TEMA 2. INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES · PDF filereactores de lecho fijo y lecho fluidizado, etc. Contacto intermitente →Fases se separan y se vuelven a mezclar en etapas de contacto

TEMA 2 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL

TEMA 2. INTRODUCCITEMA 2. INTRODUCCIÓÓN A LAS OPERACIONES N A LAS OPERACIONES BBÁÁSICAS E INGENIERSICAS E INGENIERÍÍA DE LA REACCIA DE LA REACCIÓÓN QUN QUÍÍMICAMICA

1. Operaciones B1. Operaciones Báásicas o Unitarias sicas o Unitarias

1.1. Concepto de operaci1.1. Concepto de operacióón unitaria y mn unitaria y méétodo de trabajotodo de trabajo1.2. Clasificaci1.2. Clasificacióón y descripcin y descripcióón de las operaciones unitarias de separacin de las operaciones unitarias de separacióónn

2. Ingenier2. Ingenieríía de la reaccia de la reaccióón qun quíímicamica

2.1. Generalidades2.1. Generalidades2.2. Reactores qu2.2. Reactores quíímicosmicos

BibliografBibliografííaaINTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICAG. Calleja, F. García, A. de Lucas, D. Prats y J.M. RodríguezEd. Síntesis, Madrid, 1999.Tema 3 y Tema 13

CURSO DE INGENIERÍA QUÍMICAJ. Costa López y otros.Editorial Reverté, S.A, 1991Tema 2


1. OPERACIONES B1. OPERACIONES BÁÁSICAS O UNITARIASSICAS O UNITARIAS

Enfoque tEnfoque tíípico de la Qupico de la Quíímica Industrialmica Industrial

Descriptivo y aplicado a cada procesoDescriptivo y aplicado a cada proceso

Enfoque tEnfoque tíípico de las Operaciones Unitariaspico de las Operaciones Unitarias

Menos descriptivo pero mMenos descriptivo pero máás cients cientíífico y sistemfico y sistemááticotico


1.1. CONCEPTO DE OPERACI1.1. CONCEPTO DE OPERACIÓÓN UNITARIA Y N UNITARIA Y MODOS DE OPERACIMODOS DE OPERACIÓÓNN

OperaciOperacióón unitaria n unitaria →→ Cada una de las operaciones o Cada una de las operaciones o etapas individuales con una funcietapas individuales con una funcióón especn especíífica fica diferenciada que, coordinadas entre sdiferenciada que, coordinadas entre síí, permiten , permiten llevar a cabo un proceso qullevar a cabo un proceso quíímicomico--industrial.industrial.

DirectoIndirecto



SEGSEGÚÚN MODO DE OPERACIN MODO DE OPERACIÓÓNN

• Entrada y salida continua de las corrientes

• Régimen estacionario (variables intensivas no varían con el tiempo)

• Alta productividad → no se interrumpe la operación

→ continua salida de productos

• Tamaño de equipos menores → Velocidad de transferencia de propiedad

→ Tiempo de residencia

→ Cantidad de alimentación

→ Pureza del producto

→ Condiciones de trabajo (P, T, etc)

OPERACIONES CONTINUASOPERACIONES CONTINUAS


• Operaciones intermitentes o por lotes

• Periodos (carga, procesado y descarga)

• El tiempo es una variable clave (tamaño del equipo)

• Régimen no estacionario (no hay entrada ni salida continua de corriente)

• Pequeña escala, producto de alto valor añadido y/o paradas frecuentes

OPERACIONES DISCONTINUASOPERACIONES DISCONTINUAS



• Entrada y salida continua de alguna corriente

• Periodos de carga, procesado y descarga para el resto

• El tiempo es una variable clave (tamaño del equipo)

• Régimen no estacionario

OPERACIONES SEMICONTINUASOPERACIONES SEMICONTINUAS



Transporte máximo de propiedad

Eficiencia y rendimiento de la operación → modo de circulación de las fases

Flujo en paralelo

Flujo en contracorriente Flujo cruzado

SEGSEGÚÚN DIRECCIONES DE FLUJON DIRECCIONES DE FLUJO


Contacto continuo → Fases en contacto permanente en el interior del equipo. Su separación se produce a la salida

Favorecen el transporte de propiedad

Columnas de relleno, reactores de lecho fijo y lecho fluidizado, etc.

Contacto intermitente → Fases se separan y se vuelven a mezclar en etapas de contacto sucesivasColumnas de platos

SEGSEGÚÚN MODO DE CONTACTO ENTRE LAS FASESN MODO DE CONTACTO ENTRE LAS FASES


1.2. CLASIFICACI1.2. CLASIFICACIÓÓN Y DESCRIPCIN Y DESCRIPCIÓÓN DE LAS N DE LAS

OPERACIONES UNITARIASOPERACIONES UNITARIASAtendiendo a las fases que intervienen en la operación


Transferencia de cantidad de movimiento

Agitación y mezclado de líquidosFiltraciónFluidizaciónSedimentaciónCentrifugaciónTrituración y Molienda

Atendiendo al mecanismo de transporte controlante


Objetivo operación unitaria → Modificar las condiciones de una determinada corriente de materia

- Existencia de dos fases (sólido + fluido) en contacto.- Existe una diferencia de velocidades entre ambas (movimiento relativo).

- Procesos que implican transporte, contacto o separaciones mecánicas (Flujo de fluidos, filtración, sedimentación, mezclado, etc.)

Modificación de las condiciones de movimiento

Modificación del nivel energético

- Existe una diferencia de temperatura entre dos puntos.- Calentamiento, enfriamiento o cambios de fase.- Cambiadores de calor, evaporadores, etc.

- Existen dos fases en contacto (fluido + sólido ó fluido + fluido)- Existe multiplicidad de componente en al menos una de las fases.- Separaciones de algún componente de una mezcla (destilación, extracciones L-L ó S-L, absorción de gases, adsorción, etc.)

Modificación de la masa o composición


FENÓMENOS DE TRANSPORTE

Rapidez con la que se consigue el transporte de propiedad

SISTEMAEntrada

Salida

Transferencias con el medio

Entrada al sistema

Salida del sistema

Transformación en el sistema

Acumulación en el sistema

Balances de propiedad extensiva (Leyes de conservación)

Aspecto clave y básico en el diseño de operaciones unitarias

φφyy δδ PP Leyes cinLeyes cinééticasticas

ττyxyx υυ ρρ··uuxx Ley de NewtonLey de Newton

q/Aq/Ayy αα ρρ··hh Ley de Fourier Ley de Fourier

mmAyAy DDABAB ρρ··WWAA Ley de Ley de FickFick

Densidad de flujo de propiedad

Coeficiente de transferencia de propiedad

Fuerza impulsora

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=

dydP

y ·δφ


OP. UNITARIAS CONTROLADAS POR LA TRANSF. DE MATERIAOP. UNITARIAS CONTROLADAS POR LA TRANSF. DE MATERIA

DESTILACIDESTILACIÓÓNN• Separar dos o más componentes de una mezcla líquida aprovechando las diferencias en

sus presiones de vapor (separación G-L)• Destilación binaria y destilación multicomponente• Recipientes cilíndricos con una entrada (alimentación) y dos salidas (destilado por la

cabeza y residuos por la cola) o varias salidas laterales.• Separación componentes del petróleo

e industria petroquímica en general, recuperación de disolventes, fabricación de licores, etc.


DESTILACIDESTILACIÓÓN: MODOS DE OPERACIN: MODOS DE OPERACIÓÓNN

Destilación simpleLíquido hierve en una calderaProducto → destilado Residuo → calderaEn continuo o discontinuo

Destilación súbita o flashExpansión súbita de un líquido caliente Fase vapor → rica en volátiles Fase condensada → rica en no volátiles

Destilación con reflujo o rectificaciónReflujo → relación de destilado devuelto a la columna Transferencia de materia → por etapas o en continuoOperación de separación más común en la industria química

Destilación extractivaAdición tercer componente a mezcla binariaModifica la volatilidad relativa de los componentesDisolvente sale como residuo junto a un componente

Destilación azeotrópicaAdición tercer componente a mezcla binariaTercer componente forma azeótropo con uno de los de la mezcla

Destilación por arrastre de vapor (stripping)Mezclas sensibles al calorInyección directa de vapor de agua recalentadoReduce la presión parcial de los componentes (↓ Tª vaporización)Vapor no llega a condensar (sale por el destilado)


EQUIPOS DE DESTILACIEQUIPOS DE DESTILACIÓÓNN

COLUMNAS DE PLATOS (STAGED COLUMN)COLUMNAS DE PLATOS (STAGED COLUMN)

Contacto discontinuo o por etapasPlatos → Superficie plana y perforada que divide la columna en etapas

(platos perforados, de campana, de válvulas, etc.)Vapor se burbujea a través del líquido retenido en cada plato Equilibrio L-V → fuerza impulsora diferencia de composiciónEficacia del plato < 100 % (plato ideal alcanza equilibrio L-V)

Plato

Tipos de caperuzas de barboteo


EQUIPOS DE DESTILACIEQUIPOS DE DESTILACIÓÓNN

COLUMNAS DE RELLENO (PACKING TOWERS)COLUMNAS DE RELLENO (PACKING TOWERS)

Contacto continuoColumna con baja relación diámetro-alturaTiempo de contacto en cada sección de columna es muy cortoRelleno →sólidos de alta superficie específica por unidad de volumen, poco peso, alta resistencia y escasa compactación

Anillos Pal

Anillos Intalox

Anillos Raschig

Rellenos estructurado


2. INGENIER2. INGENIERÍÍA DE LA REACCIA DE LA REACCIÓÓN QUN QUÍÍMICA. MICA. 2.1 GENERALIDADES2.1 GENERALIDADES

Estudio de las reacciones químicas ↔ Diseño de reactores químicos

- Termodinámica → Condiciones en las que la reacción es posible y en qué grado (equilibrio químico) y balance entálpico (calor de reacción).

- Cinética química → velocidad de la reacción química y parámetros que la afectan (concentraciones, temperatura, presión)

- Fases en las que se desarrolla la reacción (homogénea o heterogénea)

A veces difusión etapa controlante(considerar velocidad de difusión)


VELOCIDAD DE REACCIÓN Y ECUACIÓN CINÉTICA

Velocidad de reacción → Define el número de moles de reactivos o productos que se transforman por unidad de tiempo y volumen de la mezcla de reacción (reacciones homogéneas) o superficie de contacto entre las fases (reacciones heterogéneas)

( ) ( ) ( ) ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡≡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−≡⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−≡−

dtdN

Vcr

dtVCd

VadtdN

Var C

CAA

A111111

De origen empírico

Ecuación cinética → Expresa la relación entre velocidad de reacción y los diferentes parámetros de los que depende (concentración, reactivos y productos, temperatura y presión)

aA + bB → cC + dD

Seguimiento de la reacción → modificación en la concentración de reactivos o productos

→ variación de volumen (en reacciones gaseosas)

Velocidad de reacción = f (concentración reactivos y productos y temperatura de reacción)

( ) βα )·()( BAA CCkr =− α y β → órdenes de reacción

k → constante cinética


RTEaeAk /· −=


Atendiendo a las fases que intervienen

Reacciones homogéneas

Reacciones heterogéneas:

G-L: Absorción de NO2 en agua para dar ácido nítrico

G-S: Adsorción de SO2 sobre cal para dar sulfato cálcico

Gasificación del carbón con aire para dar CO, CO2, H2 y H2O

L-L: Nitración del benceno

L-S. Disolución de metales por ácido

S-S: Reducción de óxidos metálicos por mezclas con coque como sólidoreductor

Reacciones catalíticas homogéneas

Reacciones catalíticas heterogéneas

CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE LAS REACCIONES QUN DE LAS REACCIONES QUÍÍMICASMICAS


Atendiendo a la estequiometría de la reacción

Reacciones simples: A + B → D

Reacciones complejas o múltiples:

En serie: A + B → D ∴ D + C → E

En paralelo: A + B → D

A + C → E

Consecutivas: A + B → D

D + B → E

Reacciones elementales: el orden de reacción coincide con la molecularidad

A + B → D (-rA = k·CA·CB)

Reacciones no elementales: A + B → D BD

BAD CCk

CCkr+

=2

12

1

)(

TEMA 2 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIALINTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICATEMA 2

ÍNDICES TÉCNICOS PARA OPTIMIZAR EL DISEÑO DE REACTORES QUÍMICOS:

CONVERSIÓN (XA)

Referida a un reactivo (reactivo limitante)

Es adimensional

entadaaAdecantidadareaccionadAdecantidadX A lim

=

100

%100

x

delconversiónparayadyacentesreaccionesdeausenciaenformaríansequemoles

deseadoproductodeformadosmolesR =

deseadonoproductosdeformadosmolesdeseadoproductodeformadosmolesS =

RENDIMIENTO (R) [0-100]

SELECTIVIDAD (S) >1


2.2. REACTORES QU2.2. REACTORES QUÍÍMICOSMICOSReacción químicaDiseño del reactor → Selección del tipo de reactor (características de reacción,

grado de mezcla y contacto entre fases)

→ Volumen del reactor (capacidad y tiempo de contacto)

→ Condiciones de presión, temperatura y composición.


CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE LOS REACTORES QUN DE LOS REACTORES QUÍÍMICOSMICOS

Los reactivos circulan a lo largo del mismo sin que exista mezcla en la dirección de flujo (modelo flujo pistón)

Los reactivos alcanzan un grado de mezcla total (modelo mezcla completa)

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TEMA 2. INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES · PDF filereactores de lecho fijo y lecho fluidizado, etc. Contacto intermitente →Fases se separan y se vuelven a mezclar en etapas de contacto