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Unidad7 El proceso Químico 1

Unidad d idáct ica 7

E l Proceso Químico como combinación de operaciones básicas

Proceso se puede definir como una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de cambios graduales, progresivamente continuos, que se suceden uno a otro de un modo relativamente fijo, y que tienden a un determinado resultado o final; o a una operación voluntaria o artificial progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o fin. Ejemplos de ellos son los procesos químicos en los que nos centraremos a continuación. Al finalizar el estudio de estas lecciones serás capaz de:

Diferenciar procesos u operaciones unitarias dentro de un proceso global.

Distinguir entre procesos básicos físicos y químicos.

Tener claro qué son las operaciones unitarias y qué papel juega la reacción química dentro de los procesos químicos.

Conocer qué son las operaciones unitarias y qué papel juega la reacción química dentro de los procesos químicos.


Capítu lo 1

Procesos

Podemos definir proceso como el conjunto de operaciones físicas y/o químicas dirigidas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas. Cada una de estas operaciones es una operación unitaria dentro del proceso global. Al finalizar el estudio de estas lecciones serás capaz de:

Diferenciar procesos u operaciones unitarias dentro de un proceso global.

Distinguir entre procesos básicos físicos y químicos.

Tener claro qué son las operaciones unitarias y qué papel juega la reacción química dentro de los procesos químicos.


Lección 1

Introducción

Existe una relación entre el medio natural y la industria que implica la existencia de un flujo materia-energía entre ambos. En este intercambio continuo se pueden distinguir dos tipos de procesos

Procesos naturales: como pueden ser la función fotosintética o la agricultura.

Procesos artificiales: que dan como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza.

Estos últimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominados Procesos en el campo de la industria química. Proceso: conjunto de operaciones físicas y/o químicas dirigidas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes.

Nota: Un producto es diferente de otro si tiene distinta composición, está en un estado distinto o han cambiado sus condiciones.

En la descripción general de cualquier proceso existen diferentes operaciones involucradas.

Unas llevan inherentes diversas reacciones químicas. En cambio otros pasos son meramente físicos, es decir, sin reacciones químicas presentes.

Procesos básicos físicos y químicos

La fabricación de un producto químico requiere la realización de una serie de procesos parciales, más o menos independientes de los que, la “preparación” y “purificación de las materias primas”, la “reacción” propiamente dicha y el “acondicionamiento” de los productos finales se presenta en la fabricación de casi todos los productos.


Cada uno de estos procesos parciales se puede subdividir a su vez en fases de trabajo de las que, por ejemplo, la trituración, la desecación, el tamizado etc. son procesos físicos mientras, la tostación, la reducción, etc. se cuentan entre los procesos químicos. Ambos tipos de procesos son importantes y su buena coordinación garantiza el curso deseado del proceso global. Nota: En una planta industrial, el proceso de transformación, la reacción tiene lugar casi siempre en aparatos sencillos, mientras que la preparación de las materias primas y acondicionamiento de los productos requiere con frecuencia un considerable despliegue técnico.


Lección 2

Procesos básicos f ís icos

Raramente se puede someter a transformación química una materia prima en la forma en que es obtenida, siendo normal que antes de la reacción haya que prepararla y acondicionarla. Lo mismo es válido para llevar los productos de la reacción a formas comerciables. Los procesos básicos necesarios para esto se pueden dividir en:

Almacenaje

Transporte

Trituración

Tamizado

Desempolvado

Mezclado

Disolución

Absorción

Adsorción

Filtración

Decantación

Centrifugación

Calentamiento

Refrigeración

Concentración

Desecación

Destilación

Sublimación


Lección 3

Procesos básicos químicos

Procesos Básicos Químicos: reacciones

Aunque los procesos físicos básicos son muy importantes, no suelen constituir el núcleo del proceso total, sino que éste radica más a menudo en las reacciones químicas. Por tanto, a las diferentes reacciones químicas las denominaremos Procesos Básicos Químicos. Haremos una selección de los de mayor importancia técnica: Los procesos térmicos desempeñan un papel de importancia, especialmente en química inorgánica y tienen lugar frecuentemente acoplados con reacciones de oxidación y reducción. Por ejemplo, como sucede en la tostación, calcinación, caustificación, etc. En química orgánica se presentan en la preparación de combustibles gaseosos, en coquerías, en procesos de craquing, etc. La gran cantidad de calor necesaria para su realización se toma muchas veces de la reacción misma, pero también es frecuente suministrarlo desde el exterior con empleo de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos, de energía eléctrica y, en algunos casos, utilizándolo directamente en hornos de arco eléctrico. Los métodos catalíticos en las se han extendido paulatinamente por todas las zonas de la química técnica y constituyen hoy la base de las reacciones químicas más importantes. Otros procesos químicos básicos son

electrólisis,

dobles descomposiciones,

neutralización,

hidrólisis, etc.

Los métodos de condensación y polimerización constituyen principalmente los dominios de la industria de resinas y fibras artificiales. Los procesos de fermentación, limitados anteriormente a la industria alimenticia, han alcanzado considerablemente importancia en los últimos años en la producción de medicamentos que actúan como antibióticos.


Procesos de reacción térmicos En numerosos procesos térmicos se desprende, durante la reacción, suficiente calor para que la reacción pueda tener lugar sin suministro exterior de calor: muchas veces es necesario, incluso, eliminar parte de calor de reacción. En otras reacciones se precisa un suministro de calor durante su transcurso (ejemplo: calcinación de caliza). Los procesos que transcurren a alta temperatura se denominan procesos térmicos. Los aparatos donde tienen lugar se denominan: hornos, calentadores o reactores. Horno de reacción: aparato en el que tienen lugar reacciones químicas a altas temperaturas. Procesos de reacción catalíticos

Los catalizadores se utilizan para:

reacción de síntesis y de degradación

Oxidaciones

Hidrogenaciones

Cloraciones

Procesos con separación de agua

Algunos catalizadores orgánicos llamados enzimas, desempeñan un papel de gran importancia en los procesos vitales de organismos humanos, animales y plantas. Algunos de ellos tienen gran importancia técnica en las industrias de fermentación (ejemplo: diastasa, enzima de la cebada germinada)

Catalizadores son aquellas sustancias que influencian la velocidad de una reacción química sin tomar parte estequiométricamente en ella.


Procesos de reacción electrolíticos

Los equipos utilizados se denominan electrolizadores. La transformación tiene lugar en los electrodos, de los que el positivo se llama ánodo y el negativo cátodo. Entre ellos debe haber un electrolito para que tenga lugar conducción de corriente. Si el electrolito es una disolución, el proceso se llama electrólisis en disolución y si es un fundido, electrólisis en fase fundida. Las aplicaciones van desde descomposición de agua y de sales; obtención de metales puros, tratamiento de superficies metálicas (cromado, etc.) los procesos de oxidación y reducción, electrólisis cloro-álcali. El electrolizador es la única célula de dimensiones relativamente pequeñas y que contienen todas las partes necesarias para una electrólisis:

Ánodo

Cátodo

Electrolito

Entre 50 y 100 células se conectan para formar una serie. Una instalación electrolítica contiene varias series. La construcción del electrolizador depende, en los detalles, de la reacción química a llevar a cabo y así, por ejemplo, el material de los electrodos puede ser muy diferente. En la purificación electrolítica de metales se utilizan cátodos de metal puro y se emplean como ánodos barras de metal impuro. Es corriente el empleo de electrodos de carbón (grafito), por ejemplo, en la producción de aluminio Si queremos separar entre sí los productos de la electrólisis, es preciso subdividir la célula por medio de un tabique separador en un espacio catódico y otro anódico. Un tabique poroso de esta clase, solamente permeable para la

La electrólisis es una reacción química provocada mediante la corriente eléctrica continua.


corriente eléctrica, se denomina diafragma. Tiene especial importancia en la electrólisis de disoluciones acuosas. Procesos de reacción a elevada presión

Como todos los recipientes de presión, constan de materiales de alta calidad y de gran espesor de paredes. Se las reconoce exteriormente por las poderosas juntas y tuercas que unen la caldera y su tapa. Procesos de reacción a elevada presión y a elevada temperatura La técnica actual incluye procesos que tienen lugar a elevadas presiones y temperaturas. Tales procesos son por ejemplo:

Síntesis de amoniaco

Hidrogenación de carbón y del monóxido de carbono

Polimerización a alta presión

Síntesis del metanol, etc.

Estas síntesis se llevan a cabo a temperaturas entre 200 y 600 ºC y presiones de hasta 1000 atm. y frecuentemente en presencia de catalizadores. A menudo es preciso iniciar las reacciones por un precalentamiento hasta la necesaria temperatura de reacción.

Las reacciones que tienen lugar a elevada presión deben llevarse a cabo en aparatos de presión llamados autoclaves.


Capitu lo 2

Operac iones Unitar ias

Cada proceso puede dividirse en una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos. Las operaciones unitarias físicas, que hemos visto, se estudian como operaciones básicas mientras que operación unitaria química es la reacción química.

¿Qué son las operaciones unitarias?

¿Qué papel juega la reacción química dentro de los procesos químicos?


Lección 1

Operac iones dentro de los procesos. Concepto de Operac ión uni tar ia

Aunque el número de procesos individuales es muy grande, cada uno de ellos puede dividirse en una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos. Las operaciones individuales poseen técnicas comunes y se basan en los mismos principios científicos. Ejemplo: en la mayor parte de los procesos es preciso mover sólidos y fluidos, transmitir calor u otras formas de energía desde una sustancia a otra, y realizar operaciones tales como secado, molienda, destilación y evaporación. El concepto de operación unitaria es el siguiente: mediante el estudio de estas operaciones en sí (operaciones que constituyen la trama de la industria y los procesos) se unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos. Los aspectos estrictamente químicos de los procesos se estudian dentro de un campo denominado cinética de reacción, o ingeniería de las reacciones químicas.

Las operaciones básicas se utilizan ampliamente en:

Realización de las etapas físicas de preparación de los reactantes.

Separación y purificación de los productos.

Recirculación de los reactantes no convertidos.

Control de la transferencia de energía hacia o desde los reactores químicos.


Lección 2

Operaciones uni tar ias en procesos f ís icos y en procesos químicos

Las operaciones unitarias son igualmente aplicables a procesos físicos y químicos. Ejemplo: fabricación de sal común Consta de la siguiente serie de operaciones básicas:

Transporte de sólidos y líquidos.

Transmisión de calor.

Evaporación.

Cristalización.

Secado.

Tamizado.

En este ejemplo vemos que no intervienen reacciones químicas. Si tomamos como ejemplo el cracking de petróleo, con o sin catalizadores, vemos que es una típica reacción química realizada a gran escala. También aquí las operaciones unitarias (transporte de sólidos y fluidos, destilación y diversas separaciones mecánicas) son de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. Las etapas estrictamente químicas se llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona de reacción.

Las operaciones unitarias físicas se estudian como Operaciones básicas. La operación unitaria química es la reacción química.


Lección 3

Operación uni tar ia química: Reacc ión química

El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan Reactores químicos. Estas son algunas de las operaciones unitarias químicas:

Combustión

Hidratación

Oxidación

Reducción

Saponificación

Hidrogenación

Craqueo o cracking

Fermentación

Polimerización

Reacción química: es la operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de unas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos).


Lección 4

Descr ipc ión de un proceso químico industr ia l : Proceso Solvay

Carbonato sódico La unidad de producción de Carbonato de la fábrica que vamos a describir, produce carbonato sódico en sus dos variedades: Sosa ligera y Sosa densa, así como la solución utilizada posteriormente en la elaboración del bicarbonato sódico refinado. El método utilizado es el denominado "al amoniaco" o "proceso Solvay" que consiste, básicamente, en hacer reaccionar en medio acuoso, el cloruro sódico con bicarbonato amónico obteniendo bicarbonato sódico, a partir del cual conseguimos, por descomposición, el carbonato correspondiente. Las materias primas del proceso son la sal (NaCl) y la caliza (CaCO3). El amoniaco (NH3), no puede considerarse como una de las materias primas ya que es regenerado casi completamente y reciclado. El proceso de fabricación

La piedra caliza se calcina en los hornos de cal donde se consigue, por un lado, óxido de calcio que va a un disolvedor en el que se hidrata y se convierte en hidróxido de calcio; y, por otro, dióxido de carbono (CO2), que a través de una estación de compresión se envía a las columnas de carbonatación. A éstas, llega también la salmuera (agua saturada con sal), enriquecida con amoniaco en otras etapas del proceso (absorción), para formar salmuera amoniacal. En la instalación de carbonatación la salmuera amoniacal se pone en contacto con el dióxido de carbono, produciéndose la reacción química que dará lugar finalmente a una solución de bicarbonato sódico y cloruro de amonio.

NaCl + NH3 + H20 + CO2 NaHCO3 + NH4Cl NaCl = salmuera NH3 = amoniaco

H2O = agua CO2 = dióxido de carbono NaHCO3 = bicarbonato sódico (hidrogenocarbonato de sodio) NH4Cl = cloruro amónico (cloruro de amonio)


El bicarbonato sódico se obtiene en estado sólido y se separa de las aguas de cloruro de amonio por medio de filtros.

El cloruro de amonio se dirige al destilador donde se hace reaccionar con el hidróxido de calcio al objeto de liberar el amoniaco, que se incorporará al absorbedor para ser reutilizado.

2NH4Cl + Ca (OH)2 2NH3 + CaCl2 NH4Cl = cloruro amónico (cloruro de amonio) Ca(OH)2 = hidróxido de calcio NH3 = amoniaco H2O = agua CaCl2 = cloruro cálcico (cloruro de calcio)

Por su parte, el bicarbonato sódico NaHCO3 se calienta en un secador y se descompone, produciendo además de agua y gas carbónico, el carbonato sódico.

2NaHCO3 + Calor Na2CO3 + H2O + CO2 NaHCO3 = bicarbonato sódico (hidrogenocarbonato de sodio) Na2CO3 = Carbonato sódico H2O = agua CO2 = dióxido de carbono

El carbonato sódico fabricado por este proceso es de una pureza particularmente elevada para un producto industrial de gran consumo.


Proceso fabricación carbonato de calcio

Usos principales

• Industria del vidrio. • Industria química: fabricación de silicatos, fosfatos, polifosfatos,

percarbonato, sulfito sódico... • Fabricación de detergentes y usos domésticos. • Industria siderúrgica. • Industria metalúrgica no-férrea. • Depuración de humos. • Tratamiento de lagos ácidos.


Capítu lo 3

Diseño de un proceso químico: ba lances de mater ia

En un proceso industrial, el balance de materia es la aplicación al mismo de la conservación de la materia. Su aplicación conduce a una ecuación que expresa el cómputo total de la materia que entra, sale se acumula y se genera (o desaparece) en un recinto determinado.

Objetivos

Conocer de qué modo se cuantifican los flujos de materia y energía a lo largo de la planta.


Lección 1

Just i f icac ión

Una vez que tenemos esquematizado un proceso mediante un diagrama de flujo, el siguiente paso es poner el complemento a ese “esqueleto” creado cuantificando los flujos de materia y energía a lo largo de la planta, es decir realizar los balances de materia y energía en cada unidad.

Efectuando los balances, se debe:

Justificar las asunciones y aproximaciones

Usar el código mnemotécnico (la etiqueta de identificación) para etiquetar las unidades

Usar números (o letras) de corrientes para identificar corrientes de entrada y salida

Usar nomenclatura consistente

Evitar el uso de números pequeños mediante la elección conveniente de unidades

Ser consistente en el uso de cifras significativas en los cálculos

Complementar los cálculos generados por el ordenador con los cálculos manuales.


Lección 2

Balances de mater ia

Los balances de materia son la base del diseño de un proceso químico, esta es la primera etapa cuantitativa del diseño. Un balance de materia tomado sobre todo el proceso determina los requerimientos de materia prima y productos manufacturados. Los balances sobre unidades individuales de proceso fijan los flujos y las composiciones de las corrientes.

Los balances de materiales son también herramientas útiles para el estudio de la operación de una planta. Pueden usarse para comprobar la operación frente al diseño, para controlar y calibrar los instrumentos y para localizar las causas de las pérdidas de los materiales. En el diseño de un proyecto, el balance de materiales se efectúa con la capacidad dada por el estudio de mercado cuando se quiere manufacturar un producto o por el análisis de disponibilidad de materias primas cuando se desea industrializar un recurso existente.

Un buen entendimiento de los cálculos del balance de materia es esencial en el diseño del proceso.


Lección 3

Conservación de la masa

La ecuación general de conservación de la masa para cualquier sistema de proceso puede escribirse como:

Si se lleva a cabo una reacción pueden formarse o consumirse especies químicas en el proceso.

Si no hay reacción química el se reduce a:

Masa que entra = Masa que sale

Una ecuación de balance puede escribirse separadamente para cada especie presente identificable, elementos, compuestos o radicales; y para la masa total.

Entrada + Generación – Consumo - Acumulación = Salida


Ejemplo 2000 kg. de una solución con 5 % de hidróxido de calcio en agua se debe preparar por dilución de una mezcla de 20 %. Calcular las cantidades requeridas. Nota: Los porcentajes están dados en peso.

Solución:

Denominación de las corrientes:

A: Lodo al 20 % de Ca (OH)2 B: Agua C: Lodo con 5% de Ca (OH)2

Se debe cumplir en estado estacionario

ENTRADAS = SALIDAS

Balance total:

A + B = C

A + B = 2000 (a)

Balance parcial:

1) Hidróxido de calcio

0,20 A + B = 0,05 C 0,20 A = 100 (b-1)

2) De agua

0,80 A + B = 0,95 B 0,80 A + B = 1 900 (b-2)

de la Ec. (b-1)

A = 500 kg. de solución al 20%

Reemplazando A en las ecuaciones (a) ó (b-2)

B = 1500 kg. de agua


Verificando el balance de materiales sobre la cantidad total:

X + Y = 2000

500 + 1500 = 2000 ¡Correcto!


Lección 4

Convers ión y rendimiento

Debemos distinguir entre conversión y rendimiento. Conversión esta relacionado con los reactantes y rendimiento con los productos.

Conversión

Conversión es una medida de la fracción del reactante que reacciona.

Para optimizar el diseño del reactor y para minimizar la formación de subproductos, la conversión de un reactante en particular es a menudo menor del 100%.

Esta definición da la conversión total de un reactante particular para todos los productos.

Algunas veces se da la conversión referida a un producto específico, usualmente el producto deseado. En otro caso debe especificarse el producto tanto como el reactante. Esto es realmente una forma de expresar el rendimiento.

Si es usado más de un reactante, debe especificarse el reactante sobre el cual se basa la conversión.


Rendimiento

Rendimiento es una medida del funcionamiento de un reactor o planta.

Varias definiciones diferentes de rendimiento son usadas, y es importante establecer claramente las bases de cualquier forma de rendimiento.

Para un reactor el rendimiento es definido por:

En el trabajo con reactores industriales es necesario distinguir entre "Rendimiento de reacción" (rendimiento químico), el cual incluye solamente pérdidas químicas de productos; y el "Rendimiento total" del reactor el cual incluye también pérdidas físicas.

Si la conversión es cercana al 100 % puede no ser necesaria la separación y recirculación de material no reaccionado; el rendimiento total del reactor debe entonces incluir las pérdidas de material no reaccionado.

Si el material no reaccionado es separado y recirculado, el rendimiento total tomado sobre el reactor y la etapa de separación deberá incluir cualquier pérdida física en la etapa de separación.

Rendimiento de la planta (aplicado a la planta total o a cualquier etapa).

Cuando se usa más de un reactante, o se produce mas de un producto, es necesario que el producto y reactante a los que se refiere el rendimiento sean especificados claramente.

El rendimiento de la planta es una medida de la operación total de la planta, este incluye todas las pérdidas físicas como químicas.

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