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Tecnología Educativa sawww.tecnoedu.com
Introducción a lasOperaciones Unitarias
Segunda Parte
Operaciones Unitarias Absorción en columnas Reactores químicos:
Continuamente agitados Tubulares Por lotes Serie de tanques agitados Catalíticos
Destilación en columnas Extracción sólido-líquido Extracción líquido-líquido
Operaciones Unitarias (cont.)
Enfriamiento en torres Secado de bandejas Generación de vapor Filtración Evaporación
Absorción de gas en columnas
Las columnas húmedas pueden usarse para determinar los coeficientes de transferencia de masa entre gases y líquidos, escenciales en las torres de absorción
(equipo Armfield CES)
Absorción de gas en columnas húmedas
Se analiza la absorción del oxígeno del aire en una columna húmeda con agua a la que que se ha quitado el oxígeno al burbujear nitrógeno
Este es un ejemplo de control de absorción por film líquido. El coeficiente de transferencia de masa se puede estudiar para varios caudales de líquido.
Absorción de gas en columnas
Conceptos relevantes: Determinación de los coeficientes de
transferencia de masa entre gases y films líquidos
Relación entre transferencia y caudal Variación del caudal de oxígeno para
determinar n en:Sh = f(Sc)1/2 (Ga)1/6 (Re)n
Reactores Químicos
Tipos principales: Continuamente agitado Tubular Por lotes Serie de tanques agitados Catalítico
(Serie modular CEX de Armfield)
Reactor continuamente agitado
Los reactivos se agitan continuamente con una turbina
Un intercambiador de calor helicoidal sumergido permite ajustar la temperatura del sistema
(equipo Armfield CEX + CEM)
Reactor continuamente agitado
Conceptos relevantes: Relación entre
conversión y tiempo de residencia
Velocidad de reacción Relación entre
temperatura y velocidad de reacción
Efecto y eficiencia del mezclado
Reactor tubular Los reactivos se hacen
circular por un largo tubo arrollado en espiral sobre un tanque termostatizado, manteniendo constante la temperatura de la reacción en todo el proceso.
(equipo Armfield CEX + CET)
Reactor tubular
Conceptos relevantes: Relación entre
conversión y tiempo de residencia
Velocidad de reacción Distribución del
tiempo de residencia
Reactor por lotes Los reactivos se
colocan dentro de un envase estanco y se agitan con una hélice.
Un intercambiador de calor helicoidal se sumerge en los reactivos para permitir agregar o retirar calor de la reacción.(equipo Armfield CEX +
CEB)
Reactor por lotes Conceptos
relevantes: Balance energético y
de masas Evolución de la
temperatura en la reacción
Relación entre modo de reacción y concentración inicial de reactivos
Reactor catalítico
(equipo Armfield CEU)
Reactor catalítico
(diagrama de funcional)
Reactor catalítico En estos reactores se lleva a cabo
la reacción gracias a la intervención de un catalizador, que puede ser químico u orgánico
Una reacción típica en estos reactores es la de inversión del azúcar: (Sacarosa Glucosa + Fructuosa)
Reactor catalítico Conceptos relevantes:
Determinación de la cinética transitoria y estacionaria de un reactor catalítico de columna rellena
Comparación de resultados entre un catalizador químico (resina de intercambio catiónico) y uno biológico
Efecto del tamaño de partícula del catalizador sobre el módulo de Thiele y el factor de efectividad
Reactor catalítico Conceptos relevantes (cont):
Efecto del caudal, temperatura y concentración de la alimentación sobre el régimen estacionario de conversión
Uso de trazadores para caracterizar los flujos dentro del reactor
Técnica de análisis en línea Caracterización de la precisión del análisis
en línea vs caudal y concentración de la muestra
Columna de destilación
Operación continua o por lotes
Con o sin reflujo
(equipo Armfield UOP3)
Columna de destilación Elementos principales:
Caldera Columna destiladora con
múltiples placas Condensador Válvula de control de
reflujo Bombas y controles de
circulación Circuitos de refrigeración Sistema de control del
proceso (manual o preferentemente con PC)
Columna de destilación
Caída de presión vs velocidad de evaporación
Eficiencia de la columna vs velocidad de evaporación
Columna de destilación
Construcción de McCabe-Thiele para destilación por lotes con reflujo al 100% (mezcla de metilclorohexano con tolueno)
Variación de la composición con un reflujo de 5 a 1 (mezcla de metilclorohexano con tolueno)
Columna de destilación Conceptos relevantes:
Caída de presión a lo largo de la columna como una función de la velocidad de evaporación
Eficiencia de la columna como función de la velocidad de evaporación, con reflujo total
Perfiles de temperatura placa-a-placa a lo largo de toda la columna
Construcción de McCabe-Thiele de la línea de operación
Destilación con relación de reflujo constante, variación temporal de la composición del elemento superior.
Columna de destilación Conceptos relevantes (cont):
Balance de masa en el sistema Control manual de la relación de reflujo, por
ejemplo: para obtener un producto superior con una composición especificada
Comparación de comportamiento con una columna rellena
Destilación continua, en estado de régimen, incluyendo perfiles de temperatura y análisis de McCabe-Thiele
Destilación en condiciones de presión reducida
Columna de destilación Conceptos relevantes (cont):
Efecto del precalentamiento Efecto de la ubicación del punto de
alimentación Demostraciones de destilaciones
azeotrópicas y extractivas
Columna de destilación Conceptos relevantes de control c/PC:
Uso de diagramas mímicos on-line Preparación/ajuste de la adquisición de datos y
análisis posterior de los datos recogidos, mediante planilla de cálculos
Destilación por lotes con relación de reflujo constante
Destilación por lotes con control de la relación de reflujo a partir de una temperatura de la columna
Destilación continua con control PID del calefactor de la caldera a partir de una temperatura de la columna.
Columna de destilación
Destilación por lotes con relación de reflujo constante
Destilación por lotes controlada por la temperatura de la bandeja superior
Columna de destilación
Efecto de la reducción de presión sobre los parámetros de la columna
Efecto del precalentamiento sobre los parámetros de la columna
Columna de destilación Conceptos relevantes de control c/PC:
Destilación continua con control de la relación de reflujo a partir de la temperatura del tope de la columna.
Destilación continua con control en dos puntos simultáneos: control de la temperatura de la caldera y de la relación de reflujo (sistema de control de 2 lazos)
Ajuste óptimo del controlador para cambios de la velocidad de alimentación, composición o temperatura.
Columna de destilación Conceptos relevantes de control
c/PC: Uso de algoritmos alternativos, generados
por el usuario. Dinámica de proceso, por ejemplo,
supervisión y control de planta en las secuencias de encendido y apagado cuando se trabaja de modo continuo
Columna de destilación Conceptos relevantes de control
c/PLC: Control por PLC del calefactor de la caldera y/o
la relación de reflujo, y funcionamiento de la alarma
Supervisión por PC del funcionamiento de PLC y controladores PID. Introducción a sistemas de control distribuidos
Control PID analógico del calefactor de la caldera a partir de una temperatura de columna
Columna de destilación
Control de la columna con un PLC
Extracción sólido/líquido El núcleo de un sistema de
extracción sólido/líquido es una celda rotativa de extracción continua dividida en compartimentos
La materia prima se carga con un tornillo sin fin
El material pre-tratado pasa por tres atomizadores de solvente, uno por cada etapa del proceso
Los productos disueltos en cada etapa son almacenados en tres reservorios separados
(equipo Armfield UOP4)
Extracción sólido/líquido
La temperatura de cada etapa se controla con PID
El proceso se efectúa normalmente a contracorriente
Extracción sólido/líquido
Diagrama simplificado del núcleo del proceso
Conductividad vs tiempo en el producto de una de las etapas
Extracción sólido/líquido Conceptos relevantes:
Operación continua multietapa Operación por lotes en circuito cerrado por
percolación Operación en lazo abierto por percolación Proceso en una, dos y tres etapas Efectos de la temperatura del solvente Efectos del caudal del solvente Efectos del tiempo de procesamiento Optimización económica del proceso Balance de masa
Extracción líquido/líquido Proceso químico
fundamental, en el que se extrae uno o más componentes de una mezcla de líquidos
(equipo Armfield UOP5)
Extracción líquido/líquido1. Columna de
extracción2. Condensador3. Columna de
destilación4. Caldera5. Reservorio de
producto final6. Tanque del solvente
condensado7. Reservorio de solvente8. Alimentación de la
columna9. Recolección de la
columna10. Bomba de agua11. Bomba del solvente
Extracción líquido/líquido Conceptos relevantes:
Hidrodinámica de sistemas líquido/líquido
Proceso continuo y semi-continuo Eficiencia de extracción Fase continua acuosa u orgánica Evaluación de mezclas Balance de masa
Torre de enfriamiento
El empaquetamiento de la columna divide el agua en pequeñas gotas o delgados films, aumentando la superficie de contacto con el aire
El enfriamiento se debe fundamentalmente a la evaporación
El caudal de evaporación es normalmente un 5% del caudal del sistema
(equipo Armfield UOP6)
Torre de enfriamiento Conceptos relevantes:
Patrones de distribución del agua para diferentes regímenes de caudal
Régimen transitorio y estacionario
Cartas psicrométricas y balance energético
Efectos de la relación area/volúmen sobre:
Temperatura Caída de presión
Rendimiento
Absorción de gases en columnas rellenas
Conceptos relevantes: Principios que gobiernan
la absorción de gases en columnas rellenas
Análisis cuantitativo de gases y líquidos
Balance y coeficiente de transferencia de masa
Características hidrodinámicas de una columna rellena
Punto de carga e inundación
(equipo Armfield UOP7)
Absorción de gases en columnas rellenas
Diagrama funcional
Secado en bandejas El secado se
produce por la circulación de aire caliente sobre bandejas que contienen material húmedo
(equipo Armfield UOP8)
Secado en bandejas Conceptos relevantes:
Regímenes de secado Analogía entre transferencia
de masa y calor Secado de sólidos de uso
normal en la industria Efecto de la velocidad y
temperatura del aire en el secado
Uso de cartas psicrométricas Balance energético Balance de masa
Filtración
Uno de los procesos más importantes de la industria química
Los filtros más comunes son de bastidores y placas o tubulares radiales
(equipo Armfield UOP12)
Filtrado
Conceptos relevantes:
Filtración Optimización
funcional Ley de Darcy Resistencia media
y de la torta Lavado del filtro Optimización
económica
Diagrama de un filtro de bastidores y placas
Filtrado Conceptos relevantes:
Microfiltración continua Análisis del flujo y
transmisión de un marcador proteico
Obstrucción del filtro. Resistencia de membrana limpia y sucia
Caída de presión en la membrana
Balance de masa Presión en membrana vs flujo
y transmisión de proteínas Efectos de la velocidad axial
Sistema de filtrado con filtro tubular radial
Evaporación Extracción de parte de
la humedad de un compuesto haciéndolo circular como una película en contacto con un gas en una columna
Simple efecto o doble efecto
Film ascendente o descendente
(equipo modular Armfield UOP20)
Evaporación
Diagrama funcional
Evaporación Conceptos relevantes:
Balance de masa y energía Comparación económica de los
distintos tipos de evaporador Alimentación directa, inversa y
en paralelo Evaporación vs temperatura y
presión Efecto de la velocidad de
circulación sobre el coeficiente de transferencia de calor
Estrategias de control de procesos
Efecto simple, columna ascendente
Doble efecto, columnas descendentes
¿Cómo conseguir una copia de este material?Se puede bajar gratuitamente de:
www.tecnoedu.com
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