formas de contacto

Co-corriente

Contracorriente

Flujo cruzado

Forma fsica

Intercambiador de tubo y carcaza

En paralelo 1-2

IC tubos concntricos

Serpentn

Chaqueta calefactora


Intercambiador de placas

Intercambiador espiral


Evaporacin Objetivo: Concentrar una solucin que consta de un soluto novoltil y un disolvente voltil que pocas veces se recupera.

Equipo Evaporador: IC encerrado en una carcaza que eleva la temperatura dela solucin desde la temperatura de alimentacin a la Tb.

Evaporador de efecto simple

Regla dedo gordo: 1 kg de vapor evapora

1 kg de agua aprox.

e = Economa de vapor =

Vapor generado/ Vapor alimentado

2.6.- . TRANSFERENCIA DE CALOR: EVAPORACIN

Los evaporadores de efecto simple no son eficientes del punto de vista

energtico Evaporadores de mltiple efecto.

P1 < P2 < P3 T1 > T2 > T3 ; e >2

Evaporador cocorriente

Tf cercana a T1

Producto sensible a la T

Evaporador contracorriente

Tf baja

Producto viscoso T alta a la salida reduce la

viscosidad y permite la

TdC.


Secado Objetivo: Separar pequeas cantidades de agua u otro lquido de unmaterial slido. Reducir la humedad hasta un valor bajo aceptable.

Transferencia de calor y materia en forma simultanea.

La operacin de secado puede clasificarse Por lotes (agente secante enmovimiento, slido hmedo no) o continua (agente secante y slido hmedo

en movimiento)

Equipos de secado Directos o Indirectos (Gas se usa para transportar lahumedad)

Curvas de humedad y velocidad de

secado en el tiempo.

2.7.- . TRANSFERENCIA DE CALOR: SECADO

Equipos de secado por lotes

Secador de bandejas Secador de circulacin transversal


Equipos de secado continuo

Secador spray

Secador rotatorio

Secador de tambor


2.8.- OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA

Conceptos bsicos:

Siendo C1 > C2

C1 C2Materia

Difusin

Conveccin

Ci: Concentracin

Conceptos bsicos:

Concentracin

3m

kg

VolumendeUnidad

MasaC

XiCi

mezcla.:

:

::

lademolaromasadedensidad

icomponentedelmolaromasadeFraccinXi

intedelcomponeinCncentracCidonde

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA:

Conceptos bsicos:

En operaciones de transferencia de materia deben existir al

menos dos fases en contacto, ejemplo:

Liquido Gas

Liquido Liquido (de diferentes densidades)

Liquido slido

Gas slido.

Etc.

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA:

Destilacin Objetivo: Separar sustancias basado en las diferencias de puntosde ebullicin de las mismas.

Aplicaciones Es una de las OO.UU ms reconocidas y estudiadas. Industrialdel petrleo, purificacin de agua, produccin de bebidas alcohlicas.

Ventajas Se puede obtener un producto tan puro como se desee.

No se necesita incluir sustancias diferentes a la original.

Por lo general no se requieren purificaciones posteriores del producto.

Desventajas Consumo energtico

Altas temperaturas pueden causar descomposicin de las sustancias de inters.

Tamao de los equipos Dimetro de 65 cm 16 m. Alturas de 6 90 m.

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: DESTILACION

Equipo Columna de destilacin

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: DESTILACION

Absorcin Objetivo: Un vapor soluble en un gas se retira del mismo a partir deuna corriente de lquido en la que el vapor es se retira con agua)

Desorcin (o stripping) Operacin inversa a la absorcin, Soluto se recuperadesde una corriente de lquido ponindola en contacto con un gas inerte.

Equipo Torre de relleno

Relleno se ubica al azar u ordenado.

Tamao del relleno: - 3 in (Azar)

2 8 in (Ordenado)

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: ABSORCIN Y DESORCIN

Tipos de relleno

Inerte

Resistente

Buen contacto

Poco P$


Adsorcin Uno o mas solutos de una fase fluida se transfieren a una faseslida (slido adsorbente) por la que presentan afinidad. (e.g. Separacin de

H2S desde un gas inerte al ponerlo en contacto con ZnO)

Imagen SEM carbn activo

Isotermas de adsorcin

Adsorbente material altamente porosoas ~ 500 2000 m

2/g

Afinidad diferencias de polaridadRecuperable.

Ejemplos: Carbn activo, slica gel, zeolitas.

Factores

Peso molecular AltoConcentracin AltaPresin Alta Temperatura BajaHumedad Baja


Membrana Permite la separacin fsica de los componentes de unasuspensin producto de la aplicacin de una diferencia de presin, diferencia

de concentracin o diferencia de potencial elctrico.

Parmetros Selectividad (Retencin, R) y Productividad (Flux o densidad deflujo L/m2 h)

Flux

Membrana tubular

Membrana espiral

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: SEPARACIN POR MEMBRANAS

Separacin debido a gradientes de presin

MF Presin < 2 bar (0.1 10 m )UF Hasta 10 bar (0.001 0.1 m )NF 10 25 bar OR 15 80 bar

MF UF NF OR

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: SEPARACIN POR MEMBRANAS

Lixiviacin (extraccin slido - lquido) Objetivo: disolver materia solublepresente en mezcla con un slido insoluble.

Material disuelto debe

purificarse usando

otras tcnicas.

Disolvente puede o no

recuperarse.

Operacin puede ser a

presin.

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: EXTRACCIN Y LIXIVIACIN

Extraccin (extraccin lquido - lquido) Objetivo: Separar dos lquidosmiscibles a partir de la incorporacin de un tercer lquido donde uno de los

otros dos es ms soluble.

Se usa cuando la operacin de destilacin no es eficiente Mezclas con puntosde ebullicin muy cercanos o bien mezclas que contienen sustancias muy

termolbiles. Proceso ms econmico. Evita uso de compuestos qumicos.

Alimentacin

Disolvente

Extracto (Rico en disolvente y

sustancia de inters)

Refinado (Alimentacin

pobre en sustancia de inters)

Equipo de extraccin

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: EXTRACCIN Y LIXIVIACIN

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: EXTRACCIN LIQUIDO-LIQUIDO

Cristalizacin Objetivo: Formar partculas slidas a partir de una fasehomognea.

Importancia industrial

Los cristales formados son puros an cuando la disolucin de la que provengan

no lo sea.

Producto (cristales) viene en una condicin adecuada para su envasado y/o

almacenamiento.

Magma Es el producto que se obtiene del cristalizador y que contiene unamezcla de cristales y lquido donde estn disueltas las impurezas. A este

lquido se le denomina licor madre.

Equipo Cristalizador, el cual puede funcionar en forma discontinua o continua.Partes principales: Zona de sobresaturacin. Zona de crecimiento de

cristales, Zona de purificacin.

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: CRISTALIZACIN

Cristalizacin:

Recuperacin de un producto slido disuelto en una

mezcla lquida por alteracin fsica o qumica de la mezcla. Para el

efecto es necesario alterar la solubilidad del producto de inters e

inducir la sobresaturacin (generalmente se modifica la

temperatura o la concentracin del slido en la mezcla evaporando

solvente). Posteriormente es necesario separar el material slido

del lquido.

2.8.- . TRANSFERENCIA DE MASA: CRISTALIZACIN

5.9.- SEPARACIONES FSICO - MECNICAS

Procesos de separacin Se clasifican en difusionales (implican cambios defase o transporte de materia de una fase a otra) y mecnicos.

Separacin mecnica Se aplica a mezclas heterogneas y se basa endiferencias fsicas de las partculas (de forma, tamao o densidad).

Principales operaciones

Tamizado

Filtracin

Decantacin

Centrifugacin

Tamizado Separacin de partculas basado slo en el tamao de las mismas.

Filtracin Separacin de partculas slidas contenidas en un fluido, haciendopasar el fluido a travs de un medio filtrante (tela). Fluido se mueve por

diferencia de presin aplicada.

Filtro de placas y marcos Filtro rotatorio a vaco


Decantacin O sedimentacin por gravedad. Partculas poseen una densidadmayor que la del fluido donde se encuentran suspendidas.

Los equipos de este tipo se clasifican en: Clasificadores y Clarificadores.

Clasificadores Separan por tamao (igual densidad) o gravedad (densidadesdiferentes)

Clarificadores Para lodos, donde las partculas tienen gran densidad ysedimentan rpidamente.


Centrifugacin Las partculas se someten a un campo centrfugo Fza deseparacin es mucho mejor que en un separador gravitacional.


6.- OPERACIONES UNITARIAS CON PARTCULAS SLIDAS

Reduccin de tamao:

Molienda, astillado.

Separaciones mecnicas:

Tamizado

Filtracin

Macro: Filtros prensas, filtros rotatorios, etc

Micro: Separacin con membranas, ultra filtracin,

nanofiltracin, osmosis inversa, etc.

Sedimentacin

Flotacin.

Reduccin de tamao

6.- OPERACIONES UNITARIAS CON PARTCULAS SLIDAS

7.-. OO.UU QUMICAS

Combustin Es la reaccin qumica entre un combustible (sustancia quequema) y un comburente, (oxgeno) en donde se produce energa calrica, y

productos slidos como cenizas y gases. Entre los compuestos ms

comunes que producen combustin se encuentran los Hidrocarburos

Cracking Compuesto qumico orgnico, se descompone o fracciona encompuestos ms simples. El craqueo se realiza ya sea por la aplicacin de

calor y alta presin, mediante el proceso conocido como craqueo trmico, o

bien por el craqueo cataltico, que es la combinacin de calor y una catlisis

Polimerizacin Es el proceso que se realiza al unir varias molculas mspequeas (monmeros) en otras ms grandes (Polmeros). El nmero de

unidades que se repiten en una molcula grande se Ilama grado de

polimerizacin.

Operaciones con reaccin Qumica.

REACTORMoles de A

Moles de B

Entrada,

Reactivos Salida,

Productos

Moles de C

Moles de D

Moles de A (sin reaccionar, pude ser cero)

Moles de B (sin reaccionar, pude ser cero)

Balances por componentes

Balances elemental

A + 2 B C + 3 D (revisar estequiometra)

REACCIN:

Ley de proporcionalidad: los tomos reaccionates se agrupan

en una reaccin qumica conservando siempre la misma

relacin.

2 NaOH + Cl2 NaOCl + NaCl + H2O

Nota: No siempre ocurre que

Moles Entran = Moles salen

A + 2 B C + 3 D (revisar estequiometra)

Reacciones Qumicas

Moles Entran de A Moles salen de A

Se define Rs como la produccin o consumo de una

sustancia s

Entran

A

Salen

AA nnR

Para nuestro caso, en el reactor se tiene:

A

ent

A

sal

A Rnn

Donde :

nA: moles de A

RA: moles de la sustancia A que se generan o consumen.

Fermentacin Proceso en el que ocurren cambios qumicos en las sustanciasorgnicas producidos por la accin de enzimas o producidas por organismos

diminutos tales como hongos, bacterias y levaduras.

13. OO.UU QUMICAS

10.- OPERACIONES UNITARIAS Y LOS PROCESOS DE SEPARACIN

PROCESOMATERIAS

PRIMASPRODUCTOS

ENERGA

RESIDUOS

INSUMOS

Gran nmero de alternativas

Variedad de Equipos

Variedad de Agentes de Separacin

IMPORTANCIA

Precio de los Productos aumenta con la pureza

Mayor Pureza: Separaciones se dificultan, mayor costo.

Procesos simples: Poca eficiencia y bajo costo (general)

Mayor recuperacin de producto Valioso: Mayor costo y Mayor Beneficio


Ejemplo: Sal en agua se puede separa por:

Evaporacin:

osmosis inversa

Cristalizacin


Agente de separacin: Msico, energtico, fsico, qumico elctrico, etc.

Factor de separacin: Indica la facilidad de separacin.

2

2

1

1

j

i

j

i

XX

XX

ij


MEZCLA

Agente de

separacin

Producto 1

Producto 2


Ejemplo: Sal en agua se puede separa por:

Evaporacin:

osmosis inversa

Cristalizacin

Agente de separacin: Energtico

Productos: Sal seca y Agua (vapor)

Agente de separacin: Energtico

Productos: Salmuera concentrada y

salmuera diluida

Agente de separacin: Fsico

Productos: Sal hmeda y salmuera diluida

operaciones unitarias 2015

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